低温多效海水淡化运行出现的问题及应对措施

2018-07-20唐智新薛腊梅

冶金动力 2018年8期

徐升，唐智新，孙雪，薛腊梅

（首钢京唐钢铁联合有限公司，河北唐山 063200）

1 概述

首钢京唐公司共建有低温多效海水淡化装置4套，海水淡化装置运行近7年，由于第一效底部换热管结垢及二次流通箱换热管腐蚀严重，近2年来海水淡化产量大幅下降，公司外购水费用大幅升高，经营成本不断攀升。

2017年海水淡化的产量占公司总用水量的51%，提高海水淡化产量是降低外购水费用的必要手段，借助对设备检修的机会对漏的换热管彻底更换，将系统内的水垢、粘泥、腐蚀产物等清洗出来，使换热管表面达到要求的清洁度，减少腐蚀泄漏的发生，从而延长设备使用寿命，提高设备的热交换效率，实现企业的节能降耗。

2 低温多效蒸馏海水淡化工艺简介

海水淡化，就是从海水中脱去盐分，得到纯度较高的淡水的过程。首钢京唐公司一期海水淡化采用热法低温多效蒸馏工艺，利用钢铁厂的富余蒸汽加热海水，使其蒸发并冷凝从而获得所需蒸馏水，生产规模50000 t/d。其中包括四套淡化装置，每套装置包括七个效组，单套装置产水规模每天12500 t，产品水电导率小于10 μS/cm。淡化主体工艺示意图如图1。

图1 多效海水淡化装置示意图

淡化主体系统主要工艺流程：在海水淡化区域内，海水首先进入预处理系统，热法海水淡化工艺本身对海水水质要求很低，大部分时间水质可以满足，但为了使淡化主体发挥更好的性能，同时避免远期海水水质的可能恶化对主体蒸发器造成影响，故建有海水预处理设施——高效沉淀池，采用ACTIFLO技术。每台主体蒸发器由7个相同的效和1个末效冷凝器组成，主要结构均为换热管束，辅助系统主要由海水补给、浓盐水排放、蒸汽减温减压及输入、冷凝水输回和产品水排出等分系统构成。进入系统的海水首先进入末效冷凝器，经预热后由泵送入蒸发器，用于补给蒸发；从厂区管网进入的蒸汽经减温减压后进入主体第一效，将补给的海水蒸发，加热蒸汽冷凝后由泵抽出等量送回蒸汽发生源。蒸发器主体被抽到接近真空，故蒸发过程在低于70℃的情况就能发生，海水蒸发产生的蒸汽作为二次热源使下一效海水蒸发，同时冷凝成蒸馏水，其余效产生的蒸馏水自流至末效冷凝器，于其中的蒸馏水被共同收集得产品水；每效中补给海水蒸发浓缩液称为浓盐水，同样的过程在每效中进行，从而实现了每引入1 t蒸汽产生近10 t的蒸馏水的高造水比。而海水部分蒸发后浓度略为升高（约1.43倍），称之为浓盐水，由泵排出。

3 设备运行存在的问题

3.1 设备结垢

四套低温多效海水淡化装置经过长时间的运行，年修检查发现每套设备的第一效底部结垢严重，检查过程中发现换热管结垢存在一定的分布规律。图2为结垢严重的换热管分布图。

图2 第一效底部换热管更换分布图

由图2可见，第一效换热管底部两侧结垢严重，向上逐渐减少结垢，至中间不结垢，以“凹”字形分布，同时蒸汽入口侧结垢较为严重。

3.2 二次流通箱换热管腐蚀

单套系统主体蒸发器共8效，前7效蒸汽走换热管管程海水走壳程，每效约8600根管，管径29 mm，壁厚0.7 mm，材质为钛管和铜铝合金管。第8效海水走换热器管程，蒸汽走壳程，约4700根管，管径26 mm，壁厚0.5 mm，材质为钛管，前7效二次流通箱上三排为钛管，其余9排为铜铝合金管。

单套主体蒸发器每一效内海水通过喷头喷淋至换热管，海水及其所携带的泥沙会对顶部二次流动箱换热管机械冲刷腐蚀，长时间运行后，导致耐磨性较差的铝黄铜管磨损、变薄、穿孔、泄漏。

2015年、2016年泄漏换热管数量统计见表1。

表1 2015年、2016年泄漏换热管数量

4 设备结垢与腐蚀原因分析

4.1 喷淋量不足造成换热管结垢

单套蒸发器每效海水喷淋喷嘴共有48个，海水通过喷嘴喷淋在换热管表面，具体喷淋方式见图3。由于海水自上而下流过换热管表面，海水在下降过程中，大部分被蒸发，底部换热管接触海水少、浓度大，在同等温度下，底部换热管结垢严重。由图3喷淋分布可以看出，中间的海水喷淋有交叉，水量较大；而两侧海水喷淋没有交叉，相较于中间位置海水喷淋量较少，故底部结垢两侧比中间严重。

图3 海水喷淋分布图

4.2 第一下浓盐水温度高造成结垢

通过对主体底部换热管所结垢样的全分析，得出换热管结垢的主要成分为硫酸钙、碳酸钙，还有少量的氢氧化镁、氢氧化铝等。当温度达到60℃时，海水中的碳酸氢盐开始热衰变，并随温度升高衰变加剧。海水淡化第一效浓盐水温度一般控制在66℃以下，在此温度下，水中碳酸氢根分解产生二氧化碳、碳酸根和水，二氧化碳通过主体抽气装置排走，而碳酸根则和钙离子结合，生成碳酸钙，由于碳酸钙在水中的溶解度低，在换热管表面将发生沉淀并造成结垢。在海水中添加阻垢剂，一定程度上可以防止碳酸钙结垢。具体成分见表2。

表2 垢样成分分析

注:检测方法为XRF，保护气体为二氧化碳，检测不能显示碳酸根含量。

4.3 海水中硫酸根含量高易产生硫酸钙垢

硫酸钙垢析出主要与海水浓缩比和温度有关。第一效蒸发温度不超68℃，浓盐水温度不超过66℃控制；海水浓缩比约为1.43。对比图4中，在浓缩比为1.43时，大约为95℃时硫酸钙才开始析出。故第一效硫酸钙垢结垢严重与主体运行温度无直接关系，与海水中硫酸根含量有关。

4.4 不凝有害气体对铜管产生腐蚀

海水中携带各种微生物及藻类，在进入蒸发器主体前，需要投加杀菌进行杀菌灭藻，可能产生一些H2S、NH3等有毒有害气体，这些气体对铜管有很大的腐蚀作用，是造成铜管腐蚀的主要原因。

5 解决结垢及腐蚀问题的应对措施

5.1 设备清洗

四套蒸发器系统结垢垢质均不同，每一套区域严重程度亦不同。清洗中针对实际情况复合采用的立体洗、交叉反复、局部环绕加强洗等多种清洗机制，建立的新作业规范，洗下垢快速移出，洗净终点三参数化验控制，洗后现场快速恢复设备等等都大幅度缩短工期，实现最大化除垢。

第一效作为二次蒸汽的发生源结垢严重，必须优先解决第一效结垢问题。结合前期清洗中遇到的问题，清洗采取向先切管再清洗的方式，将全部堵死的管束先进行切割，以保证清洗药液的有效循环，进一步提升清洗效果。

(a)第一效换热管采用酸洗+中性洗的化学清洗方式。

图4 海水浓缩过程硫酸钙的溶解范围

图5 清洗过程数据趋势图

通过对清洗过程采样数据的分析（见图5），确保清洗液pH值保持在1～2之间，通过监测清洗液中的钙离子含量，可以很清晰看到钙离子在清洗约3 h后基本达到最大值并维持在约100 mg/L左右。

(b)第2～7效采用化学与物理相结合的清洗方式，利用化学溶解的方法，清除换热管表面所附着的水垢及腐蚀产物。向蒸发器前7效内注入除盐水，达到循环量1130 m3后，启动清洗循环泵，开始循环清洗系统，待压力稳定后，开始加药。

因清洗采用的清洗剂不可避免的会对金属产生一定的腐蚀作用，在清洗前加入铜缓、302缓蚀剂进行缓蚀处理，减少清洗剂对设备的损害。加入清洗剂前，钙离子浓度约为200 mg/L，加入清洗剂后，钙离子浓度骤降后大幅升高，约为1000 mg/L。由于清洗剂是一种复合型有机酸类清洗剂，清洗机理主要为通过清洗剂与无机盐、金属氧化物等形成螯合物，从而洗脱，故在加入清洗剂后，其首先与溶液中钙离子反应，使溶液中钙离子骤降为0，继而与换热管上钙垢进行反应，从而实现洗脱。

经过酸洗处理后，管外侧污垢脱落物质，沉积到设备底槽内，形成3～5cm厚的淤泥层，经人工清淤运出。

(c)末效凝汽器钛管采用化学浸泡并打循环的方法进行清洗。将末效进出口1 m弯头拆掉，在法兰处增加盲板，盲板上连接DN80管道，与酸洗装备相连接。先用清水将冷凝器冲洗干净，建立一个满水循环，然后向循环罐中加入铜缓蚀剂，打入末效蒸发器，缓蚀处理30 min后加入盐酸。清洗7 h结束后打开凝汽器检查，凝汽器换热管清洗彻底。

经过化学清洗去除了附着在管壁上的致密污垢层，蒸发器投入运行后，各项参数均达到设计水平，清洗效果显著。

5.2 更换二次流通箱换热管

二次流通箱作为二次蒸汽通往下一效的蒸汽通道，若换热管因腐蚀出现大面积泄露，热源将会大大损失，从而直接影响产水量。大多数检修时都是发现换热管泄露后进行封堵，封堵过多势必会影响换热效果，当堵管数量超过5%时，就应彻底更换，将二次流通箱的铜管全部更换为钛管，更换后，在没有出现过腐蚀的问题，延长了换热管的使用寿命。