异型坯循环水系统中板式热交换器在线化学清洗方案

2018-12-21张长生谢宝俊

现代矿业 2018年11期

张长生谢宝俊

(1.马鞍山钢铁股份有限公司能源管控中心；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

马钢长材事业部有2台异型坯铸机(3#、4#连铸机)承担中、小型H型钢铸坯的生产任务。连铸机的结晶器冷却用水采用软水循环，设有5台板式换热器、安全高位水箱及冷媒水系统等。原软水系统采用闭路软水循环方式，后因冷媒水侧黏泥与结垢影响换热，导致水温过高影响连铸机生产，为此，在2006年对软水系统增设了2台1 000 m3/h冷却塔，进行夏季应急旁路冷却(一般在夏季7—9月使用)[1-3]。虽缓解了夏季水温的影响，但却给软水系统带来了黏泥增多与结垢加速问题，以至于在冷却塔停运时，软水温度无法有效降低，严重制约了春、秋季节正常生产，同时软水循环系统长时间开路，易对结晶器表面产生结垢与黑斑，造成漏钢事故频繁发生。为确保系统正常运行，常采用人工方式对换热器进行解体清洗[4-5]。由于换热片及密封垫多，加之黏泥垢量大及进口设备安装精度要求高，使得每次清洗1台异型坯铸机需要5～6 d/3人，而每次清洗后仅能保持2个月左右，每年需要清洗4～5次，极大耗费了人力资源与成本，同时经常拆卸，也容易造成漏水。因此，为确保3#、4#机正常生产，降低人力成本，节约维修费用，本研究设计了板式换热器在线化学清洗方案。

1 系统运行参数及工艺流程

1.1 系统运行参数

(1)软水循环系统参数。工艺参数：循环水量Q1 950 m3/h，压力P1.0 MPa，温度t<35 ℃，温差<15 ℃；水质指标：浊度<5 mg/L，钙硬度<5 mg/L，钼酸根含量35～50 mg/L，生物黏泥含量<1 mL/ m3，碳钢腐蚀率<0.1 mm/a，铜、不锈钢腐蚀率<0.005 mm/a。

(2)冷媒水循环系统参数。工艺参数：循环水量Q2 400 m3/h，压力P0.44 MPa，温度t<35 ℃，温差<15 ℃；水质指标：浊度<15 mg/L，总磷4～8 mg/L。

(3)板式热交换器。系统共有5台美国APV公司板式换热器(编号分别为1#～5#)，不锈钢材质。其中，1#～3#板式热交换器型号为TR9GN、面积283.2 m2，水量500 m3/(h·台)；4#、5#板式热交换器型号为J092-MGS-16/6，面积392.45 m2，流量720 m3/(h·台)。

(4)冷却塔。系统设置有2台1 000 m3/h冷却塔，用于冷媒水冷却。

1.2 系统工艺流程

异型坯软水、冷媒水工艺流程如图1所示。

2 清洗方案

2.1 污垢产生原因与危害

(1)原因。①软水和冷媒水在循环使用时，水中的钙镁碳酸盐遇热后分解为碳酸钙、氢氧化镁等沉积物以及大量生物黏泥附着于板式换热器的翅片上，形成水垢与污垢，部分悬浮于循环水中，沉积于流速较低的受热面上，形成二次水垢[6]；②循环水中的异养菌与水中悬浮物形成黏泥附着物，黏结于受热较大的换热器面上，影响板式换热器的换热效果；③在夏季由于气温高，为保证正常生产，软水应急冷却塔投入运行，将空气中的灰尘与细菌带入水中，加速了水垢形成。

图1 异型坯软水、冷媒水工艺流程

(2)危害。①热交换器结垢严重时，直接导致热交换效率大幅下降，致使系统通过增大循环水量来维持生产，使得泵的负载率上升，耗电量增大，换热效果下降，软水侧温度升高；②热交换器结垢特别严重时，板片间通道阻塞，垢下腐蚀加重，也会造成管路腐蚀损坏，甚至报废。因此，从降能节耗、提高设备的使用效率角度考虑，为有效排除设备运行隐患、延长设备使用寿命，有必要定期对热交换器进行清洗除垢处理。

2.2 方案设计

在每台板式换热器安装清洗供水管、阀及排水管、阀(图2)，利用现有设施建立1套循环清洗系统(Q=400 m3/h、P=1.0 MPa或根据单台换热器流量进行同比例配置水泵)，逐台进行冲洗、酸洗、碱洗、清洗及钝化处理，以溶解、剥离生物黏泥、清除污垢。酸洗液成分为甲酸 (或其他有机酸的混合物)(81.0%)、水 (17.0%)、缓冲剂(1.2%)以及表面活性剂(0.8%)，主要用于溶解、剥离生物黏泥、清除污垢。碱洗液由NaOH、Na3PO4、软化水按2∶4∶4比例配制，主要使得清洗后的系统在进行较长时间置换水的时间段内，使较低的系统pH值得到缓冲，缓解活化的金属表面再次出现浮锈的趋势，防止清洗下的铁锈等杂质再次发生沉积。清洗流程为水冲洗—酸清洗—碱洗清洗—中和—水冲洗(大水量)。为节省清洗时间，清洗时可将除剥离、除垢清洗2个过程合并为1个过程完成，该阶段清洗为关键阶段，直接关系最终的清洗质量。清洗技术要求为[7]：①冲冼，酸洗前，需对换热器进行开式水冲洗，既能提高酸洗效果，又可降低酸洗耗酸量；②酸洗，先将酸洗液置入循环水箱，再注满换热器，静态浸泡2 h，最后连续动态循环3～4 h，期间先对软水侧清洗，后对冷媒水侧清洗，酸洗完毕后，应将酸洗液稀释中和后排放；③碱洗，酸洗完毕后，用 NaOH、Na3PO4、软化水按一定比例配制好，利用动态循环方式对换热器进行碱洗，达到酸碱中和，使得换热器板片不再被腐蚀；④水洗，碱洗完毕后，用清洁的软化水反复对换热器进行冲洗0.5 h，将换热器内的残渣彻底冲洗干净。为保证清洗剂的浓度，在循环过程中，每隔1 h 应检测1次清洗槽内清洗剂的浓度，使得清洗剂的浓度始终保持在110～115 mol/L安全有效范围内，必要时需添加清洗剂，同时在清洗过程中需对清洗液进行pH、浊度(或悬浮物)总铁、浓度检测。

图2 1#板式交换器阀门设置示意

图2中各阀门的状态为：①正常工作时，阀门F11、F12、F13、F14处于关闭状态，冷媒水系统投入运行时，阀门F1C、F1D处于开启状态；软水系统正常运行时，阀门F1A、F1B处于开启状态；②冷媒水侧清洗时，冷媒水、软水进出水阀门F1C、F1D、F1A、F1B处于关闭状态，清洗水系统投入运行时，冷媒水侧清洗阀门F12、F14处于开启状态，软水侧清洗阀门F11、F13处于关闭状态；③软水侧清洗时，冷媒水、软水进出水阀门F1C、F1D、 F1A、F1B处于关闭状态，清洗水系统投入运行时，软水侧清洗阀门F11、F13处于开启状态，冷媒水侧清洗阀门F12、F14处于关闭状态。

3 清洗效果

本研究以1#板式热交换器为例，对清洗效果进行分析。清洗后，1#板式热交换器冷媒水进水温度为26 ℃，冷媒水出水温度为28 ℃，软水进水温度为34 ℃，软水出水温度为29 ℃。结合图3、图4分析可知：清洗效果较好，达到了预期。为进一步验证清洗效果，将1#板式换热器解体拆开观察分析，发现软水侧清洗得非常干净，不锈钢板面已经全部裸露出，冷媒水侧污垢也已经基本被清除(图5)。