某钢厂蒸发式空冷器的清洗

王 潇

（天津正达科技有限责任公司，天津300131）

内蒙古某钢厂90 t 转炉除盐水密闭系统配套的12 台蒸发式空冷器管束外壁结垢十分严重，几乎全部被垢物包裹。喷淋水在空冷器内部无法形成喷淋，而是顺着垢层间的缝隙流至接水盘， 空冷器完全丧失冷却效果。 为不耽误生产，管束内的水改为直排，消耗大量新鲜除盐水，亟需有效解决方案。

1 空冷器清洗预膜方案制定

该钢厂空冷器日常运行水质记录显示其硬度常年高达2 000 mg/L 以上，最高时接近3 000 mg/L，最低也在1 200 mg/L 以上，平时仅靠投加阻垢剂维护，连续运行12 a 未进行任何形式的清洗。

1.1 空冷器概况

单台空冷器喷淋水量为180m3/h，保有水量15m3，补水量60～80 m3/h，可冷却除盐水量800 m3/h，设备进出口温差8～10 ℃，设备材质为碳钢。

蒸发式空冷器的喷淋水浓缩速度快、 浓缩倍数高，水中硬度、碱度、浊度增长也较快。长期运行其管束表面必然附着大量水垢、微生物黏泥及腐蚀产物，如不及时进行清洗， 管束表面附着物会越来越多直至完全覆盖管束，导致管束完全丧失换热能力。

1.2 垢样分析

现场观察空冷器结垢情况发现， 管束表面结垢虽然严重，但垢层并不结实紧密，而是松散有孔，应该是长期投加阻垢剂导致成垢物质晶格畸变〔1〕，其密度约为1.405 g/cm3， 为正常碳酸钙垢密度的一半左右。 主要成分为碳酸钙、氧化铁、微生物黏泥和少量氢氧化镁。 其中碳酸钙约占总质量的70%，氧化铁占10%，氢氧化镁占5%，有机物占15%。

1.3 清洗预膜方案制定

该钢厂所在地区水质硬度较高，属结垢型水质。因经费紧张，空冷器久未清洗。此前该厂对空冷器进行物理清洗，但清洗过程中发现垢层坚硬，高压水枪压力调至50 MPa、用时1 周，1 台空冷器仍有一半以上垢物无法清除。由于水枪压力太高，经常射穿清洗干净的管束，给设备造成损害，同时对操作人员的人身安全构成威胁。

尝试物理清洗2 台空冷器未果， 厂方认识到虽然化学清洗费用高、操作复杂，但清洗干净彻底、速度快，对设备和人员安全系数高，最终决定进行化学清洗。

1.3.1 垢量的理论计算

每台空冷器有1 100 根管束，管束直径25 mm，管壁厚1 mm，长10 m，管束间距38 mm，垢层平均厚度约1.5 cm， 则单根管束外表面结垢物质体积为π｛（2.5/2＋0.1＋1.5）2－（2.5/2＋0.1）2｝×10×100＝19 782 cm3。单根管束外表面的结垢量为27.793 71 kg。

每台空冷器管束外表面结垢总质量：1 100×27.793 71≈30 t。

1.3.2 方案制定

其他水处理公司曾提供给厂方的方案主要有2类：（1）理论上溶解1 g 水垢需要氨基磺酸约2 g〔2〕，则溶解30 t 水垢需要氨基磺酸60 t。 采用自循环方式进行清洗，每台空冷器接水盘蓄水量15 t，每次按质量分数10%配制氨基磺酸清洗液，一次消耗氨基磺酸1.5 t，需配40 次；每次需0.8%缓蚀剂和100 mg/L 分散剂，分别为120、1.5 kg，40 次分别为4.8 t、60 kg，1 台空冷器预计清洗10 d。此类方案的优点是清洗安全彻底，缺点是费用过高、时间过长。 仅氨基磺酸费用就高达30 多万元， 不含辅料和人工费用，而新的空冷器价格在30 万元/台左右。 所有空冷器清洗完毕需要120 d，此方案被否决。

（2）用盐酸代替氨基磺酸。盐酸比氨基磺酸便宜得多，使用浓度较氨基磺酸高，清洗速度比氨基磺酸快，可极大节省费用和时间。 但此方案风险较大，盐酸清洗过程中缓蚀问题不好解决， 大量高频率使用浓盐酸对操作人员的人身安全也有很大威胁。 该方案也被否决。

本单位技术人员给出的清洗方案操作安全、清洗彻底，可节省费用和时间。 为降低药剂使用费用，尤其是氨基磺酸的使用量， 清洗方案必须配合物理清洗一起进行。由于不停产，采用单台空冷器自循环方式逐台停车清洗。

清洗步骤：（1）用5~10 MPa 高压水枪对捕雾器翅片、管束和四周格栅进行物理清洗，洗掉松散的垢层和泥污，同时疏通布水器喷头，确保喷头通畅、布水均匀，最后人工清理打扫接水盘。 （2）在接水盘中注入新鲜水15 t， 配制质量分数10%的氨基磺酸溶液作为清洗剂，配制质量分数0.8%的乌洛托品溶液作缓蚀剂， 同时放入称量好的碳钢挂片监测腐蚀速率。 打开空冷器的自循环泵开始清洗， 每隔10 min测定pH，隔0.5 h 测定硬度。当水中硬度不再上升或上升缓慢时结束清洗。（3）清洗后的废酸液加碱进行中和排放， 随后立即用5~10 MPa 高压水枪对空冷器管束进行冲洗， 至洗水呈中性且没有较多垢物冲下时结束冲洗并排放，人工清理打扫接水盘。 （4）重复步骤（2）、（3）操作，直至空冷器管束表面目测无明显垢物。 （5）化学清洗结束后在接水盘中注入新鲜水15 t，将钝化剂（主要成分为亚硝酸钠）按1%的质量分数一次性加入，循环8~10 h 即完成钝化预膜。 钝化液先用氨基磺酸处理，直到检测不到再用碱液中和至中性排放。 （6）空冷器转入正常运行。

单台空冷器清洗工艺流程如图1 所示。

图1 空冷器清洗工艺流程

接水盘中配制的清洗液由喷淋泵抽至空冷器的布水器中， 由喷淋系统即布水器喷头喷洒到待清洗管束上。经过管束的清洗液流到接水盘中，被喷淋泵抽至布水器中，形成闭路循环，清洗液反复清洗管束表面直至丧失清洗能力。 在接水盘中重新配制清洗液，继续循环，直至管束表面目测无明显垢物，露出金属本色则结束清洗。

由于有机物主要附着在垢层表面， 而空冷器经高压水射流清洗后， 垢层表面的有机物基本被清理干净，因此未进行杀菌操作。清洗液丧失清洗能力后立即更换，每次清洗时间较短，故无需投加分散剂。酸洗结束后用高压水枪对管束进行清洗， 除可去除残余的酸液外，也可冲洗掉已松动但未脱落的垢层，尽量节省酸的用量。

每台空冷器垢量约30 t， 但无需将这些水垢全部溶解，将其从管束上脱离即可。氨基磺酸在溶解碳酸盐垢时会放出大量气泡， 起到很好的剥离垢层的作用〔2〕。 水垢完全从管束表面剥离所需的清洗次数依靠经验进行判断， 故清洗第4 步中未明确重复次数，根据清洗效果再作决定。 综合考虑垢层厚度、成分、总质量等具体情况，同时结合厂方尽量节省费用的要求，最终确定平均每台空冷器清洗5 次。

关于是否存在严重的垢下腐蚀， 技术人员认为垢下腐蚀情况应该不严重。 由于该系统水质硬度一直较高， 属严重结垢型水质， 其结垢物主要为碳酸钙，故垢下腐蚀情况不用过虑，但不能保证所有管束均无腐蚀，故承诺清洗后漏管率＜2%。

1.3.3 费用预算

每次清洗消耗氨基磺酸1.5 t、乌洛托品0.12 t，5 次清洗分别消耗7.5、0.6 t； 氨基磺酸每吨0.6 万元，乌洛托品每吨2 万元，共计5.7 万元。 预膜需要钝化剂0.15 t，钝化剂价格1.5 万元/t，计0.225 万元。每台空冷器预计清洗2 d，预膜1 d，每天人工费0.2万元，共0.6 万元。 每台空冷器清洗总价格为6.525万元，12 台空冷器共计78.3 万元。 物理清洗由厂家自行进行，不计算费用。

2 清洗预膜方案的实施与效果

提出方案得到厂方认可后，随即开始清洗工作。第1 台空冷器进行第1 次清洗时， 仅用1 h 接水盘水质总硬度就高达32 300 mg/L，此时pH 升至2.49；0.5 h 后接水盘水质总硬度达到33 100 mg/L，pH 升至2.74，总硬度上涨速度已较缓慢，本次清洗可以结束。 第2 次清洗用时3 h，接水盘水质总硬度高达40 800 mg/L，pH 升至2.65，结束本次清洗。 如此反复，第1 台空冷器共清洗4 次，每次化学清洗结束后立即配合物理清洗。 该台空冷器此前被结垢物包裹几乎看不见管束， 清洗完全结束后没有肉眼明显可见的垢物，几乎全部管束露出金属本色，管束表面光滑光亮，除垢率在95%以上，仅3 根管束出现漏管现象，远低于2%的漏管率，清洗效果十分理想。

该厂12 台空冷器中3 台清洗3 次，4 台清洗4次，3 台清洗5 次，1 台清洗6 次，1 台清洗7 次，平均清洗4.42 次，接近方案中的预计次数，说明方案预估较准确。 空冷器的除垢率均在95%以上，漏管率均在2%以下，清洗后管束露出金属本色，随即钝化预膜，预膜结束后空冷器立即恢复正常运行。清洗完7 台空冷器时， 系统管束内的除盐水已可降温至满足生产需求，不需直排。 为缩短时间，后面5 台空冷器采用2 台和3 台一起清洗的方式， 全部空冷器清洗完毕一共耗时27 d，每台空冷器平均耗时2.25 d。清洗后，管束进出口温差保持在8～10 ℃，完全满足生产需求。 清洗后对挂片进行监测，碳钢挂片腐蚀速率2.857 g/（m2·h），略低于GB/T 25147—2010《工业设备化学清洗中金属腐蚀率及腐蚀总量的测试方法 重量法》中规定的3 g/（m2·h）。 需要说明的是，由于挂片挂在接水盘里， 清洗下来的大量污垢对挂片表面形成刮伤， 导致实际监测的腐蚀速率较真实腐蚀速率偏大，如在实验室进行同等条件的挂片监测，其结果远小于国标要求。 因现场条件不允许且时间紧迫，未做相应实验。

3 清洗后日常运行建议

为避免再次出现严重的空冷器管束外壁结垢现象， 对于此类系统建议日常运行时尽量做到以下几点：（1）制定硬度指标，超过指标必须强制换水。建议指标定为≤800 mg/L。 （2）适当补充除盐水，如有密闭系统的排污水可作为补水引入该系统， 可有效降低系统硬度，也符合国家节能减排政策。 （3）定期加酸调节pH，要求pH≤8，降低碱度，延缓结垢。（4）定期投加杀菌剂， 在剥离细菌微生物的同时除掉部分垢物。 （5）连续投加阻垢剂，磷系药剂要求总磷≥2 mg/L。（6）建议每年清洗1 次，防止垢层累积过厚。如目测大部分管束表面有明显垢层应立即组织清洗。

4 结论

（1）氨基磺酸虽然价格较贵，但充分利用氨基磺酸清洗碳酸钙垢的剥离作用，再辅以物理清洗，可大幅减少其用量，清洗效果优良、安全环保，费用不高，为首选清洗剂。

（2）化学清洗与物理清洗要配合使用，既可以节约费用，还可保证清洗彻底、无死角，单纯使用一种方法的清洗效果不理想。

（3）对于结垢型水质，虽然垢层很厚但基本不存在垢下腐蚀现象，可放心清洗。