天然气加工闭式冷却塔喷淋循环水系统清洗除垢方案探讨及实施

王顺喜，路小虎，王海宁，李亚鹏，王 婧，林坤华

(1.长庆油田(榆林)油气有限公司，陕西 榆林 719000； 2.长庆油田分公司 伴生气综合利用项目部第八项目部， 陕西 西安 710075； 3.长庆油田公司 第八采油厂地质研究所，陕西 西安 718699； 4.成都苏坤环保科技有限公司，四川 成都 611534)

敞开式循环水系统循环水经过换热设备时，带走热量，在凉水塔从上向下喷洒而下，冷空气从下而上，与水接触，使一部分水蒸发，将剩下的水冷却，达到降温的效果[1]。这种方式的弊端是全年都要使用循环水，需要用大量的水来进行降温，耗能、耗水巨大。由于循环水和大气直接接触，环境的粉尘等杂质进入水中，并通过循环系统，带到系统的换热器中，造成所在部位的结垢和腐蚀，带来极大的安全隐患[1]。采用闭式空冷系统是解决这一问题的有效措施之一。闭式空冷系统由闭式软水内循环和开放式外循环(喷淋水系统)组成。包括2种冷却方式，冬季气温在0 ℃以下时，停止使用外循环水，通过风机引流，用自然界的冷源将换热管内的软水冷却；当夏季温度较高时，使用外循环喷淋水系统，用水蒸发来带走热量，达到降温目的。和传统方式相比，节水效率可达 50%以上[1-2]。

长庆油田(榆林)油气有限公司设计原料天然气处理规模 200×108m3/a，采用密闭式循环水系统，一共有6台，24个模块，设计温差为8 ℃，内循环水介质为除盐水，系统设计压力0.8 MPa，运行压力0.6 MPa，循环水量6 404.6 m3/h，设计规模7 800 m3/h，系统容积1 600 m3。向工艺装置区水冷器、压缩机电机及变频器、空氮站空压机、供热系统热媒循环泵和蒸汽冷凝器等提供循环冷却水，以达到对换热介质进行降温的目的[3-4]。喷淋系统补水为深井水，盐含量、硬度、碱度及硫酸根离子浓度较高，在运行的同时不断蒸发，循环水蒸发带走热量的同时，水中的盐分留在剩余的水中，盐分的浓度随着浓缩时间的增加而增加，达到一定程度时，会析出来，附着在换热管上，严重影响换热效果，导致闭式冷却塔循环水温差达不到设计要求，对生产带来了不利的影响，严重影响装置的安全平稳运行。

本文针对闭式冷却塔喷淋循环水系统补水水质、循环水水质及水垢成分，综合考虑闭式冷却塔结构及现场施工条件等因素，对清洗除垢的方案进行了探讨，确定清洗除垢方案为：“碱性置换—酸性溶解”为主，高压射流水清洗为辅。通过现场实施，填料上的水垢清除率达到95%以上，盘管上的水垢去除率达到85%以上，循环水温差由4.6 ℃提高到了7.4 ℃，温差提升幅度达到60.8%，达到了设计温差92.5%，达到了预期的清洗效果。

1 设计参数

闭式冷却塔设计参数见表1，其中内循环补水为软水，喷淋循环水系统补水为深井水。

表1 闭式冷却塔设计参数Tab.1 Design parameters of closed cooling tower

2 水质分析数据

闭式冷却塔内循环及喷淋循环水系统水质分析数据见表2。由上述分析数据可以看出，外循环水系统，水质相对较差，浓缩倍数约为30倍，钙离子+碱度为1 540 mg/L，超出国家标准要求的小于1 100 mg/L，结垢趋势明显，硫酸根+氯离子为8 240 mg/L，超出国家标准3倍[5]。循环水系统硫酸钙和碳酸钙结垢趋势明显。另外，从水质分析数据来看，钙离子和硫酸根离子浓度和浓缩倍数不成比例，说明系统已经出现了硫酸钙和碳酸钙结垢的现象。

3 水垢分析数据

闭式冷却塔喷淋循环水系统盘管及填料上水垢的成分分析数据如下：①550 ℃灼烧失重3.91%，Fe2O3为1.85%；②950 ℃灼烧失重7.25%，Al2O3为0.19%；③酸不溶物为11.33%，P2O5未检出；④CaO为28.3%；ZnO为0.11%；⑤MgO为5.80%；SO3为41.26%。

表2 闭式冷却塔水质分析数据Tab.2 Water quality analysis data of closed cooling tower

由上述分析结果来看：550 ℃时，为3.91%，此部分主要为有机物、生物黏泥等物质，说明系统存在有微生物及藻类的繁殖；950 ℃时，灼烧失重为7.25%，该部分失重主要是垢样中的碳酸盐分解为CO2，CO2含量可以表示为垢样中碳酸钙的含量；酸不溶物含量为11.33%，该部分主要为泥沙及机械杂质等物质；SO3含量为41.26%，说明存在较多的硫酸钙垢。从以上数据可以看出，垢样的主要成分为硫酸钙，另外含有少量碳酸钙及泥沙。

4 清洗除垢方案

4.1 现场施工条件

综合上述水质及水垢成分分析，可以判断水垢的主要成分为硫酸钙，在清洗方案制定的时候需重点考虑如何快速有效地去除硫酸钙垢，且需要考虑以下几个因素。

(1)闭式冷却塔盘管为镀锌管，设备主体材质为热浸镀锌板，清洗过程如何降低设备的腐蚀，尤其是镀锌层的保护。

(2)闭式冷却塔PVC填料缝隙中结满水垢，外侧几乎不过水，填料宽度约为1 m，高度约为3 m，填料之间的间隙约为1.5 cm，清洗液及清洗药剂无法到达此区域。

(3)换热盘管分为2层，最上面一层裸露面积较大，便于用高压射流水进行清除，但中下部盘管几乎没有操作空间。

(4)生产装置处于运行状态，闭式冷却塔不能长期停运，因此，清洗的时间不能太长。

4.2 方案的选择

4.2.1 药剂清洗方案

硫酸钙垢不同于碳酸钙垢，采用常规的酸性清洗方案[6-7]，由于硫酸钙溶解速度较慢，通过加入酸性清洗剂、螯合剂和分散剂后，当清洗液中硫酸根和钙离子达到6 000 mg/L以后，硫酸钙已经达到饱和，无法继续溶解，需要换水后再次加药清洗。产生的废液量较大，药剂消耗量大，清洗成本较高，且清洗液无法接触的区域达不到预期的清洗效果。

4.2.2 物理清洗方案

高压水射流清洗可以有效清除管束及填料上的水垢，清除较为彻底。但对于中下部盘管及填料内部的水垢则无法清除。该方案的优点为几乎不产生清洗废液，清理出来的水垢主要为硫酸钙及酸不溶物，可以作为普通固废处理。

4.2.3 优化清洗方案

对上述2种方案均在现场开展了清洗试验工作，2种方案的优点和缺点较为明显。通过总结2种方案在清洗过程中的利弊，并结合现场施工条件，对清洗方案进行了优化，优化流程如下。清洗除垢流程：人工除垢→高压射流水除垢→杀菌剥离→药剂清洗除垢。①人工除垢：主要清除PVC填料及集水池水垢，改善填料通畅性；②高压射流水除垢：主要清除盘管表面的刺状晶体垢和肉眼可见的水垢；③杀菌剥离：通过杀菌剥离剂及浸润剂的作用，将系统中的残留水垢、泥砂及机械杂质带出系统；④药剂清洗除垢：主要清除中下部盘管表面的水垢及高压射流水无法触及的区域，通过碱性置换—酸性溶解的方法将其溶解。通过实验室清洗试验充分论证了该方案的可行性后，在现场进行了实施。

5 清洗除垢实施

5.1 人工清垢

填料上水垢较为多，外侧多为泥沙、硫酸钙及碳酸钙，内侧多为硫酸钙和碳酸钙。单套喷淋塔填料中人工清理出来的水垢约为2 t，结垢十分严重。通过人工的方式进行清理，可以有效清除水垢且不损伤填料，为后期药剂清洗创造了良好的过水条件，清理前后对比如图1所示。

图1 填料人工清理水垢前后对比Fig.1 Comparison before and after artificial cleaning with filler

5.2 高压射流水除垢

换热盘管上水垢较多，上半部分管束换热界面温度相对较低，且喷淋水水流的冲刷，流速较快，水垢较为疏松，且多为颗粒状，通过高压水流极易清理。但底部管束，由于换热界面温度相对较高，且底部管束喷淋水水流流速较慢，水垢较为致密，多为致密片状，厚度2～3 mm。再加之下端操作空间有限，高压射流清洗难度相对较大。考虑到上述情况，选择压力为0～120 MPa的高压水射流清洗机，枪头选择可360°旋转的枪头，可以对管束上端、下端、左边、右边进行立体全方位清洗。清除前后管束表面变化情况如图2所示。

图2 换热盘管高压射流水除垢前后对比Fig.2 Comparison before and after descaling by high-pressure jet water of heat exchanger coil

由图2可以看出，通过高压射流水除垢后，上述换热盘管表面的水垢清除较为干净，裸露出金属本体颜色。下部分管束水垢明显变薄，局部露出金属本体颜色。

5.3 杀菌剥离

通过人工清垢和高压射流水除垢后，大部分肉眼可见的水垢已经清除完毕，通过投加杀菌剥离剂和浸润剂，进行杀菌剥离，已经松动或者已经脱落的细小水垢随水流带出系统，通过杀菌剥离后清池，进行彻底清除。杀菌剥离过程如图3所示。

图3 杀菌剥离过程图片Fig.3 Images of sterilization and stripping process

由图3可以看出，杀菌剥离后，大量的细小垢片及细渣被剥离带到集水池，通过人工进行清除。

5.4 药剂清洗除垢

经过上述操作后，喷淋循环水系统中的水垢大部分被清理干净，还有少部分沉积在换热盘管上，以及闭式冷却塔的死角区域，此部分水垢通过“碱性置换-酸性溶解”的方法将其彻底清理干净。

碱性置换：采用碱性清洗剂SK-507A，配合清洗螯合剂SK-504及清洗分散剂SK-505。

酸性溶解：采用酸性清洗剂SK-507A和清洗缓蚀剂SK-502，配合清洗分散剂SK-505。

清洗缓蚀剂降低清洗过程对设备的腐蚀，清洗分散剂提高Ca(NH2SO3)2溶解度，避免二次沉积。药剂清洗除垢过程如图4所示。

由图4可以看出“碱性置换”过程会有大量白色晶体状颗粒物质产生，清池后进行“酸性溶解”，有大量水垢被清除出来沉积到集水池中。通过碱性置换，产生部分碳酸钙后，改变了水垢的晶体结构，使其变得相对较为疏松。在酸性溶解过程中，可溶的碳酸钙被溶解后，疏松的硫酸钙随水流作用从换热盘管上脱落，重复操作几个周期可以提高水垢的去除效果。清洗结束后，20号碳钢挂片平均腐蚀率按HG/T 3778—2005《冷却水系统化学清洗、预膜处理技术规则要求》进行处理计算，得到碳钢的平均腐蚀率为0.012 5 g/(m2·h)，由于标准要求腐蚀率小于3 g/(m2·h)，说明整个清洗过程对设备的腐蚀完全在可接受范围内。

图4 碱性置换—酸性溶解除垢过程图片Fig.4 Images of alkaline replacement-acid dissolution descaling process

5.5 除垢效果

通过上述除垢操作后，水垢较难清除的底部换热盘管大部分可见金属本体颜色，水垢有明显脱落及变薄的迹象。经过清洗除垢后，闭式冷却塔的换热效率得到了明显的提升，内循环进出口温差从原来的4.6 ℃提高至7.4 ℃，如图5所示。

图5 经过全流程清洗除垢后换热盘管水垢清除情况Fig.5 Scale removal of heat exchanger coil after whole process cleaning

6 结论

闭式冷却塔具有节水、节能、运行维护简单等众多优点，在石油炼化领域得到了广泛的应用。但由于闭式冷却塔的蒸发速度较快，水质浓缩较快，喷淋循环水系统结垢风险较大。一旦出现结垢，处理不及时极易造成结垢进一步恶化，严重时影响生产装置的正常运行。本文通过试验验证了闭式冷却塔硫酸钙垢的清洗去除方法，通过“碱性置换—酸性溶解”的方法，配合高压射流水清洗除垢，可以快速高效地清除闭式冷却塔换热盘管上较难清除的水垢，且碳钢腐蚀率仅为0.012 5 g/(m2·h)，符合国家标准相关要求。本清洗除垢方案作为一种被动的处理方法，可以解决已经出现结垢的问题，要从根本上解决闭式冷却塔喷淋循环水系统结垢问题，还需要从水质运行管理着手，进行有效的水质稳定处理，尽可能缓解或者避免喷淋循环水系统出现结垢的问题。