一种用于不锈钢管式换热器清洗的复合清洗剂的研制

2023-07-04马松杰

云南化工 2023年6期

马松杰

（广西柳钢环保股份有限公司，广西柳州 545002）

蒸发式空冷器是将管式换热器置于冷却塔内，通过流通空气、喷淋水与循环水的热交换以达到降温的效果。柳州钢铁股份有限公司某厂的蒸发式空冷器于2012年建成投产，至今已有十个年头，期间未进行化学清洗，同时也未向喷淋冷却水中投加任何阻垢剂，因此造成了设备运行工况的不断恶化。同时，该类蒸发式空冷器所处的生产环境含有大量的矿物质粉尘，粉尘中携带有氧化硅以及铝、铁、钠的化合物。当这些成分复杂的粉尘进入喷淋冷却水系统后，在适合的pH值、温度、压力等条件下形成了硅酸盐水垢。它的特点是化学结构复杂，含有45%左右的二氧化硅，30%左右的铝（含铁）的氧化物及10%～20%的钠化合物，而钙、镁化合物的总量一般不超过10%。同时，由于循环水系统有油脂进入，因此这种垢类往往有大量的黏泥附着在上面。这种水垢的化学成分和结构与某些天然矿物，如锥辉石、方沸石和钠沸石等相似，是一种多孔、坚硬且致密的水垢，牢固地附着在管式换热器的表面。在7＃蒸发式空冷器内部换热管壁上进行取样，并进行检测，其成分如表1所示。

表1 垢样成分分析

由于循环水系统工艺设计的缺陷，造成了喷淋冷却水给水压力不足，末端的冷却水量小，且喷淋管上设计的喷头过少，造成热交换不满足要求，在换热管壁大量的二次蒸发，极易形成水垢。同时，由于车间经常性的关停喷淋水循环泵、生产环境矿物粉尘大量进入水系统、喷淋冷却水系统排污量过小、喷淋水管上喷头堵塞等原因，导致冷却效果差，这也是系统容易结垢的主要原因。

1 换热器工艺清洗

蒸发式空冷器管式换热器的清洗工艺有两种方式：一种是不停车清洗。清洗方法是在喷淋冷却水系统中直接投加清洗剂进行循环清洗。该方法对于结垢致密、成分复杂的垢样作用不大，不能从根本上解决设备换热效率的问题。同时，在线清洗循环量大，成本高，对企业降本增效非常不利。另一种清洗方法是采用化学清洗剂溶解垢物加高压水射流的方法。喷淋清洗是一种循环清洗技术，在清洗过程中首先利用高压水射流冲洗掉能机械剥离的部分，然后将化学清洗剂投加到蒸发式空冷器的集水盘中，开启循环泵，将清洗剂均匀喷洒到换热管的表面，借助清洗液的重力流回到集水盘，使清洗液与换热设备表面的污垢进行充分的接触，并发生化学反应，达到清洗设备的目的。流回到蒸发式空冷器集水盘的清洗液通过循环泵的作用，再次进入循环系统。如此反复循环清洗，直至最后完成化学清洗。

2 清洗剂的选择

因垢样成分的特殊性和换热器材质的特点，清洗施工最主要的是从清洗剂的选择及控制条件入手。目前常用的清洗剂有盐酸、硝酸、硫酸、柠檬酸、氢氟酸、EDTA和氨基磺酸等。盐酸对于一般的碳酸盐垢具有清洗速度快、清洗效果好、价格低廉等优点，但对不锈钢材质的换热器会产生晶间腐蚀，因此不适用于不锈钢的清洗。柠檬酸、氢氟酸和EDTA的酸性比较弱，清洗的效果比较差。硫酸在钙离子含量高的情况下则容易生成微溶的硫酸钙，易形成二次水垢。硝酸价格高、易挥发、易分解成氮氧化合物，存在强氧化性、经济性差、使用安全系数低、不环保等弊端，因此也不适合。

该换热管是不锈钢材质，管壁厚度为1mm。从7＃换热器取下的垢样在做成分分析的同时也做了溶垢试验。因为该垢样成分复杂，各种盐垢并存，特别是存在成分异常复杂的硅酸盐垢，使用常规的清洗剂经多次溶垢试验均未达到理想效果。因此本文将研究一种适用于成分复杂且含有大量硅酸盐垢的不锈钢换热器清洗用的复合清洗剂。

3 复合清洗剂的研究

3.1 复合清洗剂配方的确定

经过多次溶垢试验和对清洗剂性能特点的分析，确定了以氨基磺酸和HEDP为主要成分的复合清洗剂。氨基磺酸是一种无色无臭的粉末状药剂，溶于水后具有与硫酸同等的强酸性，其别名又叫固体硫酸，具有不挥发、无臭味、易投加和对人体毒性小的特点。氨基磺酸与多种金属化合物都能生成可溶性盐类，具有在水中溶解度高、不析出沉淀、对金属腐蚀小的特点。与碳酸盐垢反应方程式为：

HEDP是一种多元膦酸，在水中能解离成H+和酸根负离子，能跟许多金属离子通过螯合作用形成稳定的络合物，能溶解复杂垢样成分中的氧化物，是一种良好的阻垢剂，同时也是一种高效的清洗剂。HEDP络合物稳定常数见表2。

表2 HEDP络合物稳定常数

HEDP解离生成的H+能保证清洗液的酸度，增加清洗的强度，也能有效清除换热设备表面的油脂、锈迹和混合垢类，尤其对难以清除的硫酸盐垢和复杂的硅酸盐垢，具有较好的清洗作用。

多次的溶垢试验后将复合清洗剂的配方确定如下：氨基磺酸、HEDP、剥离剂、NP-10和LAN-826缓蚀剂。

3.2 复合清洗剂配方试验

对7＃蒸发式空冷器不锈钢换热管壁取下的垢样进行溶垢静态试验。试验过程为：将一定质量的垢样，浸泡在不同的清洗液中，观察垢样溶解速率和效果，记录溶解时间。

按表3中的配方，配制好3种复合清洗剂，然后按照预先设定的清洗pH值，配制成一定浓度的清洗液。常温条件下，将垢样放入清洗液中进行浸泡。观察垢样溶解速率和效果，监测清洗液pH值变化和浊度变化。当清洗液pH值和浊度不再上升或垢样完全溶解时，记录溶垢时间和溶垢量，计算溶垢率。复合清洗剂溶垢试验结果见表4。

表3 复合清洗剂配方

表4 复合清洗剂溶垢试验结果

从表4看出，在4 h内，配方2和配方3的溶垢率和溶垢效果达到清洗的要求，且配方2的氨基磺酸的浓度更低，因此成本更低，是最优的清洗剂配方。

为防止在实际清洗过程中清洗剂对蒸发式空冷器不锈钢管式换热器的腐蚀，在溶垢试验中放入试片进行静态腐蚀试验，试片材质为TP304L，试片表面积为0.0028m2，试验结果见表5。

表5 复合清洗剂静态腐蚀试验

试验结束后，试片表面清洁，三个配方的复合清洗剂在相同缓蚀剂浓度情况下，腐蚀量和腐蚀速率均满足HG／T2387-2007《工业设备化学清洗质量标准》的要求。但随着复合清洗剂主要成分氨基磺酸浓度的升高，腐蚀速率增大。综合溶垢率和腐蚀速率两方面因素，配方2，即氨基磺酸质量分数为10%是最优的选择。

4 复合清洗剂的应用实例

4.1 复合清洗剂应用过程控制

经实验室溶垢试验和静态腐蚀试验后，确定2号配方适用于不锈钢管式换热器。因此，将该配方的复合清洗剂运用到柳州钢铁股份有限公司某厂7＃蒸发式空冷器的清洗。首先，根据蒸发式空冷器清洗施工方案的要求，完成高压水冲洗；然后，连接好循环泵和管路，形成循环回路，向系统内投加2号配方复合清洗剂，控制pH＜2.0，在常温的条件下循环清洗4 h。同时，为了防止在清洗过程中复合清洗剂对蒸发式空冷器不锈钢管式换热器的腐蚀，将2片材质为TP304L的试片，悬挂在蒸发式空冷器集水盘处，并监测清洗过程的腐蚀情况。

在清洗过程中，严格监测pH值和浊度的变化。当pH值升高时，继续加入清洗剂，将pH值控制在2以下，维持循环4～6 h。当系统pH值和浊度在1 h内没有明显变化时，清洗达到终点。向系统内投加氢氧化钠进行中和，当pH值6～9时排放清洗废液。随后向系统内注入工业水，大流量冲洗整个清洗系统。冲洗至出水接近中性且水质清澈后停止冲洗，排净冲洗水，完成化学清洗。同时，剩下未能溶解的垢样变软且松散，利用高压清洗剂可轻松冲掉，从而实现无害化，亦能达到提高换热效果的目的。