换热器是一种结构紧凑、高效的换热设备, 被广泛应用于冶金、石油、制药、船舶、纺织化工、医药、食品等行业, 是实现加热、冷却、热回收、快速灭菌等用途的优良设备。但是, 由于换热器长期运行, 用来冷却或加热侧纯净程度的不同以及工艺介质本身性质的差异导致换热器结垢已成必然, 同时因换热器本身结构特点及规格型号的不同, 导致结垢程度也不一样, 结垢后使内部通道截面变小甚至堵塞, 造成换热器换热效率降低, 从而影响生产的正常进行和设备的安全。

　　在结垢严重、成分复杂的情况下, 一般普通的物理方法不易清洗, 且拆洗过程费时费力, 本文针对换热器着重研究了化学清洗的工艺, 此工艺简单, 费用相对物理清洗可能较高, 但省时省力, 处理效果相对较好, 应用很多。

换热器结垢分析及清洗

结垢原因

　　结垢原因主要有3种情况: 1 )因为常用换热器大多是以水为载热体的换热系统, 由于某些盐类在温度升高及浓度较高时从水中析出, 附着于换热管表面, 形成水垢, 随着使用时间及频率的增加积垢层逐渐变厚、变硬, 紧紧地附着于换热管表面上; 2)如同水垢一样, 换热器的另一侧流体由于物质本身的性质可能出现非水垢类固体析出物, 长期不处理会越来越多积累在换热管面; 3)当流体所含的机械杂质有机物较多而流体的流速又较小时, 部分机械杂质或有机物也会在换热器内沉积, 形成疏松、多孔或胶状污垢。

结垢种类

　　对于常用的换热器而言。根据结垢机理,一般将结垢分为以下几类:

• 类析晶结垢: 如水冷却系统, 由于水中过饱和的钙、镁盐类由于温度、pH 等变化而从水中结晶沉积在换热器表面, 而形成了水垢;
• 粒结垢: 流体中悬浮的同体颗粒在换热面上的积聚;
• 化学反应结垢: 由于化学反应而造成的同体沉积;
• 腐蚀结垢: 换热介质腐蚀换热面, 产生腐蚀产物沉积于受热面上而形成污垢;
• 生物结垢: 对于常用的冷却水系统来讲, 工业水巾往往含有微生物及其所需的营养, 这些微生物群体繁殖, 其群体及其排泄物同泥浆等在换热表面形成生物垢;
• 凝同结垢: 在过冷的换热面上, 纯液体或多组分溶液的高溶解组分凝同沉积。以上的分类只是表明某个过程对形成该类污垢是一个主要过程。结垢往往是多种过程的共同作用结果, 因此换热面上的实际污垢, 常常是多种污垢混合在一起的。

影响结垢因素

　　影响结垢的因素有很多, 如流体速度、流体流动状态、流体组分的组成和含量以及换热器的结构等都对污垢的形成有一定的影响, 从应用角度考虑, 我们只有找出主要因素才能使结垢问题得到有效解决。对于某一流体而言, 影响换热器结垢的主要因素有以下几个方面:

• 流体的流动速度: 在换热器中, 流速对污垢的影响应该同时考虑其对污垢沉积和污垢剥蚀的影响, 对于各类污垢, 由于流速增大引起剥蚀率的增大较污垢沉积的速率更为显著, 所以污垢增长率随着流速的增大而减小。但是在换热器的实际运行中,流速的增加将增大能耗, 所以, 流速也不是越高越好, 应就能耗和污垢两个方面来综合考虑。
• 传热壁面的温度: 温度对于化学反应结垢和盐类析晶结垢有着重要的作用, 流体温度的增加一般会导致化学反应速度和结晶速度的增大,从而对污垢的沉积量产生影响, 导致污垢增长率升高。
• 换热面材料和表面质量: 对于常用的碳钢、不锈钢而言, 腐蚀产物的沉积会影响结垢; 而如果采用耐蚀性能良好的石墨或陶瓷等非金属材料, 则不易发生结垢。换热面材料的表面质量会影响污垢的形成和沉积, 表面粗糙度越大, 越有利于污垢的形成和沉积。

一般换热器清洗的部位

　　因为换热器大多是以水或蒸汽为载热体的换热系统, 故在清洗时划分为水(蒸汽)侧及介质侧, 最为普遍常见的换热器是列管式换热器, 主要清洗其管程或壳程。

结垢不清洗的危害及影响

　　结垢使设备热交换效率大幅下降, 能源消耗大幅增加, 生产成本上升热交换设备中结生的污垢, 随着化学成分的不同, 其导热系数也有较大的差异。由于污垢的导热系数极小, 结垢会严重影响热交换设备的传热性能, 使生产能源消耗量大幅度上升。国内外大量热工试验结果表明, 设备传热表面积结1mm 厚水垢, 热交换设备就会多消耗8% ~10%的能源。也就是说, 1mm厚的水垢, 可以使燃煤锅炉多烧10% 的煤炭, 从而导致工业产品生产成本费用大幅度上升。

　　结垢使换热设备热传导工况恶化, 传热面超温过热, 引发鼓疱、裂纹、爆管等安全事故由于污垢的传热能力级差, 设备传热面结垢后,高温侧的温度不能被快速传导到低温介质中, 使传热面金属壁温持续上升并达到蠕变温度。在设备带压运行的状态下, 过热管壁因耐压强度大幅下降而出现鼓疱、裂纹、泄漏甚至爆管的运行安全事故。根据国内部分省市技术监督部门的统计, 锅炉事故中因结垢和水质引起的事故占到了60%以上。

　　结垢会引发垢下腐蚀损伤, 造成设备穿孔泄漏, 缩短设备使用寿命热交换设备传热面结生的水垢, 其密度、厚度和化学组成通常呈不均匀状态, 这种不均匀的污垢覆盖, 造成了金属表面电化学不均匀性, 很容易引发电化学腐蚀反应。腐蚀的结果是局部金属被损伤减薄, 腐蚀可以达到穿透设备钢板, 使设备泄漏、破损甚至达到失效的程度, 从而使设备维修费用增加。腐蚀严重时, 会使设备提前报废。

　　结垢会使生产工艺不稳, 影响产品品质, 引发质量事故。热交换设备结垢后, 由于传热效率下降, 会导致设备的加热或冷却工况恶化, 进而影响到生产工艺过程, 仪表指示失灵, 温度压力指标偏离工艺设计要求, 设备运行参数发生改变, 生产工艺不稳, 最终使产品的产量和质量下降, 次品率增加。严重时还可能中断生产, 造成计划外停产。　

清洗方法

　　根据清洗方法的不同, 主要清洗方法为物理清洗和化学清洗。利用力学、声学、光学, 电学、热学的原理, 依靠外来能量的作用, 如机械摩擦, 超声波、负压、高压冲击, 紫外线, 蒸汽等去除物体表面污垢的方法叫物理清洗; 依靠化学反应的作用, 利用化学药品或其它溶剂清除物体表面污垢的方法叫化学清洗。如用各种无机或有机酸去除物体表面的锈迹、水垢, 用氧化剂去除物体表面的色斑, 用杀菌剂、消毒剂杀灭微生物并去除霉斑等。物理清洗和化学清洗都存在着各自的优缺点, 又具有很好的互补性。在实际应用过程中, 通常都是把两者结合起来使用,以获得更好的清洗效果。

清洗剂的选择

　　工业清洗剂的选用原则为: ( 1) 良好的去污能力; ( 2)对清洗对象无不良影响; ( 3)质量稳定; ( 4)价格低廉。
　　国内外工业清洗剂品种繁多, 但没有万能型的清洗剂, 一般均为专用型, 应针对清洗对象的材质、清洗要求的不同, 污垢的不同等, 最好应作工艺试验, 才能选用。但在选用时应综合考虑并研究分析以下几点:

• 清洗剂的主要成分;
• 清洗剂各项物理性能;
• 清洗剂的主要特征及注意事项;
• 清洗剂的适用范围(主要用途, 污垢对象等) ;
• 清洗剂的清洗条件, 方法与实施可能性; ( 6) 排液与废液处理方法;
• 清洗剂的成本;
• 有关清洗的法规等。

换热器清洗的药剂选择

　　清洗换热器时首先确定好清洗部位, 确定好换热器材料, 取样分析后, 根据换热器材质及结垢程度选择试剂, 对于碳钢材质以碳酸盐垢及铁锈为主时,一般选择盐酸做主酸洗液效果较好, 出于安全考虑也可选择有机酸氨基磺酸做为主洗酸剂; 对于不锈钢来说一般选择硝酸为最佳清洗酸剂, 同样出于安全角度考虑式根据实际情况也可选择酸性温和的氨基磺酸作为主洗酸剂。在一些特殊情况下, 主要是指清洗材料可能存在缺陷或者比较薄或者其他的特殊情况时, 就要慎重考虑, 比如清洗铜材料换热器时候, 一定要注意是哪种铜材质。黄铜尤其要注意, 黄铜主要成分为铜, 其次锌的含量相当高, 为了防止∀ 脱锌#现象发生, 对酸洗液选择尽可能浓度较低, 一般缓蚀剂同时保护铜、锌两种金属效果较差。故在操作过程中采取温和清洗方式, 即低浓度、短时间、小流速, 常温清洗比较好。一般缓蚀剂选择Lan -826即可, 对于其他助剂, 如表面活性剂、黏泥剥离剂、发泡剂等可根据清洗剂选择原则结合具体情况选择, 此处不再叙述。

清洗前准备工作

• 了解换热器的结构规格。材质、容积、性能、介质、工艺条件、使用情况和清洗范围等, 查看设备有无变形、堵塞、泄漏等异常情况。
• 掌握设备的结垢腐蚀程度。采集垢样并进行垢样化学成份的全分析和溶垢试验。
• 查看公用工程条件状况, 具体: 水、电、蒸汽、氮气等规格及数量能否满足清洗需要, 接点位置及距离泵站距离。
• 废液的处理要求及排放地点。
• 清洗现场有无交叉作业, 地面状况、照明情况, 清洗泵站和清洗原料的具体位置摆放。
• 根据具体清洗现场状况确定清洗过程中是否需要特殊工具仪器。
• 根据分析和实验结果。选择合适的化学清洗工艺条件。
• 进行清洗系统的设计。根据具体情况, 把被清洗部分与其它部位隔开; 寻找合适的清洗荆进出口和排污口设计临时的连接管线和监测管线。
• 根据所确定的清洗工艺和系统设计, 进行备料。包括清洗设备和材料、化学药品、分析监测仪器和操作工具及安全防护用品等。

清洗准备

　　因为换热器大多是以水或蒸汽作为载热体的换热系统, 故在清洗时分为水(蒸汽)侧及介质侧,最为普遍常见的是列管式换热器, 主要清洗其管程或壳程。以下以某厂换热器清洗为例说明清洗过程。

　　对换热器垢样样品进行实验，根据化验结果进行换热器壳程清洗, 药剂选择根据实际设备及结合文中药剂选用原则选择药剂,设备为碳钢, 使用4年以来未曾清洗过, 且换热器相连外部碳钢材料表明腐蚀严重, 故从安全考虑, 主酸洗剂选择氨基磺酸, 其他助剂详见以下清洗过程中清洗工艺。

清洗系统的建立

　　本系统采用充满循环方式清洗, 加料清洗时, 清洗液从泵站出来进入换热器壳程后出来返回至泵站, 水冲洗时切换进出口反冲洗, 换热器清洗流程详见图1所示。

　　清洗范围: 换热器壳程(水- 蒸汽侧) ; 设备材质: 换热器壳程碳钢, 管程不锈钢; 工艺条件: 壳程走冷却水及加热蒸汽, 设备壳程水总容积1m3; 设备结垢: 以无机盐垢、生物泥、铁锈为主; 设备问题: 设备使用4年无堵塞泄漏现象, 无重大障碍检修记录; 清洗现场: 现场药剂及操作设备存放布置方便, 无交叉作业, 可方便清洗; 安全要求: 严格遵守厂方安全管理制度, 严格清洗操作规范; 废水处理: 甲方具备污水处理系统, 故协商由甲方处理清洗废液。

化学清洗步骤及监控检测分析

　　根据检测结果及结合现场实际结垢程度, 尽可能保证安全且能够达到清洗干净的目的, 采用以氨基磺酸为主, 另适当添加表面活性剂、黏泥剥离剂、发泡剂等药剂, 配置清洗液。

　　清洗操作程序为: 水冲洗- 酸洗、水冲洗-漂洗、钝化-水冲洗、检查清洗结果。

水冲洗

　　目的: 酸洗前的水冲洗是为了掀去系统中的泥沙和疏松的水垢等杂物。并且进行试压检漏。操作: 先以高位注满, 同时调节系统压力, 达到水压试漏的目的后, 从低位排放。冲洗速度不低于1