防治换热器污垢的产生，降低经济损失

点击：2016 日期：[ 2014-04-26 22:00:19 ]

防治换热器污垢的产生，降低经济损失杨丽云（新乡学院化学与化工学院，河南新乡453003）摘要：本文通过分析换热器污垢对工业生产造成的经济损失，介绍防止污垢产生及其清理方法，使人们充分认识到防垢、治垢的重要性，在实际工作中采取有效措施，最大程度的防止污垢的产生或及时清理污垢，以达到节约能源、降低生产成本之目的。关键词：换热器污垢；污垢的防治；经济损失换热器是石油、化工、制冷、冶金、动力、核能、航天等行业中最常见的设备，其应用是非常广泛。换热器的高效可靠运行直接影响这些行业的经济效益。在工业生产中，由于换热器污垢的影响，使其传热效率降低，严重的还会引起传热面污垢下腐蚀、穿孔、泄漏，设备安全可靠性下降，造成巨大的经济损失。 1 污垢的形成机理换热器污垢的形成是一个非常复杂的物理、化学过程，它是动量、能量、质量传递以及生物活动的综合效应。影响污垢沉积的因素非常多，如流体的性质、壁温、流体与壁面的温度梯度、壁面材料、表面粗糙度、流体的流速、湍流强度、流体与壁面的剪切力、污秽物质粒子的形状、状态、浓度、粒径分布等诸多因素，这给污垢的理论研究带来了非常大的难度，虽然许多学者进行了这方面的研究，如：Epstein [1]曾以矩阵形式对污垢形成过程的理论分析和实验研究作了形象的概括，指出了发展趋势；徐志明等[2]基于污垢形成的随机性，在给定风险水平下，针对污垢形成过程中污垢热阻达到临界可接受水平的试剂所遵循的分布规律，利用概率方法推导给出了考虑初始污垢热阻影响的污垢模型，使其可以更切实际地用来指导换热器的设计和运行。但是到目前为止，污垢形成的机理仍不是十分清楚。一般污垢的形成要经历五个阶段：起始(也叫诱导期)、输运、附着、剥蚀、老化[3]，污垢形成的五个阶段中只要有一个环节遭受破坏，污垢就难以形成。传热面上污垢沉积的过程可以分为六大类：即颗粒污垢、结晶污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢和凝固污垢，实际运行中可能是几种过程先后起作用或共同起作用。 2 换热器污垢给工业生产造成的经济损失换热面上污垢的形成，使换热器的传热效率严重下降，运行费用大幅度上升，给工业生产造成巨大的经济损失。美国Exxon [4]化工公司对传热设备的传热效率进行了测试研究，考虑到传热面上的污垢必须使传热面积增大一倍以上才能达到换热要求，而且由于污垢的存在，换热设备的运行效率非常低。 Steinhagen(1993) [5] 等人对新西兰1 100家企业的3 000台各种类型换热器的通信调查表明：90%以上的换热器都存在不同程度的效率低、污垢沉积问题。我国机械部兰州石油机械研究所有专题报告 [6]：污垢使我国换热器的运行效率下降的平均幅度为50%。南京炼油厂也报道 [7]：检修期间用高压水对常减压、催化裂化和铂重整三套装置的6台换热器进行冲洗之前，对水垢进行了测量，水垢平均厚度为2.16mm，根据传热方程式计算换热器运行效率平均下降51%。根据Garret-Price等 [8] 研究评估：1984年美国由于换热器污垢而引起的经济损失达80~100亿美元，全世界炼油厂每年因污垢而造成的经济损失达 44亿美元;英国Thackery [9] 估算：1977年英国国民经济因污垢而增加的费用约占当年工业生产总值的0.3%。徐志明等(2005) [10]从冗余面积、损失产品和维护三个方面对电厂凝汽器污垢造成的经济损失进行了评估。通过对长山电厂和华能大连电厂机组凝汽器实测数据的分析，结果表明仅2000年污垢损失费用三项之和给我国造成的经济损失约为28.1 亿元（不计污垢造成的发电减少或停机带来的损失）。徐志明等(2004) [11] 按冗余面积、附加燃料、附加维护三个方面对电厂锅炉污垢造成的经济损失进行了评估，以华能大连电厂350MW机组锅炉的现场实测数据为依据，按2000年我国火力电机组装机容量推算我国锅炉污垢导致的经济损失为 100.08亿，约占当年GDP的0.11%。俞秀民等 [12] 对我国1998年的冷冻空调系统中的冷凝器进行了评估。结果表明：冷凝器因水垢使传热效率平均下降40%左右，为了达到同样的传热效率，设计时冷凝器的实际传热面积要加大67%左右，由此造成的设备费损失每年达6亿元左右，运行水费损失每年达19.38亿元，多付出的运行电费达10.80亿元，由于水垢引起的总经济损失每年达到36亿元以上。换热器由于换热管堵塞、腐蚀穿孔、泄漏失效等安全可靠性故障造成的经济损失也是非常严重的。据调查，我国一般规模的石化炼油厂每年因为换热管堵塞、腐蚀穿孔、泄漏等安全可靠性故障需要更换的传热设备多达100台以上，一台换热器的造价一般约20~30万元，由此造成的换热器重复投资每年的经济损失高达2000~3000万元，全国大约有30家左右的炼油厂，每年由于污垢导致的换热器可靠性故障造成的经济损失就有2~3个亿左右。因换热管穿孔泄露导致燃烧爆炸的事故也常有发生。 3 防止和清除污垢的方法由以上分析可知，换热器污垢所造成的能源浪费和经济损失是巨大的。目前，世界能源短缺，我国能源问题已成为制约经济发展和实现经济发展战略目标的重大因素。我国国民经济和社会发展第十一个五年规划，既从产出方面提出了目标要求，同时也从投入的角度提出单位GDP能耗要比“十五”期末降低20%的约束性非常强的指标。节能问题在科学和技术上主要归结为传热、传质过程的强化和控制以及能量利用系统的优化，其中提高换热器的传热效率是很重要的一个方面。而传热面上的污垢可能会使许多强化传热的措施的努力都归于零，得不到什么结果[ 13] 。为此，必须尽可能减少污垢对换热器传热效果的影响，防止污垢的形成或及时清除传热面上的污垢。由于换热器传热面上污垢的生成是一个非常复杂的过程，所以要预防传热面上的污垢，应根据换热器的不同运行阶段采取相应措施。 3.1设计阶段，防止污垢形成换热器是根据工艺条件设计出来的。由于污垢的存在，会使传热热阻增加，换热效率显著下降，流体流动阻力增加，所以换热器在设计阶段，就应采取行之有效的方法来防止污垢的生成，尽可能减少污垢对传热设备传热的消极影响。采取的措施有： 3.1.1适当选择换热器的运行参数运行参数特别是温度和流速对污垢的生成影响很大，如某些盐垢和化学反应污垢的生成速率，主要取决于温度，在满足工艺条件的前提下，可以通过降低传热面的温度来减少污垢的生成。高流速有助于减少任何形式的污垢，在操作条件满足的前提条件下，可通过增加换热管中的流速来增大流体的湍流强度和壁面的剪切力，从而降低污垢的生成速率，但是流速高，泵的功耗也随之增加，所以，设计时，在阻力允许的范围内，尽可能取较大的流速防止结垢的发生； 3.1.2充分考虑强化传热技术，合理选择换热器的型式在换热器选型时，要注意两个问题：（1）尽量减轻污垢的影响，如选用新型换热器提高流体的湍流程度或流速，减轻污垢的形成来强化传热，螺旋管换热器适合处理高浓度悬浮粒子流；（2）要易于清洗，如板式换热器易于清洗污垢而适合食品加工，管壳式换热器壳程清洗更困难，易结垢的介质适合走管程等。同时应注意选用新型换热器，如：Muller-Steinhagen等 [14] 利用离子注入来提高换热面的防垢能力、Klaren和Sullivan [15] 开发列为流态化自清洗换热器、程琳等 [16] 研制了利用流体诱导振动防垢的新型弹性管束换热器； 3.1.3合理选择设备材料换热设备材料的选择首先应该考虑满足强度、耐腐蚀等工艺要求，同时还应该注意有的材料本身具有较好的防垢功能。有报告称污垢的形成与材料的表面能或表面铺展系数有关，如Rankin和 Adamson、Baier等许多学者报告说低表面能的聚四氟乙烯（PTEE）或硅酮涂层表面可以延缓污垢的形成，且易于清洗 [17] 。 3.2运行阶段，抑制污垢的形成换热设备运行过程中采取适当的措施，可以抑制污垢的生成，如： 3.2.1化学法在介质中加入阻垢剂、控制溶液的PH值等。阻垢剂虽然能解决或缓解换热器的污垢，但要考虑阻垢剂对产品的污染问题，使阻垢剂对产品的污染程度小到可以接受才行。 3.2.2物理法利用磁处理技术、静电处理技术、电子处理技术、脉冲电厂处理技术和超声阻垢技术处理介质，为了达到强化和稳定的处理效果，也可以将几种方法联合使用。 3.2.3采用具有阻止污垢形成功能的强化传热管由于换热器的污垢主要发生在传热壁面，而传热设备的传热热阻也主要发生在近壁处的层流底层，所以把换热器的防垢技术和强化边界层传热的强化传热技术有机地结合起来，在抑制传热面污垢生成的同时，还可以提高传热效率，常用的强化传热管有表面多孔管、各种轧槽管和各种管内涡流发生器强化传热管等。表面多孔强化管主要适用于相变池沸腾传热，其强化传热的原理是可增加沸腾壁面起泡点的数目，从而使强化效果达普通光管的十倍。郑康民[ 18] 以氯化钠和碳酸钙溶液为工质进行了实验研究，发现表面多孔管在沸腾状态下具有较强的抗垢能力，这是因为:流体在孔隙间具有较高的循环速度，减少了污垢积聚的机率；多孔管表面沸腾传热系数较高，壁温非常接近沸腾液体主体温度，一些逆溶解性盐在多孔表面的过饱和度比在光滑管表面低，但是对于一些非盐性的软垢，多孔强化传热管的抗垢能力还是非常有限的。轧槽管如螺旋槽纹管、横纹管、翅片管、螺纹管、纵槽管、波纹管、缩放管等都属于高效强化传热元件。它们的强化传热机理一方面是传热面积的显著增大，另一方面是流体流经异型传热面时，会引起附加涡流，造成边界层分离并减薄边界层厚度，从而强化了传热，抗污垢性能明显优于光管。涡流发生器强化传热管是在管内插入各种可使流体旋转的插入物，使流体产生旋转的强化传热装置。如静态混合器、螺旋扭带、错开扭带、螺旋线圈、螺旋叶片、梯形带条、交叉梯形波带、液轮机等，其强化传热的机理是使传热管内流体产生旋转运动，流体的旋转可使贴近壁面的流体速度增加，同时还改变了流体的流动结构，加强了边界层流体的扰动以及边界层流体和主流流体的混合，从而使传热过程得以强化，同时，涡流装置增加了流体的扰动，所以具有一定的抑制污垢形成的能力。 3.3清除污垢的方法尽管换热设备在设计阶段和运行阶段采取了防垢和抑垢对策，但是运行一段时间后，换热设备的传热壁面还是有可能结垢，污垢一旦生成，就会使换热设备的传热效率太大降低，严重的还会发生堵塞或故障。因此，换热设备上有了污垢，就要及时清洗，以恢复换热器的传热性能。常用的污垢清洗技术有化学清洗和物理清洗两大类：按设备是否运行又有在线清洗和停车清洗。化学清洗是针对不同的污垢和壁面材料，选择合适的化学清洗剂来清除污垢，其中，影响较大的因素有：清洗剂的特性、浓度、温度、清洗剂与垢层间的化学反应速率等。使用化学清洗时，要注意清洗剂有可能会污染产品、清洗剂的种类和用量掌握不准会造成设备腐蚀、清洗废液处理不当还会造成环境污染。物理清洗法包括喷水、喷汽、喷砂、喷丸、刮刀和钻头除垢、管子清洗塞、钢丝刷子清洗、在线海绵胶球清洗、在线螺旋线圈、在线旋转扭带等。物理清洗是通过对壁面进行喷射产生冲击力去除污垢，或靠外界强加的剪切力来剥落换热壁面上的污垢。采用停车物理清洗时，必须将设备解体，所需时间较长，费用也较高；在线机械清洗由于能使设备长期处于洁净高效率状态，愈来愈受到人们的重视。不管是化学清洗还是物理清洗，只有对清洗的机理和清洗动力学有深入的理解，明白污垢的形成机理，才能选择较好的清洗办法，使清洗效果最优化，目前这方面还有待深入研究。参考文献 [1]Epstein N.[J].Heat Transfer Engineering，1983， 4（1）：43~56 [2]徐志明，郭淑青，杨善让，等．基于概率分析的污垢模型[J]．工程热物理学报，2003；24（2）： 322-324 [3]杨善让，徐志明，孙灵芳．换热设备的污垢与对策[M]．第2版，北京：科学出版社，2004： [4]Somercalece E F C,Knudsen J G.Fouling of heat transfer equipment. Hemisphere Pub.Co.，1981 [5]Steinhagen R,Steinhagen H M，Maani K. Problems and Costs due to Heat Exchanger Fouling in New Zealand Industry.Heat Transfer Engineering, 1993，14(1):19-30 [6]杨秀悼．管壳式换热器的高压水冲洗[J]．化工炼油机械，1983；(3)：35

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