2017, Vol. 33
2. 上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093
2. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
污垢广泛存在于工业生产的诸多过程中, 严重妨碍换热设备的正常运行, 降低传热效率, 增大流动阻力, 造成能源的浪费和环境的污染.全世界炼油厂每年因结垢而造成的经济损失达44亿美元[1-2], 我国平均每1 mm厚水垢要多消耗能源7% ~9%, 换热效率降低10%~20%.因此, 对换热设备除垢的研究日益受到人们的重视[3-4].
换热设备的除垢根据原理可分为物理法除垢和化学法除垢[5-7].目前的物理除垢技术并不能较好地去除换热面的污垢, 特别是对于水垢和锈垢.相比物理除垢, 化学清洗技术除垢率更高.随着新型清洗剂的不断研发, 化学清洗除垢技术也在不断提高.化学清洗是通过采用除垢剂、酸、碱、酶、螯合剂将污垢从换热面上剥离、溶解、转化和分散到清洗溶剂中以达到除垢的目的, 其技术核心是清洗剂.目前用于除垢的清洗剂包括有机酸和无机酸, 有机酸多为弱酸, 对换热设备的腐蚀率较低.采用有机酸清洗换热设备是未来化学清洗除垢发展的方向[8-9].本文以有机酸清洗剂为研究对象, 通过静态除垢实验和动态除垢实验考察有机酸清洗剂的除垢性能以及应用效果.
1 材料和方法 1.1 实验材料实验选择A、B、C三种清洗剂作为研究对象, 去除换热设备中常见的碳酸钙和金属氧化物等污垢.清洗剂是由有机酸、表面活性剂和缓蚀剂按一定配比复合而成.以上三种清洗剂分别与水混合形成具有除垢功能的清洗液, 其中:清洗剂A、B均为固体颗粒, 按质量浓度计量; 清洗剂C为浓缩液体, 按清洗剂与水的体积比计量.
1.2 实验方法 1.2.1 清洗剂筛选和工艺优化取一段内壁结垢的金属管道, 制作清洗试片, 对其进行表面去油和防腐蚀处理, 称重备用.将三种清洗剂按不同浓度配制成清洗液.清洗试片放入清洗液中浸泡1 h, 间隔10 min取出, 经清水冲洗, 无水乙醇浸泡2~3 min, 放入干燥箱中20 min, 取出称重, 按重量法计算除垢率.按上述实验得出的有效清洗浓度配制清洗液, 进行腐蚀率测试, 得出三种清洗剂在有效清洗浓度下对碳钢和不锈钢的腐蚀率.通过上述实验方法, 考察清洗温度对除垢率和腐蚀率的影响, 优化清洗工艺参数.
1.2.2 动态除垢实验为考察除垢效果, 建立了动态除垢实验装置.应用上述实验选定的清洗剂以及清洗工艺进行动态除垢, 并测定除垢前、后换热器的传热性能.动态除垢实验流程如图 1所示.
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图 1 动态除垢实验流程图 Fig.1 Dynamic cleaning procedure |
该实验系统主要由除垢试件、热水循环泵、冷却水循环泵、流量计、热水箱、冷却水箱、铂电阻以及管道阀门等组成.除垢试件壳程为热水, 管程为冷却水, 水流方向如图 1中箭头所示.除垢试件为结垢的螺旋槽管管壳式换热器, 试件壳体材料为普通碳钢, 规格为ϕ108 mm×8 mm; 芯体内部共有19根换热管, 规格均为ϕ14 mm×1 mm, 其中中间8根为通水部分, 周边11根为不通水换热管, 换热管传热部分长度为1 204 mm.除垢试件换热管内壁结垢, 污垢主要成分为碳酸钙, 实验主要清洗部分为换热管内壁污垢.
2 结果与讨论 2.1 清洗剂浓度三种清洗剂在温度为20 ℃、清洗时间为1 h时的除垢率分别如表 1、2所示.
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表 1 不同质量浓度的清洗剂A、B的除垢率 Table 1 Effect of cleaning agent concentration of cleaning agents A, B on the cleaning rate |
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表 2 清洗剂C在不同体积比时的除垢率 Table 2 Effect of cleaning agent C volumn fraction on the cleaning rate |
由表 1、2中可知:清洗剂A(20 g·L-1)、清洗剂B(40 g·L-1)、清洗剂C(1:20)在清洗1 h后除垢率分别为94.9%、94.8%、97.5%, 除垢率均高于90%, 故清洗剂A、B、C的有效清洗浓度分别为20 g·L-1、40 g·L-1、1:20.按有效清洗浓度分别配制三种清洗液, 考察三种清洗剂在20 ℃、浸泡2 h后对碳钢和不锈钢的腐蚀率, 结果如图 2所示.由图 2中可知, 清洗剂C对碳钢和不锈钢腐蚀率远低于A、B两种清洗剂.
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图 2 腐蚀率对比 Fig.2 Comparison of the corrosion rate |
由上述实验结果得出:清洗剂C在有效清洗浓度下比清洗剂A、清洗剂B对金属的腐蚀性更低.考虑到对设备的保护, 选用该清洗剂进行清洗.考察清洗剂C在体积比为1:20, 清洗温度分别为20、40、60 ℃时的除垢效果和腐蚀率, 实验结果如图 3所示.从图 3中可以看出, 清洗温度分别为20、40、60 ℃时, 1 h内除垢率均能达到95%以上; 当温度为60℃时, 清洗30 min后除垢率即达到90%以上, 清洗时间缩短了一半.
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图 3 清洗温度对除垢率的影响 Fig.3 Effect of cleaning temperature on the cleaning rate |
清洗剂的缓蚀效果也是化学清洗需要考察的重要因素.清洗剂C在体积比为1:20, 清洗时间为2 h, 温度分别为20、40、60 ℃时的腐蚀率如图 4所示.
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图 4 清洗温度对腐蚀率的影响 Fig.4 Effect of cleaning temperature on the corrosion rate |
由图 4中可以看出, 腐蚀率随清洗温度升高而增大, 在清洗温度为60 ℃时, 清洗剂对碳钢和不锈钢的腐蚀率明显变高.其原因可能是60 ℃时, 清洗剂中缓蚀成分失效, 不能满足缓蚀要求.因此, 温度升高虽然缩短了清洗时间, 但同时清洗剂对金属的腐蚀率也相应增大.
2.3 实际清洗效果评价由上述实验结果可知, 清洗剂C在体积比为1:20、清洗温度为20~40 ℃时, 除垢率和腐蚀率变化不大, 清洗1 h后除垢率都达到95%以上, 对碳钢和不锈钢的腐蚀率远低于《工业设备化学清洗质量标准》[10]规定的6、2 g·m-2·h-1.机械作用(流量、流速、湍流)对化学清洗速率有一定影响, 但影响极低[11-12].针对清洗剂C及其由上述实验确定的工艺参数, 按图 1中的实验系统对清洗试件进行了循环清洗.除垢前、后系统运行工况如表 3所示.
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表 3 实验工况 Table 3 Experimental conditions |
在上述实验工况下, 除垢前、后清洗试件传热系数变化如图 5所示.由图中可见, 与除垢前相比, 除垢后清洗试件管程流速分别为0.5、0.7、0.9、1.1 m·s-1时传热系数分别增加6.01%、6.98%、6.93%和9.04%.
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图 5 除垢前后传热系数对比 Fig.5 Comparison of heat transfer coefficients before and after cleaning |
实验结果表明, 结垢状态下, 当管程流速为0.9、1.1 m·s-1时传热系数变化不大.换言之, 通过增大冷却水流量提高传热量, 不仅消耗更多的泵功率, 增加生产成本, 而且实际效果并不明显.
3 结论本文以有机酸清洗剂为研究对象, 通过静态除垢实验和腐蚀率测试筛选出性能较好的清洗剂并优化其清洗工艺.建立动态除垢实验装置, 进行实际应用效果研究.研究结果表明:
(1) 清洗剂C与水的体积比为1:20、清洗温度为20~40 ℃时, 除垢率达97%, 碳钢腐蚀率低于6 g·m-2·h-1, 不锈钢腐蚀率低于2 g·m-2·h-1, 满足化学清洗要求.
(2) 动态除垢实验结果表明, 有机酸化学清洗效果较好, 除垢后试件在本文实验工况下传热系数提高6%~9%.
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