表面蒸发式空冷器冷却管束的清洗

余雷张金凤

(河北钢铁股份有限公司邯郸分公司能源中心,河北邯郸 056015)

表面蒸发式空冷器冷却管束的清洗

余雷张金凤

(河北钢铁股份有限公司邯郸分公司能源中心,河北邯郸 056015)

根据表面蒸发式空冷器冷却管束结垢的原因及现场状况,采用化学药剂清洗和高压水射流清洗相结合的方法,有效地消除了管束结垢现象,保障了设备设施安全、稳定运行。

蒸发式空冷器管束结垢化学清洗

1 引言

表面蒸发式空冷器是一种将水冷与空冷、传热与传质的过程融为一体的新型冷凝、冷却降温设备。该设备具有能耗低、节水、占地面积小、安装维护方便、传热效率高等特点，在冶金、电力、制冷等行业有广泛的应用。现邯钢5#高炉(2000m3)外喷淋冷却系统由9台ZP9×3表面蒸发式空冷器组成，主要作用是为冷却高炉炉体的密闭系统内软化水的降温。自设备投运以来，由于空冷器管束外部形成一层厚厚的硬垢，现场观察垢厚约3～5mm，结垢严重的地方，管束与管束之间几乎没有缝隙，严重影响整个空冷器的冷却降温效果，同时垢下腐蚀严重，造成管束破裂漏损，不能确保设备设施的安全稳定运行。

2 管束结垢的原因及危害

表面蒸发式空冷器主要由风机、冷却水管束、填料、喷头、喷淋水管道泵、底部集水槽等组成。管道泵将底部集水槽中的水输送到喷淋水分配器，由分配器(喷头)将冷却水向下喷淋到管束表面，喷淋水从上而下逐层滴落，在管束外表面形成水膜实现与软水的热交换，最后汇集到底部集水槽，从而形成喷淋水的循环利用。空冷器顶部轴流风机抽吸的空气自下而上掠过水膜和管束，实现水膜的蒸发散热、对流换热。因空冷器冷却水补水为河水，运行一段时间后，空冷器铜质管束表面出现结垢、腐蚀现象。

表1 水垢所含物质的含量表

图 1

图2

图3

图4

2.1 垢层形成的原因

表面蒸发式空冷器冷却水系统是开放式的循环系统，随着水份的蒸发、风干，水中溶解的各种盐类(如重碳酸盐、碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐等)的浓度升高，一些盐因过饱和加之温度过高而析出，尤其以重碳酸盐(如Ca(HCO3)2)最不稳定，极易受热分解成碳酸盐类沉积在金属表面，其反应如下：

另外，冷却水通过冷却塔相当于一个曝气过程，溶解在水中的CO2会逸出，因此水的PH值会升高。此时重碳酸盐在碱性条件下发生如下反应：

上述反应过程中生成的CaCO3属微溶性盐，溶解度比Ca(HCO3)2要小得多，同时，CaCO3溶解度是随着温度的升高而降低。因此在空冷器的传热表面上，这些微溶性盐很容易达到过饱和状态而从水中结晶析出。当水流速度较小或传热表面比较粗糙时，这些结晶沉积物就容易沉积在传热管束上，形成水垢。同时现场所使用的空冷器全部为室外安装，环境中的粉尘、灰尘对其影响比较大，由于这些水垢结晶致密而且坚硬，在一定程度上也影响了冷却降温效果。空冷器管束结垢现象如图1、图2所示。

2.2 垢层的危害

(1)水垢沉积在管束表面，使空冷器管束中的软水散热困难，散热能力大大降低，每1mm铜管的传热效果是1mm水垢的50～100倍。空冷器结垢会使管束截面积变小，造成冷却水用量增大，介质不能与外界进行直接有效的热交换，影响高炉供水水温。(2)造成空冷器能耗的增大。在生产过程中，在铜冷却管束外表面形成垢层较厚时，热阻增大。所产生的水垢表面凹凸不平，阻碍喷淋水流形成水膜，减少了喷淋水和软水的换热面积。在水垢比较厚时，则需要多开几台甚至全开风机的情况下，来降低介质水温来满足生产。(3)结垢的部位易发生电化学腐蚀，造成空冷器冷却管束泄漏，被迫将泄漏管束进行封堵，从而缩短了设备使用寿命，对生产造成一定的影响。

3 水垢的清洗

3.1 水垢的取样分析

从现场蒸发式空冷器管束上所取的水垢进行分析，水垢样中的所含物质的含量如表1所示。

通过对所采的水垢样进行分析，水垢由各种化合物组成的混合物，颜色成黑黄色，其中包括灰尘及铁的氧化物等，垢质外酥内硬。

3.2 清洗的方案

3.2.1 清洗药剂的确定

经与清洗单位进行小样动态模拟试验，筛选确定此次清洗的药剂，为复合酸清洗，同时加入LX缓蚀剂、渗透剂、促进剂、抑制剂的混合药剂进行清洗。清洗时抑制剂起到抑制金属本体的腐蚀，渗透剂是对垢层的侵蚀剥离，促进剂增强清洗剂的活性，同时由于Fe3+的浓度超过一定的限度，会加快铜管的腐蚀，因此在清洗液中加入Fe3+抑制剂。

3.2.2 清洗工序的确定

因蒸发式空冷器的冷却水可自成循环系统，因此可利用设备本身的循环系统作为清洗主系统，只需将配制好的清洗药剂投加入空冷器集水槽内，整个清洗系统即可建立。清洗步骤如下：高压水冲洗---杀菌粘泥剥离清洗---缓蚀处理---有机酸清洗除垢---高压水冲洗。

3.2.3 清洗的相关要求

清洗的过程中，在集水槽内放置与管束相同材质(铜)的试片，要求管束的腐蚀率＜2g/(m2.h)，除垢率≥90%。清洗过程中所产生的废水要执行GB8978-1996《污水综合排放标准》的规定，不得污染环境，必须中和酸洗液至PH6-8后进行排放。

3.3 清洗的效果

3.3.1 水垢的去除

经过对空冷器进行化学药剂清洗和高压水流冲洗后，管束上的污垢得以清除，铜管表面光滑，现金属光泽。清洗完后的效果如图3、图4所示。

但在清洗过程中，空冷器管束留有死角，存在清除不彻底现象，希望以后通过增加活动喷头的方式，使得药剂和管束的充分进行接触，来提高除垢率。

3.3.2 冷却效果的改善

清洗前，在系统27台冷却风机(单台电机功率15KW)全开的情况下，炉体供水水温在45～48℃之间，有时达到50℃；而清洗后，仅需开启20～21台风机的情况下，高炉供水水温可下降到45℃以下，换热效率大幅提升，满足了高炉对水温的要求，也为高炉的安全运行打下坚实的基础；同时空冷器换热效果的明显提升，节约了运行成本，为减低能耗做出了贡献。

4 结语

(1)采用化学药剂清洗和高压水流冲洗相结合的方法，很好地解决了空冷器管束表面硬垢和其他附着物的清洗问题，确保高炉安全稳定运行。(2)针对管束结垢的成因，对系统工艺进行改造，将开路净环水作为系统冷却水，同时对集水槽进行定期清理，减缓管束结垢现象，延长了设备使用寿命。

[1]周本省.工业水处理技术[M].化学工业出版社,1997.

[2]肖筱新,沈军勇,石宏利.蒸发式空冷器的在线清洗预膜.清洗世界,2011.