列管式换热器的结垢原因和清洗方法

列管式换热器的结垢原因和清洗方法

列管式换热器( 以下简称换热器) 是化工生产 中应用最广泛, 最典型的间壁式换热器, 主要由壳 体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。其优点是 单位体积设备所提供的传热面积大, 传热效果好, 结构简单, 操作弹性大, 可用多种材料制造。但换热 器在使用过程中, 污垢沉积物会不可避免地出现在 传热表面上, 出现结垢现象, 污垢沉积物热阻较高, 大大降低了传热速率; 同时由于结垢减小了流道面 积, 介质流动阻力增大, 能耗增加。几年来, 公司所 用大部分换热器存在上述因结垢而影响使用效果 的问题, 由此而造成了一系列的经济损失。据统计, 我国每年由于换热器结垢而造成的损失高达 100 亿元以上。 因此换热器的结垢防治是急需解决的问题。换 热器运行质量的好坏和时间长短, 与日常维护、清洗 保养是否及时、合适有非常密切的关系。对于容易结 垢的流体, 可在规定的时间采用合适的方式进行除 垢。最近几年, 我们为了清洗换热器污垢, 先后试用 了几种常用的清洗结垢的方法, 确定了在各种场合 较为合适的清洗方法。下面从换热器结垢产生原因、 类型和影响因素及几种清洗方法的比较进行归纳。 

1 结垢原因 

因为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时从水中结晶析出, 附着于换 热管表面, 形成水垢。在冷却水中加入聚磷酸盐类缓 冲剂, 当水的 pH 值较高时, 也可导致水垢析出。初期 形成的水垢比较松软, 但随着垢层的生成, 传热条件 恶化, 水垢中的结晶水逐渐失去, 垢层即变硬, 并牢固 地附着于换热管表面上。此外, 如同水垢一样, 当换热 器的工作条件适合溶液析出晶体时, 换热管表面上即 可积附由物料结晶形成的垢层; 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。 对于常用的换热器而言, 根据结垢机理, 我们 一般将结垢分为以下几类: (1)类析晶结垢: 如水冷却系统中, 由于水中过 饱和的钙、镁盐类由于温度、pH 值等变化而从水中 结晶沉积在换热器表面, 而形成了水垢; (2)粒结垢: 流体中悬浮的固体颗粒在换热面上 的积聚; (3)化学反应结垢: 由于化学反应而造成的固体 沉积; (4)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; (5)生物结垢: 对于常用的冷却水系统来讲, 工 业水中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; (6)凝固结垢: 在过冷的换热面上, 纯液体或多 组分溶液的高溶解组分凝固沉积。 以上的分类只是表明了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。 

2 结垢影响因素 

影响结垢的因素有很多, 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。对于特定流体而言, 影响换热器结垢的主要 因素有以下几个方面: (1)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。 (2)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。 (3)换热面材料和表面质量: 对于常用的碳钢、 不锈钢而言, 只是通过腐蚀产物的沉积而影响结 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。 

3 除垢措施 

通过对换热器结垢原因和影响因素分析, 我们 先后试用了一些常用的除垢方法, 主要归纳如下: 

3.1 机械清洗 (1)喷射清洗:喷射清洗是一种强力清洗法, 它是 利用喷射设备将介质以极高的冲击力喷入换热器 的管侧和壳侧, 起到除垢的目的。常用的介质是水、 蒸汽或石英砂。对于仅仅依靠冲击力是不能去除而 必须依靠热量才能使其松动的污垢, 蒸汽喷射清洗 是非常好的方法。 (2)管内插入物清洗:这种方法只能除去管子里 面的污垢, 它依靠插入物在管内的运动, 与管子内 表面接触, 达到去除污垢的效果。插入物的型式多 种多样, 可以是在挠性轴的端部装上刮刀或钻头, 也可以使用钢丝刷子来清洗较低硬度的污垢。 对于换热器管内污垢, 以上两种换热器清洗 方法, 我们都采用过, 我们认为采用管内插入物清 洗效果比直接喷射清洗效果明显, 但插入物清洗 劳动强度相对较大。此后我们试着将两种方法结 合使用, 在用插入物清洗同时用高压水喷射, 结果 效果大大提高。其优点是见效快, 易操作, 而且可 降低清洗强度。因此, 目前我们经常采用此方法清 洗列管内污垢。但缺点是清洗设备需装拆, 易对设 备造成机械损伤。 

3.2 化学清洗 在流体中加入除垢剂、酸、碱、酶等, 以减少污 垢与换热面的结合力, 使其从受热面上脱离, 这种 方法就称为化学清洗法。化学清洗可以在现场完 成, 清洗强度较低; 但清洗更完全, 可以清洗机械 清洗所不能到达的地方, 并可避免机械清洗对换 热面造成一定的机械损伤; 而且化学清洗可以不 用拆开设备, 对于不能拆开的管壳式换热设备具 有机械清洗所不能比拟的优点。 对于换热器壳侧清洗, 经常采用化学清洗和喷 射清洗。我们经比较后, 认为两者各有千秋。应该说 清洗效果, 化学清洗优于喷射清洗。但化学清洗的过 程中, 应根据污垢的特性, 合理地选择缓蚀剂、清洗 主剂和助剂, 控制适宜的速度和温度; 同时应做好清 洗废液的处理排放工作, 避免对环境造成影响; 而且 化学清洗现场配制清洗剂较为费时, 对清洗后设备 酸度控制要求较高。喷射清洗操作较为简便, 但效果 不明显。因此我们对于换热器壳侧清洗, 在不同场合 采用不同的清洗方法。对设备酸度要求不高或结垢 较为严重的场合, 采用化学清洗除垢。反之, 则较多 采用喷射清洗除垢。 

3.3 超声波除垢 除了上述几种常用的清洗方法, 据资料显示, 现 在出现了新的换热器清洗技术——超声波除垢。它利 用超声波的空化效应、活化效应、剪切效应和抑制效 应除垢, 超声波除垢技术在石油化工、制糖等一些工 业行业得到了运用, 并取得了很好的效果。这项新技 术目前还有很多空白领域需要研究。超声波除垢技术 的关键是针对不同物料、不同装置类型和传热面积的 大小, 选择合适的超声波功率和频率大小。

 4 结束语 

总之, 结垢对换热器的危害很大, 需要积极地预 防和定期地清除。影响结垢的因素很多, 只有找出主 要因素才能使问题简化, 对于不同类型的结垢, 应采 取针对性的采取清除措施, 有效地治理换热器的结 垢问题, 以提高换热器传热效率及运行寿命。