徐 升，唐智新，孫 雪，薛臘梅

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司，河北唐山 063200）

1 概述

首鋼京唐公司共建有低溫多效海水淡化裝置4套，海水淡化裝置運(yùn)行近7年，由于第一效底部換熱管結(jié)垢及二次流通箱換熱管腐蝕嚴(yán)重，近2年來(lái)海水淡化產(chǎn)量大幅下降，公司外購(gòu)水費(fèi)用大幅升高，經(jīng)營(yíng)成本不斷攀升。

2017年海水淡化的產(chǎn)量占公司總用水量的51%，提高海水淡化產(chǎn)量是降低外購(gòu)水費(fèi)用的必要手段，借助對(duì)設(shè)備檢修的機(jī)會(huì)對(duì)漏的換熱管徹底更換，將系統(tǒng)內(nèi)的水垢、粘泥、腐蝕產(chǎn)物等清洗出來(lái)，使換熱管表面達(dá)到要求的清潔度，減少腐蝕泄漏的發(fā)生，從而延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備的熱交換效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的節(jié)能降耗。

2 低溫多效蒸餾海水淡化工藝簡(jiǎn)介

海水淡化，就是從海水中脫去鹽分，得到純度較高的淡水的過(guò)程。首鋼京唐公司一期海水淡化采用熱法低溫多效蒸餾工藝，利用鋼鐵廠的富余蒸汽加熱海水，使其蒸發(fā)并冷凝從而獲得所需蒸餾水，生產(chǎn)規(guī)模50000 t/d。其中包括四套淡化裝置，每套裝置包括七個(gè)效組，單套裝置產(chǎn)水規(guī)模每天12500 t，產(chǎn)品水電導(dǎo)率小于10 μS/cm。淡化主體工藝示意圖如圖1。

圖1 多效海水淡化裝置示意圖

淡化主體系統(tǒng)主要工藝流程：在海水淡化區(qū)域內(nèi)，海水首先進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)，熱法海水淡化工藝本身對(duì)海水水質(zhì)要求很低，大部分時(shí)間水質(zhì)可以滿足，但為了使淡化主體發(fā)揮更好的性能，同時(shí)避免遠(yuǎn)期海水水質(zhì)的可能惡化對(duì)主體蒸發(fā)器造成影響，故建有海水預(yù)處理設(shè)施——高效沉淀池，采用ACTIFLO技術(shù)。每臺(tái)主體蒸發(fā)器由7個(gè)相同的效和1個(gè)末效冷凝器組成，主要結(jié)構(gòu)均為換熱管束，輔助系統(tǒng)主要由海水補(bǔ)給、濃鹽水排放、蒸汽減溫減壓及輸入、冷凝水輸回和產(chǎn)品水排出等分系統(tǒng)構(gòu)成。進(jìn)入系統(tǒng)的海水首先進(jìn)入末效冷凝器，經(jīng)預(yù)熱后由泵送入蒸發(fā)器，用于補(bǔ)給蒸發(fā)；從廠區(qū)管網(wǎng)進(jìn)入的蒸汽經(jīng)減溫減壓后進(jìn)入主體第一效，將補(bǔ)給的海水蒸發(fā)，加熱蒸汽冷凝后由泵抽出等量送回蒸汽發(fā)生源。蒸發(fā)器主體被抽到接近真空，故蒸發(fā)過(guò)程在低于70℃的情況就能發(fā)生，海水蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽作為二次熱源使下一效海水蒸發(fā)，同時(shí)冷凝成蒸餾水，其余效產(chǎn)生的蒸餾水自流至末效冷凝器，于其中的蒸餾水被共同收集得產(chǎn)品水；每效中補(bǔ)給海水蒸發(fā)濃縮液稱為濃鹽水，同樣的過(guò)程在每效中進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了每引入1 t蒸汽產(chǎn)生近10 t的蒸餾水的高造水比。而海水部分蒸發(fā)后濃度略為升高（約1.43倍），稱之為濃鹽水，由泵排出。

3 設(shè)備運(yùn)行存在的問(wèn)題

3.1 設(shè)備結(jié)垢

四套低溫多效海水淡化裝置經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，年修檢查發(fā)現(xiàn)每套設(shè)備的第一效底部結(jié)垢嚴(yán)重，檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)換熱管結(jié)垢存在一定的分布規(guī)律。圖2為結(jié)垢嚴(yán)重的換熱管分布圖。

圖2 第一效底部換熱管更換分布圖

由圖2可見(jiàn)，第一效換熱管底部?jī)蓚?cè)結(jié)垢嚴(yán)重，向上逐漸減少結(jié)垢，至中間不結(jié)垢，以“凹”字形分布，同時(shí)蒸汽入口側(cè)結(jié)垢較為嚴(yán)重。

3.2 二次流通箱換熱管腐蝕

單套系統(tǒng)主體蒸發(fā)器共8效，前7效蒸汽走換熱管管程海水走殼程，每效約8600根管，管徑29 mm，壁厚0.7 mm，材質(zhì)為鈦管和銅鋁合金管。第8效海水走換熱器管程，蒸汽走殼程，約4700根管，管徑26 mm，壁厚0.5 mm，材質(zhì)為鈦管，前7效二次流通箱上三排為鈦管，其余9排為銅鋁合金管。

單套主體蒸發(fā)器每一效內(nèi)海水通過(guò)噴頭噴淋至換熱管，海水及其所攜帶的泥沙會(huì)對(duì)頂部二次流動(dòng)箱換熱管機(jī)械沖刷腐蝕，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，導(dǎo)致耐磨性較差的鋁黃銅管磨損、變薄、穿孔、泄漏。

2015年、2016年泄漏換熱管數(shù)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 2015年、2016年泄漏換熱管數(shù)量

4 設(shè)備結(jié)垢與腐蝕原因分析

4.1 噴淋量不足造成換熱管結(jié)垢

單套蒸發(fā)器每效海水噴淋噴嘴共有48個(gè)，海水通過(guò)噴嘴噴淋在換熱管表面，具體噴淋方式見(jiàn)圖3。由于海水自上而下流過(guò)換熱管表面，海水在下降過(guò)程中，大部分被蒸發(fā)，底部換熱管接觸海水少、濃度大，在同等溫度下，底部換熱管結(jié)垢嚴(yán)重。由圖3噴淋分布可以看出，中間的海水噴淋有交叉，水量較大；而兩側(cè)海水噴淋沒(méi)有交叉，相較于中間位置海水噴淋量較少，故底部結(jié)垢兩側(cè)比中間嚴(yán)重。

圖3 海水噴淋分布圖

4.2 第一下濃鹽水溫度高造成結(jié)垢

通過(guò)對(duì)主體底部換熱管所結(jié)垢樣的全分析，得出換熱管結(jié)垢的主要成分為硫酸鈣、碳酸鈣，還有少量的氫氧化鎂、氫氧化鋁等。當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí)，海水中的碳酸氫鹽開(kāi)始熱衰變，并隨溫度升高衰變加劇。海水淡化第一效濃鹽水溫度一般控制在66℃以下，在此溫度下，水中碳酸氫根分解產(chǎn)生二氧化碳、碳酸根和水，二氧化碳通過(guò)主體抽氣裝置排走，而碳酸根則和鈣離子結(jié)合，生成碳酸鈣，由于碳酸鈣在水中的溶解度低，在換熱管表面將發(fā)生沉淀并造成結(jié)垢。在海水中添加阻垢劑，一定程度上可以防止碳酸鈣結(jié)垢。具體成分見(jiàn)表2。

表2 垢樣成分分析

注:檢測(cè)方法為XRF，保護(hù)氣體為二氧化碳，檢測(cè)不能顯示碳酸根含量。

4.3 海水中硫酸根含量高易產(chǎn)生硫酸鈣垢

硫酸鈣垢析出主要與海水濃縮比和溫度有關(guān)。第一效蒸發(fā)溫度不超68℃，濃鹽水溫度不超過(guò)66℃控制；海水濃縮比約為1.43。對(duì)比圖4中，在濃縮比為1.43時(shí)，大約為95℃時(shí)硫酸鈣才開(kāi)始析出。故第一效硫酸鈣垢結(jié)垢嚴(yán)重與主體運(yùn)行溫度無(wú)直接關(guān)系，與海水中硫酸根含量有關(guān)。

4.4 不凝有害氣體對(duì)銅管產(chǎn)生腐蝕

海水中攜帶各種微生物及藻類，在進(jìn)入蒸發(fā)器主體前，需要投加殺菌進(jìn)行殺菌滅藻，可能產(chǎn)生一些H2S、NH3等有毒有害氣體，這些氣體對(duì)銅管有很大的腐蝕作用，是造成銅管腐蝕的主要原因。

5 解決結(jié)垢及腐蝕問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施

5.1 設(shè)備清洗

四套蒸發(fā)器系統(tǒng)結(jié)垢垢質(zhì)均不同，每一套區(qū)域嚴(yán)重程度亦不同。清洗中針對(duì)實(shí)際情況復(fù)合采用的立體洗、交叉反復(fù)、局部環(huán)繞加強(qiáng)洗等多種清洗機(jī)制，建立的新作業(yè)規(guī)范，洗下垢快速移出，洗凈終點(diǎn)三參數(shù)化驗(yàn)控制，洗后現(xiàn)場(chǎng)快速恢復(fù)設(shè)備等等都大幅度縮短工期，實(shí)現(xiàn)最大化除垢。

第一效作為二次蒸汽的發(fā)生源結(jié)垢嚴(yán)重，必須優(yōu)先解決第一效結(jié)垢問(wèn)題。結(jié)合前期清洗中遇到的問(wèn)題，清洗采取向先切管再清洗的方式，將全部堵死的管束先進(jìn)行切割，以保證清洗藥液的有效循環(huán)，進(jìn)一步提升清洗效果。

(a)第一效換熱管采用酸洗+中性洗的化學(xué)清洗方式。

圖4 海水濃縮過(guò)程硫酸鈣的溶解范圍

圖5 清洗過(guò)程數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

通過(guò)對(duì)清洗過(guò)程采樣數(shù)據(jù)的分析（見(jiàn)圖5），確保清洗液pH值保持在1～2之間，通過(guò)監(jiān)測(cè)清洗液中的鈣離子含量，可以很清晰看到鈣離子在清洗約3 h后基本達(dá)到最大值并維持在約100 mg/L左右。

(b)第2～7效采用化學(xué)與物理相結(jié)合的清洗方式，利用化學(xué)溶解的方法，清除換熱管表面所附著的水垢及腐蝕產(chǎn)物。向蒸發(fā)器前7效內(nèi)注入除鹽水，達(dá)到循環(huán)量1130 m3后，啟動(dòng)清洗循環(huán)泵，開(kāi)始循環(huán)清洗系統(tǒng)，待壓力穩(wěn)定后，開(kāi)始加藥。

因清洗采用的清洗劑不可避免的會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生一定的腐蝕作用，在清洗前加入銅緩、302緩蝕劑進(jìn)行緩蝕處理，減少清洗劑對(duì)設(shè)備的損害。加入清洗劑前，鈣離子濃度約為200 mg/L，加入清洗劑后，鈣離子濃度驟降后大幅升高，約為1000 mg/L。由于清洗劑是一種復(fù)合型有機(jī)酸類清洗劑，清洗機(jī)理主要為通過(guò)清洗劑與無(wú)機(jī)鹽、金屬氧化物等形成螯合物，從而洗脫，故在加入清洗劑后，其首先與溶液中鈣離子反應(yīng)，使溶液中鈣離子驟降為0，繼而與換熱管上鈣垢進(jìn)行反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)洗脫。

經(jīng)過(guò)酸洗處理后，管外側(cè)污垢脫落物質(zhì)，沉積到設(shè)備底槽內(nèi)，形成3～5cm厚的淤泥層，經(jīng)人工清淤運(yùn)出。

(c)末效凝汽器鈦管采用化學(xué)浸泡并打循環(huán)的方法進(jìn)行清洗。將末效進(jìn)出口1 m彎頭拆掉，在法蘭處增加盲板，盲板上連接DN80管道，與酸洗裝備相連接。先用清水將冷凝器沖洗干凈，建立一個(gè)滿水循環(huán)，然后向循環(huán)罐中加入銅緩蝕劑，打入末效蒸發(fā)器，緩蝕處理30 min后加入鹽酸。清洗7 h結(jié)束后打開(kāi)凝汽器檢查，凝汽器換熱管清洗徹底。

經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗去除了附著在管壁上的致密污垢層，蒸發(fā)器投入運(yùn)行后，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)水平，清洗效果顯著。

5.2 更換二次流通箱換熱管

二次流通箱作為二次蒸汽通往下一效的蒸汽通道，若換熱管因腐蝕出現(xiàn)大面積泄露，熱源將會(huì)大大損失，從而直接影響產(chǎn)水量。大多數(shù)檢修時(shí)都是發(fā)現(xiàn)換熱管泄露后進(jìn)行封堵，封堵過(guò)多勢(shì)必會(huì)影響換熱效果，當(dāng)堵管數(shù)量超過(guò)5%時(shí)，就應(yīng)徹底更換，將二次流通箱的銅管全部更換為鈦管，更換后，在沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)腐蝕的問(wèn)題，延長(zhǎng)了換熱管的使用壽命。

6 取得的效果

該公司結(jié)合歷次檢修經(jīng)驗(yàn)，解決了低溫多效海水淡化蒸發(fā)器換熱管結(jié)垢及腐蝕的難題，通過(guò)設(shè)備清洗，解決了換熱管的結(jié)垢問(wèn)題，換熱效率大大提升；通過(guò)將銅管更換為鈦管，徹底解決了換熱管腐蝕的問(wèn)題，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，使蒸發(fā)器的產(chǎn)水量得到大幅提升，產(chǎn)水量恢復(fù)到了原設(shè)計(jì)水平，為公司的節(jié)能降耗做出了巨大貢獻(xiàn)。

（1）檢修前蒸餾水產(chǎn)水450 t/h，檢修后蒸餾水產(chǎn)水510 t/h，提高了60 t/h，見(jiàn)圖6。

（2）檢修前冷凝水產(chǎn)水70 t/h，檢修后冷凝水產(chǎn)水90 t/h，提高了20 t/h，見(jiàn)圖7。

圖6 蒸餾水差壓流量曲線圖

圖7 冷凝水差壓流量曲線圖