鹽酸清洗在低溫多效蒸餾海水淡化裝置中的應用

聶 鑫，田 利

（1.神華河北國華滄東發電有限責任公司，河北 滄州，061113；2.西安熱工研究院有限公司 陜西 西安，710032）

1 概 述

低溫多效蒸餾（LT－MED）是指原料海水的最高蒸發溫度低于70℃的多效蒸餾海水淡化技術，其特征是將一系列的水平管降膜蒸發器或垂直管降膜蒸發器串聯起來，輸入一定量的蒸汽，通過多次的蒸發和冷凝，從而得到多倍于加熱蒸汽量的蒸餾水的海水淡化技術，工藝流程見圖1。盡管LT－MED低于70℃的運行溫度大大降低了海水淡化裝置的結垢機率，但由于蒸發與換熱是在蒸發器換熱管外同時進行的，隨著海水溫度和濃度的升高，海水中部分鹽類容易在換熱管外壁沉積而形成水垢。結垢會使海水淡化裝置的傳熱狀態惡化、管路堵塞和引起金屬腐蝕，因此，定期進行蒸發器酸洗是海水淡化裝置除垢的必要措施。在我國，陸續有大型低溫多效蒸餾海水淡化裝置投入使用，但在蒸發器酸洗過程中，均面臨著金屬種類多、垢成分復雜、換熱管壁薄、清洗面積大、酸洗液與金屬接觸方式特殊等技術難點，因此，目前我國尚缺少針對低溫多效蒸餾海水淡化裝置酸洗的相關標準及成熟經驗。

圖1 LT－MED工藝流程圖

國華滄東電廠地處淡水資源匱乏的河北省滄州市黃驊港，利用600MW等級燃煤發電機組汽輪機抽汽作為汽源，采用低溫多效蒸餾海水淡化技術制造淡水，最大程度地降低了火電廠的冷源損失，與火電機組配套建設海水淡化形成“水電聯產”的工程模式。投產于2006年的1號海水淡化裝置，設計日產量為淡水1萬噸，設計造水比8.33，裝置采用四效水平管降膜蒸發器。投產至今，受蒸發器換熱管束局部結垢和海水預處理藥劑污染的影響，裝置的制水能力和制水效率均出現不同程度地下降。為突破低溫多效蒸餾海水淡化酸洗的技術瓶頸，電廠與某熱工研究院合作，參照《火力發電廠凝汽器化學清洗及成膜導則》等電力行業標準，在靜態和動態試驗基礎上，提出一種低溫多效蒸餾海水淡化裝置的酸洗工藝，并于2010年10月，對1號海水淡化裝置實施了現場酸洗。

2 酸洗工藝

2.1 酸洗范圍和條件

對海淡設備進行酸洗的范圍，包括蒸發器鹽水側的換熱管、換熱管管板和蒸發器內壁，換熱管的材質分別為鈦合金和銅鋁合金，換熱管管板和蒸發器內壁的材質為316L不銹鋼，酸洗范圍內沒有奧氏體不銹鋼。當海淡設備內的海水溫度高于15℃時，即可對蒸發器鹽水側進行常溫酸洗。海水淡化裝置的酸洗回路，如圖2所示。

圖2 酸洗回路圖酸洗介質

2.2 酸洗介質

選用的酸洗介質為33%的工業鹽酸，添加的藥品還有銅緩蝕劑、鋼緩蝕劑、異VC鈉和消泡劑。

2.3 酸洗回路

采用在線循環清洗方式，其回路為：鹽水泵入口管→鹽水泵→鹽水泵去物料海水旁路管→1～4效蒸發器→鹽水泵入口管，見圖2中虛線所示。采用移動式酸洗液注射裝置，將緩蝕劑和鹽酸注入酸洗回路，利用海水淡化裝置現有管道，使酸洗液在鹽水泵驅動下，循環往復地在蒸發器的內部和外部不停地流動（冷態循環），始終保持酸洗液對蒸發器換熱管外壁進行帶壓沖洗。

2.4 酸洗步驟

整個酸洗過程共分為五步。第一步將緩蝕劑注入酸洗回路，利用冷態循環進行金屬防腐；第二步將鹽酸注入物料海水中，利用冷態循環進行系統除垢；第三步加入異VC鈉，還原酸洗中產生的Fe3＋以防止銅腐蝕；第四步向蒸發器內噴入新鮮海水進行水沖洗，稀釋酸洗液的同時進行金屬自然鈍化；第五步是體外加堿對酸洗廢液進行中和處理。

3 酸洗過程

3.1 加入緩蝕劑和消泡劑

向溶藥箱內分別加入銅、鋼緩蝕劑各500kg，用工業水稀釋后，利用注射泵注入酸洗回路，啟動冷態循環對蒸發器鹽水側金屬進行噴淋和沖洗，采樣并化驗緩蝕劑在整個循環溶液中的含量，通過調整工業用淡水的加入量來控制緩蝕劑的質量分數為0.45%，目的是兼顧蒸發器內各種材質金屬的防腐，降低酸液對銅鋁合金、316L不銹鋼和鈦合金等敏感金屬部件的腐蝕風險。

冷態循環的同時，打開蒸發器1～4效人孔門，向循環溶液中加入20kg消泡劑進行消泡和抑泡處理，使蒸發器內無明顯泡沫產生。整個加藥和冷態循環過程約持續30min。

3.2 系統進酸

打開蒸發器1～4效人孔門進行自然通風，重新啟動冷態循環，首次向溶藥箱內加入鹽酸原液2000L，用工業水稀釋后，啟動注射泵通過酸洗回路注入物料海水中。由于海水淡化裝置的特殊構造，使換熱管附著的原始垢量無法準確測算，因此在進酸過程中，需隨時采樣測定鹽酸和物料海水混合后的酸洗液的pH值，根據酸洗液pH值和垢溶解趨勢，及時調整鹽酸加入量，整個過程盡量維持酸洗液的pH值在0.9～1.1，在保證除垢效果的同時防止金屬過洗。靜態和動態緩蝕性能試驗證明，維持酸洗液較低的鹽酸含量可防止鈦材吸氫。

圖3 系統進酸期間酸洗液pH值變化曲線圖

從圖3可見，系統進酸過程中酸洗液pH值呈規律性變化。首次進酸2000L后的15min內，酸洗液pH值由8.0驟降至1.08，然后自行升至3.95；第80min補酸1600L后，酸洗液pH值降至1.01；第90min補酸2000L后，酸洗液pH值降至最低0.8，然后逐漸升高；第250min補酸1100L后，酸洗液pH值降至0.9；從第290min開始，酸洗液pH值穩定在0.9～1.1。

從酸洗液pH值的變化可知，首次加入鹽酸后，酸洗液由最初物料海水呈現的弱堿性迅速變為酸性，系統進酸初期，因除垢化學反應迅速而酸液被大量消耗；后續三次補酸前后酸洗液pH值變化曲線的波動，說明除垢反應仍在持續；最后酸洗液pH值變化趨勢變緩直至長時間穩定在0.9～1.1，說明除垢反應結束而酸液基本沒有被消耗，此時酸洗也到達終點。整個系統進酸過程持續時間近4h，期間共計加入鹽酸7.8t。

3.3 加入異VC鈉

相關電力行業標準指出氧化性物質Fe3＋對酸洗腐蝕速率影響較大［1］。靜態和動態緩蝕性能試驗也證明：“Fe3＋在酸洗過程會提高銅合金的腐蝕速率，對緩蝕劑緩蝕性能及緩蝕效率造成影響，并可能對金屬表面造成點蝕或條蝕，酸洗液中加入異VC鈉這種還原劑能在短時間內將酸洗液中Fe3＋還原成Fe2＋，異VC鈉的加入量以維持酸洗液呈氧化性為宜，這樣不僅可以降低銅合金的腐蝕速率，而且有利于減緩鈦合金氫脆的發生”。

圖4 系統進酸期間酸洗液Fe3＋含量變化曲線圖

這次對海淡設備的酸洗中，進酸初期酸洗液顏色呈現深紅色，此時保持系統冷態循環，通過蒸發器人孔門逐步加入異VC鈉直至酸洗液顏色變淡。從圖4可見，系統進酸10min后，酸洗液Fe3＋含量急劇升高至200mg／L，表明除垢反應迅速進行的同時FeCl3也被大量溶解下來，加入異VC鈉至第120min時，酸洗液Fe3＋含量達到峰值（260mg／L），隨即出現下降拐點。酸洗終點時，酸洗液中Fe3＋含量基本維持在100～120mg／L。分析酸洗液中Fe3＋含量仍維持較高水平的原因，是在蒸發器換熱管上附有大量的FeCl3等海水預處理藥劑，在系統進酸后，這部分Fe3＋隨污垢被大量清洗下來并溶入酸洗液中。由于此次酸洗只準備了60kg異VC鈉，即使全部加入也只能將酸洗液中部分Fe3＋還原成Fe2＋，沒有達到最佳的還原效果。

3.4 沖洗及鈍化

酸洗到達終點后排盡酸洗廢液，立即向蒸發器內噴入新鮮海水，對換熱管進行大流量的開式沖洗，所有沖洗水通過鹽水泵排出，直至沖洗出水與進水pH值相等為止。沖洗回路為：海水增壓泵→凝汽器→物料海水管→1～4效蒸發器→鹽水泵入口管→鹽水泵→鹽水泵出口管→水工池。

316L不銹鋼和鈦材均具有優良的自鈍化特性，參照相關電力行業標準和國外廠商的設備維護資料［2，3］，本次酸洗后蒸發器鹽水側所有金屬不進行成膜而直接投運，依靠水中溶解氧自然鈍化。

3.5 廢液處理

酸洗廢液及沖洗水均排至水工池，加入液堿中和至pH值為6～9，然后排至廠內工業廢水處理站進行深度處理。

4 酸洗效果

4.1 目視檢查

圖5是酸洗前后的蒸發器換熱管表面狀況對比圖。左圖顯示的是酸洗前換熱管表面局部結垢并且被紅色三價鐵的的海水預處理藥劑所污染，右圖顯示的是酸洗后換熱管表面清潔、鈍化膜致密，清洗除垢徹底、金屬表面無殘留、鈍化效果良好。

圖5 酸洗前后換熱管表面狀況對比圖

4.2 清洗垢量

1號海水淡化裝置的有效水容積是110m3，根據酸洗前后酸洗液中成垢離子含量變化（見表1數據），計算得出清洗出的總垢量約為2.2t（其中：鈣垢1.46t、鎂垢0.45t、鐵垢0.198t、鋁垢0.082t）。

表1 酸洗前后酸洗液中主要成垢離子

4.3 緩蝕速率

用失重法測定一效和四效內腐蝕指示片和試驗管段的平均腐蝕速度和總腐蝕量。一效鈦管是0.0085 g／（m2·h）和0.05g／m2，四效鈦管是0.0000g／（m2·h）和0.00g／m2，一效銅管是0.65g／（m2·h）和3.96g／m2，四效銅管是0.61g／（m2·h）和3.73g／m2，一效316L不銹鋼試片是0.77g／（m2·h）和4.71g／m2，四效316L不銹鋼試片是0.146g／（m2·h）和0.89g／m2。所有腐蝕指示片和試驗管段的金屬平均腐蝕速度均小于1g／（m2·h）、總腐蝕量均小于10g／m2，所有緩蝕數據均優于電力行業相關標準［2］。

4.4 運行參數

1號海水淡化裝置酸洗后，各效間溫差和設備出力均在設計范圍內，裝置的制水效率有較大提高（造水比較酸洗前提高1.17并高于設計值），酸洗前后造水比柱狀圖，如圖6所示。

圖6 酸洗前后裝置造水比柱狀對比圖

5 結 語

5.1 鹽酸加海水的酸洗工藝應用于大型低溫多效蒸餾海水淡化裝置后取得了預期效果，清洗質量優于電力行業相關標準。

5.2 及時采樣和化驗是保證海水淡化裝置酸洗順利進行的有效手段，由于蒸發器內原始垢量無法準確測算，因此應根據酸洗液pH值的化驗數據不斷調整加酸量，在保證除垢效果的同時也可防止金屬過洗。

5.3 海水淡化裝置酸洗前，應制訂科學合理的緩蝕方案，在系統進酸前，加入適量鹽酸緩蝕劑進行各種金屬的防腐，而常溫清洗、酸洗液中較低的鹽酸含量、酸洗液的氧化性均有利于減緩鈦合金氫脆的發生。

5.4 在酸洗過程中，應全程打開蒸發器人孔門進行自然通風，防止酸洗中產生的大量氣體在蒸發器內積聚，保證酸洗操作中的人員及設備安全。

5.5 此次酸洗中，蒸發器換熱管上沉積的原始垢量無法測算，大量的Fe3＋也隨著污垢被清洗下來，而作為還原劑的異VC鈉藥品準備相對不足，在今后的酸洗中，需準備足夠的還原劑以消除鐵離子的干擾。

5.6 此次酸洗是在系統污染和結垢較嚴重的情況下進行的，這給酸洗的策劃及實施均造成了一定的難度，建議今后根據海水淡化設備情況，定期（1年或半年）進行蒸發器的酸洗。

［1］陳潔，陳子華.DL／T 794－2001火力發電廠鍋爐化學清洗導則［M］.2001.

［2］楊振乾，張全根，陳潔等.DL／T 957－2005火力發電廠凝汽器化學清洗及成膜導則［M］.2005.

［3］Meyer Frederic.Maintenance manuals for Seawater desalination system［M］.SIDEM，France.2005.