低溫多效海水淡化運行出現的問題及應對措施

徐 升，唐智新，孫 雪，薛臘梅

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限公司，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，海水淡化裝置運行近7年，由于第一效底部換熱管結垢及二次流通箱換熱管腐蝕嚴重，近2年來海水淡化產量大幅下降，公司外購水費用大幅升高，經營成本不斷攀升。

2017年海水淡化的產量占公司總用水量的51%，提高海水淡化產量是降低外購水費用的必要手段，借助對設備檢修的機會對漏的換熱管徹底更換，將系統內的水垢、粘泥、腐蝕產物等清洗出來，使換熱管表面達到要求的清潔度，減少腐蝕泄漏的發生，從而延長設備使用壽命，提高設備的熱交換效率，實現企業的節能降耗。

2 低溫多效蒸餾海水淡化工藝簡介

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，使其蒸發并冷凝從而獲得所需蒸餾水，生產規模50000 t/d。其中包括四套淡化裝置，每套裝置包括七個效組，單套裝置產水規模每天12500 t，產品水電導率小于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

淡化主體系統主要工藝流程：在海水淡化區域內，海水首先進入預處理系統，熱法海水淡化工藝本身對海水水質要求很低，大部分時間水質可以滿足，但為了使淡化主體發揮更好的性能，同時避免遠期海水水質的可能惡化對主體蒸發器造成影響，故建有海水預處理設施——高效沉淀池，采用ACTIFLO技術。每臺主體蒸發器由7個相同的效和1個末效冷凝器組成，主要結構均為換熱管束，輔助系統主要由海水補給、濃鹽水排放、蒸汽減溫減壓及輸入、冷凝水輸回和產品水排出等分系統構成。進入系統的海水首先進入末效冷凝器，經預熱后由泵送入蒸發器，用于補給蒸發；從廠區管網進入的蒸汽經減溫減壓后進入主體第一效，將補給的海水蒸發，加熱蒸汽冷凝后由泵抽出等量送回蒸汽發生源。蒸發器主體被抽到接近真空，故蒸發過程在低于70℃的情況就能發生，海水蒸發產生的蒸汽作為二次熱源使下一效海水蒸發，同時冷凝成蒸餾水，其余效產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品水；每效中補給海水蒸發濃縮液稱為濃鹽水，同樣的過程在每效中進行，從而實現了每引入1 t蒸汽產生近10 t的蒸餾水的高造水比。而海水部分蒸發后濃度略為升高（約1.43倍），稱之為濃鹽水，由泵排出。

3 設備運行存在的問題

3.1 設備結垢

四套低溫多效海水淡化裝置經過長時間的運行，年修檢查發現每套設備的第一效底部結垢嚴重，檢查過程中發現換熱管結垢存在一定的分布規律。圖2為結垢嚴重的換熱管分布圖。

圖2 第一效底部換熱管更換分布圖

由圖2可見，第一效換熱管底部兩側結垢嚴重，向上逐漸減少結垢，至中間不結垢，以“凹”字形分布，同時蒸汽入口側結垢較為嚴重。

3.2 二次流通箱換熱管腐蝕

單套系統主體蒸發器共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。

單套主體蒸發器每一效內海水通過噴頭噴淋至換熱管，海水及其所攜帶的泥沙會對頂部二次流動箱換熱管機械沖刷腐蝕，長時間運行后，導致耐磨性較差的鋁黃銅管磨損、變薄、穿孔、泄漏。

2015年、2016年泄漏換熱管數量統計見表1。

表1 2015年、2016年泄漏換熱管數量

4 設備結垢與腐蝕原因分析

4.1 噴淋量不足造成換熱管結垢

單套蒸發器每效海水噴淋噴嘴共有48個，海水通過噴嘴噴淋在換熱管表面，具體噴淋方式見圖3。由于海水自上而下流過換熱管表面，海水在下降過程中，大部分被蒸發，底部換熱管接觸海水少、濃度大，在同等溫度下，底部換熱管結垢嚴重。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；而兩側海水噴淋沒有交叉，相較于中間位置海水噴淋量較少，故底部結垢兩側比中間嚴重。

圖3 海水噴淋分布圖

4.2 第一下濃鹽水溫度高造成結垢

通過對主體底部換熱管所結垢樣的全分析，得出換熱管結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。當溫度達到60℃時，海水中的碳酸氫鹽開始熱衰變，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生二氧化碳、碳酸根和水，二氧化碳通過主體抽氣裝置排走，而碳酸根則和鈣離子結合，生成碳酸鈣，由于碳酸鈣在水中的溶解度低，在換熱管表面將發生沉淀并造成結垢。在海水中添加阻垢劑，一定程度上可以防止碳酸鈣結垢。具體成分見表2。

表2 垢樣成分分析

注:檢測方法為XRF，保護氣體為二氧化碳，檢測不能顯示碳酸根含量。

4.3 海水中硫酸根含量高易產生硫酸鈣垢

硫酸鈣垢析出主要與海水濃縮比和溫度有關。第一效蒸發溫度不超68℃，濃鹽水溫度不超過66℃控制；海水濃縮比約為1.43。對比圖4中，在濃縮比為1.43時，大約為95℃時硫酸鈣才開始析出。故第一效硫酸鈣垢結垢嚴重與主體運行溫度無直接關系，與海水中硫酸根含量有關。

4.4 不凝有害氣體對銅管產生腐蝕

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

5 解決結垢及腐蝕問題的應對措施

5.1 設備清洗

四套蒸發器系統結垢垢質均不同，每一套區域嚴重程度亦不同。清洗中針對實際情況復合采用的立體洗、交叉反復、局部環繞加強洗等多種清洗機制，建立的新作業規范，洗下垢快速移出，洗凈終點三參數化驗控制，洗后現場快速恢復設備等等都大幅度縮短工期，實現最大化除垢。

第一效作為二次蒸汽的發生源結垢嚴重，必須優先解決第一效結垢問題。結合前期清洗中遇到的問題，清洗采取向先切管再清洗的方式，將全部堵死的管束先進行切割，以保證清洗藥液的有效循環，進一步提升清洗效果。

(a)第一效換熱管采用酸洗+中性洗的化學清洗方式。

圖4 海水濃縮過程硫酸鈣的溶解范圍

圖5 清洗過程數據趨勢圖

通過對清洗過程采樣數據的分析（見圖5），確保清洗液pH值保持在1～2之間，通過監測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后基本達到最大值并維持在約100 mg/L左右。

(b)第2～7效采用化學與物理相結合的清洗方式，利用化學溶解的方法，清除換熱管表面所附著的水垢及腐蝕產物。向蒸發器前7效內注入除鹽水，達到循環量1130 m3后，啟動清洗循環泵，開始循環清洗系統，待壓力穩定后，開始加藥。

因清洗采用的清洗劑不可避免的會對金屬產生一定的腐蝕作用，在清洗前加入銅緩、302緩蝕劑進行緩蝕處理，減少清洗劑對設備的損害。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合型有機酸類清洗劑，清洗機理主要為通過清洗劑與無機鹽、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，使溶液中鈣離子驟降為0，繼而與換熱管上鈣垢進行反應，從而實現洗脫。

經過酸洗處理后，管外側污垢脫落物質，沉積到設備底槽內，形成3～5cm厚的淤泥層，經人工清淤運出。

(c)末效凝汽器鈦管采用化學浸泡并打循環的方法進行清洗。將末效進出口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，建立一個滿水循環，然后向循環罐中加入銅緩蝕劑，打入末效蒸發器，緩蝕處理30 min后加入鹽酸。清洗7 h結束后打開凝汽器檢查，凝汽器換熱管清洗徹底。

經過化學清洗去除了附著在管壁上的致密污垢層，蒸發器投入運行后，各項參數均達到設計水平，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大面積泄露，熱源將會大大損失，從而直接影響產水量。大多數檢修時都是發現換熱管泄露后進行封堵，封堵過多勢必會影響換熱效果，當堵管數量超過5%時，就應徹底更換，將二次流通箱的銅管全部更換為鈦管，更換后，在沒有出現過腐蝕的問題，延長了換熱管的使用壽命。

6 取得的效果

該公司結合歷次檢修經驗，解決了低溫多效海水淡化蒸發器換熱管結垢及腐蝕的難題，通過設備清洗，解決了換熱管的結垢問題，換熱效率大大提升；通過將銅管更換為鈦管，徹底解決了換熱管腐蝕的問題，延長了設備的使用壽命，使蒸發器的產水量得到大幅提升，產水量恢復到了原設計水平，為公司的節能降耗做出了巨大貢獻。

（1）檢修前蒸餾水產水450 t/h，檢修后蒸餾水產水510 t/h，提高了60 t/h，見圖6。

（2）檢修前冷凝水產水70 t/h，檢修后冷凝水產水90 t/h，提高了20 t/h，見圖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