異型坯循環水系統中板式熱交換器在線化學清洗方案

張長生 謝寶俊

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司能源管控中心；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

馬鋼長材事業部有2臺異型坯鑄機(3#、4#連鑄機)承擔中、小型H型鋼鑄坯的生產任務。連鑄機的結晶器冷卻用水采用軟水循環，設有5臺板式換熱器、安全高位水箱及冷媒水系統等。原軟水系統采用閉路軟水循環方式，后因冷媒水側黏泥與結垢影響換熱，導致水溫過高影響連鑄機生產，為此，在2006年對軟水系統增設了2臺1 000 m3/h冷卻塔，進行夏季應急旁路冷卻(一般在夏季7—9月使用)[1-3]。雖緩解了夏季水溫的影響，但卻給軟水系統帶來了黏泥增多與結垢加速問題，以至于在冷卻塔停運時，軟水溫度無法有效降低，嚴重制約了春、秋季節正常生產，同時軟水循環系統長時間開路，易對結晶器表面產生結垢與黑斑，造成漏鋼事故頻繁發生。為確保系統正常運行，常采用人工方式對換熱器進行解體清洗[4-5]。由于換熱片及密封墊多，加之黏泥垢量大及進口設備安裝精度要求高，使得每次清洗1臺異型坯鑄機需要5～6 d/3人，而每次清洗后僅能保持2個月左右，每年需要清洗4～5次，極大耗費了人力資源與成本，同時經常拆卸，也容易造成漏水。因此，為確保3#、4#機正常生產，降低人力成本，節約維修費用，本研究設計了板式換熱器在線化學清洗方案。

1 系統運行參數及工藝流程

1.1 系統運行參數

(1)軟水循環系統參數。工藝參數：循環水量Q1 950 m3/h，壓力P1.0 MPa，溫度t<35 ℃，溫差<15 ℃；水質指標：濁度<5 mg/L，鈣硬度<5 mg/L，鉬酸根含量35～50 mg/L，生物黏泥含量<1 mL/ m3，碳鋼腐蝕率<0.1 mm/a，銅、不銹鋼腐蝕率<0.005 mm/a。

(2)冷媒水循環系統參數。工藝參數： 循環水量Q2 400 m3/h，壓力P0.44 MPa，溫度t<35 ℃，溫差<15 ℃；水質指標：濁度<15 mg/L，總磷4～8 mg/L。

(3)板式熱交換器。系統共有5臺美國APV公司板式換熱器(編號分別為1#～5#)，不銹鋼材質。其中，1#～3#板式熱交換器型號為TR9GN、面積283.2 m2，水量500 m3/(h·臺)；4#、5#板式熱交換器型號為J092-MGS-16/6，面積392.45 m2，流量720 m3/(h·臺)。

(4)冷卻塔。系統設置有2臺1 000 m3/h冷卻塔，用于冷媒水冷卻。

1.2 系統工藝流程

異型坯軟水、冷媒水工藝流程如圖1所示。

2 清洗方案

2.1 污垢產生原因與危害

(1)原因。①軟水和冷媒水在循環使用時，水中的鈣鎂碳酸鹽遇熱后分解為碳酸鈣、氫氧化鎂等沉積物以及大量生物黏泥附著于板式換熱器的翅片上，形成水垢與污垢，部分懸浮于循環水中，沉積于流速較低的受熱面上，形成二次水垢[6]；②循環水中的異養菌與水中懸浮物形成黏泥附著物，黏結于受熱較大的換熱器面上，影響板式換熱器的換熱效果；③在夏季由于氣溫高，為保證正常生產，軟水應急冷卻塔投入運行，將空氣中的灰塵與細菌帶入水中，加速了水垢形成。

圖1 異型坯軟水、冷媒水工藝流程

(2)危害。①熱交換器結垢嚴重時，直接導致熱交換效率大幅下降，致使系統通過增大循環水量來維持生產，使得泵的負載率上升，耗電量增大，換熱效果下降，軟水側溫度升高；②熱交換器結垢特別嚴重時，板片間通道阻塞，垢下腐蝕加重，也會造成管路腐蝕損壞，甚至報廢。因此，從降能節耗、提高設備的使用效率角度考慮，為有效排除設備運行隱患、延長設備使用壽命，有必要定期對熱交換器進行清洗除垢處理。

2.2 方案設計

在每臺板式換熱器安裝清洗供水管、閥及排水管、閥(圖2)，利用現有設施建立1套循環清洗系統(Q=400 m3/h、P=1.0 MPa或根據單臺換熱器流量進行同比例配置水泵)，逐臺進行沖洗、酸洗、堿洗、清洗及鈍化處理，以溶解、剝離生物黏泥、清除污垢。酸洗液成分為甲酸 (或其他有機酸的混合物)(81.0%)、水 (17.0%)、緩沖劑(1.2%)以及表面活性劑(0.8%)，主要用于溶解、剝離生物黏泥、清除污垢。堿洗液由NaOH、Na3PO4、軟化水按2∶4∶4比例配制，主要使得清洗后的系統在進行較長時間置換水的時間段內，使較低的系統pH值得到緩沖，緩解活化的金屬表面再次出現浮銹的趨勢，防止清洗下的鐵銹等雜質再次發生沉積。清洗流程為水沖洗—酸清洗—堿洗清洗—中和—水沖洗(大水量)。為節省清洗時間，清洗時可將除剝離、除垢清洗2個過程合并為1個過程完成，該階段清洗為關鍵階段，直接關系最終的清洗質量。清洗技術要求為[7]：①沖冼，酸洗前，需對換熱器進行開式水沖洗，既能提高酸洗效果，又可降低酸洗耗酸量；②酸洗，先將酸洗液置入循環水箱，再注滿換熱器，靜態浸泡2 h，最后連續動態循環3～4 h，期間先對軟水側清洗，后對冷媒水側清洗，酸洗完畢后，應將酸洗液稀釋中和后排放；③堿洗，酸洗完畢后，用 NaOH、Na3PO4、軟化水按一定比例配制好，利用動態循環方式對換熱器進行堿洗，達到酸堿中和，使得換熱器板片不再被腐蝕；④水洗，堿洗完畢后，用清潔的軟化水反復對換熱器進行沖洗0.5 h，將換熱器內的殘渣徹底沖洗干凈。為保證清洗劑的濃度，在循環過程中，每隔1 h 應檢測1次清洗槽內清洗劑的濃度，使得清洗劑的濃度始終保持在110～115 mol/L安全有效范圍內，必要時需添加清洗劑，同時在清洗過程中需對清洗液進行pH、濁度(或懸浮物)總鐵、濃度檢測。

圖2 1#板式交換器閥門設置示意

圖2中各閥門的狀態為：①正常工作時，閥門F11、F12、F13、F14處于關閉狀態，冷媒水系統投入運行時，閥門F1C、F1D處于開啟狀態；軟水系統正常運行時，閥門F1A、F1B處于開啟狀態；②冷媒水側清洗時，冷媒水、軟水進出水閥門F1C、F1D、F1A、F1B處于關閉狀態，清洗水系統投入運行時，冷媒水側清洗閥門F12、F14處于開啟狀態，軟水側清洗閥門F11、F13處于關閉狀態；③軟水側清洗時，冷媒水、軟水進出水閥門F1C、F1D、 F1A、F1B處于關閉狀態，清洗水系統投入運行時，軟水側清洗閥門F11、F13處于開啟狀態，冷媒水側清洗閥門F12、F14處于關閉狀態。

3 清洗效果

本研究以1#板式熱交換器為例，對清洗效果進行分析。清洗后，1#板式熱交換器冷媒水進水溫度為26 ℃，冷媒水出水溫度為28 ℃，軟水進水溫度為34 ℃，軟水出水溫度為29 ℃。結合圖3、圖4分析可知：清洗效果較好，達到了預期。為進一步驗證清洗效果，將1#板式換熱器解體拆開觀察分析，發現軟水側清洗得非常干凈，不銹鋼板面已經全部裸露出，冷媒水側污垢也已經基本被清除(圖5)。

圖3 冷媒水側堿洗后清洗水箱中的污垢

圖4 軟水側堿洗后清洗水箱中的污垢

圖5 清洗后的1#板式熱換熱器板片

4 結 語

設計了馬鋼長材事業部2臺異型坯鑄機板式熱交換器在線化學清理方案，現場實踐表明，效果較好，對于類似設備高效清洗有一定的參考價值。