天然氣加工閉式冷卻塔噴淋循環(huán)水系統(tǒng)清洗除垢方案探討及實施

王順喜，路小虎，王海寧，李亞鵬，王 婧，林坤華

(1.長慶油田(榆林)油氣有限公司，陜西 榆林 719000； 2.長慶油田分公司 伴生氣綜合利用項目部第八項目部， 陜西 西安 710075； 3.長慶油田公司 第八采油廠地質研究所，陜西 西安 718699； 4.成都蘇坤環(huán)保科技有限公司，四川 成都 611534)

敞開式循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水經(jīng)過換熱設備時，帶走熱量，在涼水塔從上向下噴灑而下，冷空氣從下而上，與水接觸，使一部分水蒸發(fā)，將剩下的水冷卻，達到降溫的效果[1]。這種方式的弊端是全年都要使用循環(huán)水，需要用大量的水來進行降溫，耗能、耗水巨大。由于循環(huán)水和大氣直接接觸，環(huán)境的粉塵等雜質進入水中，并通過循環(huán)系統(tǒng)，帶到系統(tǒng)的換熱器中，造成所在部位的結垢和腐蝕，帶來極大的安全隱患[1]。采用閉式空冷系統(tǒng)是解決這一問題的有效措施之一。閉式空冷系統(tǒng)由閉式軟水內循環(huán)和開放式外循環(huán)(噴淋水系統(tǒng))組成。包括2種冷卻方式，冬季氣溫在0 ℃以下時，停止使用外循環(huán)水，通過風機引流，用自然界的冷源將換熱管內的軟水冷卻；當夏季溫度較高時，使用外循環(huán)噴淋水系統(tǒng)，用水蒸發(fā)來帶走熱量，達到降溫目的。和傳統(tǒng)方式相比，節(jié)水效率可達 50%以上[1-2]。

長慶油田(榆林)油氣有限公司設計原料天然氣處理規(guī)模 200×108m3/a，采用密閉式循環(huán)水系統(tǒng)，一共有6臺，24個模塊，設計溫差為8 ℃，內循環(huán)水介質為除鹽水，系統(tǒng)設計壓力0.8 MPa，運行壓力0.6 MPa，循環(huán)水量6 404.6 m3/h，設計規(guī)模7 800 m3/h，系統(tǒng)容積1 600 m3。向工藝裝置區(qū)水冷器、壓縮機電機及變頻器、空氮站空壓機、供熱系統(tǒng)熱媒循環(huán)泵和蒸汽冷凝器等提供循環(huán)冷卻水，以達到對換熱介質進行降溫的目的[3-4]。噴淋系統(tǒng)補水為深井水，鹽含量、硬度、堿度及硫酸根離子濃度較高，在運行的同時不斷蒸發(fā)，循環(huán)水蒸發(fā)帶走熱量的同時，水中的鹽分留在剩余的水中，鹽分的濃度隨著濃縮時間的增加而增加，達到一定程度時，會析出來，附著在換熱管上，嚴重影響換熱效果，導致閉式冷卻塔循環(huán)水溫差達不到設計要求，對生產(chǎn)帶來了不利的影響，嚴重影響裝置的安全平穩(wěn)運行。

本文針對閉式冷卻塔噴淋循環(huán)水系統(tǒng)補水水質、循環(huán)水水質及水垢成分，綜合考慮閉式冷卻塔結構及現(xiàn)場施工條件等因素，對清洗除垢的方案進行了探討，確定清洗除垢方案為：“堿性置換—酸性溶解”為主，高壓射流水清洗為輔。通過現(xiàn)場實施，填料上的水垢清除率達到95%以上，盤管上的水垢去除率達到85%以上，循環(huán)水溫差由4.6 ℃提高到了7.4 ℃，溫差提升幅度達到60.8%，達到了設計溫差92.5%，達到了預期的清洗效果。

1 設計參數(shù)

閉式冷卻塔設計參數(shù)見表1，其中內循環(huán)補水為軟水，噴淋循環(huán)水系統(tǒng)補水為深井水。

表1 閉式冷卻塔設計參數(shù)Tab.1 Design parameters of closed cooling tower

2 水質分析數(shù)據(jù)

閉式冷卻塔內循環(huán)及噴淋循環(huán)水系統(tǒng)水質分析數(shù)據(jù)見表2。由上述分析數(shù)據(jù)可以看出，外循環(huán)水系統(tǒng)，水質相對較差，濃縮倍數(shù)約為30倍，鈣離子+堿度為1 540 mg/L，超出國家標準要求的小于1 100 mg/L，結垢趨勢明顯，硫酸根+氯離子為8 240 mg/L，超出國家標準3倍[5]。循環(huán)水系統(tǒng)硫酸鈣和碳酸鈣結垢趨勢明顯。另外，從水質分析數(shù)據(jù)來看，鈣離子和硫酸根離子濃度和濃縮倍數(shù)不成比例，說明系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了硫酸鈣和碳酸鈣結垢的現(xiàn)象。

3 水垢分析數(shù)據(jù)

閉式冷卻塔噴淋循環(huán)水系統(tǒng)盤管及填料上水垢的成分分析數(shù)據(jù)如下：①550 ℃灼燒失重3.91%，F(xiàn)e2O3為1.85%；②950 ℃灼燒失重7.25%，Al2O3為0.19%；③酸不溶物為11.33%，P2O5未檢出；④CaO為28.3%；ZnO為0.11%；⑤MgO為5.80%；SO3為41.26%。

表2 閉式冷卻塔水質分析數(shù)據(jù)Tab.2 Water quality analysis data of closed cooling tower

由上述分析結果來看：550 ℃時，為3.91%，此部分主要為有機物、生物黏泥等物質，說明系統(tǒng)存在有微生物及藻類的繁殖；950 ℃時，灼燒失重為7.25%，該部分失重主要是垢樣中的碳酸鹽分解為CO2，CO2含量可以表示為垢樣中碳酸鈣的含量；酸不溶物含量為11.33%，該部分主要為泥沙及機械雜質等物質；SO3含量為41.26%，說明存在較多的硫酸鈣垢。從以上數(shù)據(jù)可以看出，垢樣的主要成分為硫酸鈣，另外含有少量碳酸鈣及泥沙。

4 清洗除垢方案

4.1 現(xiàn)場施工條件

綜合上述水質及水垢成分分析，可以判斷水垢的主要成分為硫酸鈣，在清洗方案制定的時候需重點考慮如何快速有效地去除硫酸鈣垢，且需要考慮以下幾個因素。

(1)閉式冷卻塔盤管為鍍鋅管，設備主體材質為熱浸鍍鋅板，清洗過程如何降低設備的腐蝕，尤其是鍍鋅層的保護。

(2)閉式冷卻塔PVC填料縫隙中結滿水垢，外側幾乎不過水，填料寬度約為1 m，高度約為3 m，填料之間的間隙約為1.5 cm，清洗液及清洗藥劑無法到達此區(qū)域。

(3)換熱盤管分為2層，最上面一層裸露面積較大，便于用高壓射流水進行清除，但中下部盤管幾乎沒有操作空間。

(4)生產(chǎn)裝置處于運行狀態(tài)，閉式冷卻塔不能長期停運，因此，清洗的時間不能太長。

4.2 方案的選擇

4.2.1 藥劑清洗方案

硫酸鈣垢不同于碳酸鈣垢，采用常規(guī)的酸性清洗方案[6-7]，由于硫酸鈣溶解速度較慢，通過加入酸性清洗劑、螯合劑和分散劑后，當清洗液中硫酸根和鈣離子達到6 000 mg/L以后，硫酸鈣已經(jīng)達到飽和，無法繼續(xù)溶解，需要換水后再次加藥清洗。產(chǎn)生的廢液量較大，藥劑消耗量大，清洗成本較高，且清洗液無法接觸的區(qū)域達不到預期的清洗效果。

4.2.2 物理清洗方案

高壓水射流清洗可以有效清除管束及填料上的水垢，清除較為徹底。但對于中下部盤管及填料內部的水垢則無法清除。該方案的優(yōu)點為幾乎不產(chǎn)生清洗廢液，清理出來的水垢主要為硫酸鈣及酸不溶物，可以作為普通固廢處理。

4.2.3 優(yōu)化清洗方案

對上述2種方案均在現(xiàn)場開展了清洗試驗工作，2種方案的優(yōu)點和缺點較為明顯。通過總結2種方案在清洗過程中的利弊，并結合現(xiàn)場施工條件，對清洗方案進行了優(yōu)化，優(yōu)化流程如下。清洗除垢流程：人工除垢→高壓射流水除垢→殺菌剝離→藥劑清洗除垢。①人工除垢：主要清除PVC填料及集水池水垢，改善填料通暢性；②高壓射流水除垢：主要清除盤管表面的刺狀晶體垢和肉眼可見的水垢；③殺菌剝離：通過殺菌剝離劑及浸潤劑的作用，將系統(tǒng)中的殘留水垢、泥砂及機械雜質帶出系統(tǒng)；④藥劑清洗除垢：主要清除中下部盤管表面的水垢及高壓射流水無法觸及的區(qū)域，通過堿性置換—酸性溶解的方法將其溶解。通過實驗室清洗試驗充分論證了該方案的可行性后，在現(xiàn)場進行了實施。

5 清洗除垢實施

5.1 人工清垢

填料上水垢較為多，外側多為泥沙、硫酸鈣及碳酸鈣，內側多為硫酸鈣和碳酸鈣。單套噴淋塔填料中人工清理出來的水垢約為2 t，結垢十分嚴重。通過人工的方式進行清理，可以有效清除水垢且不損傷填料，為后期藥劑清洗創(chuàng)造了良好的過水條件，清理前后對比如圖1所示。

圖1 填料人工清理水垢前后對比Fig.1 Comparison before and after artificial cleaning with filler

5.2 高壓射流水除垢

換熱盤管上水垢較多，上半部分管束換熱界面溫度相對較低，且噴淋水水流的沖刷，流速較快，水垢較為疏松，且多為顆粒狀，通過高壓水流極易清理。但底部管束，由于換熱界面溫度相對較高，且底部管束噴淋水水流流速較慢，水垢較為致密，多為致密片狀，厚度2～3 mm。再加之下端操作空間有限，高壓射流清洗難度相對較大。考慮到上述情況，選擇壓力為0～120 MPa的高壓水射流清洗機，槍頭選擇可360°旋轉的槍頭，可以對管束上端、下端、左邊、右邊進行立體全方位清洗。清除前后管束表面變化情況如圖2所示。

圖2 換熱盤管高壓射流水除垢前后對比Fig.2 Comparison before and after descaling by high-pressure jet water of heat exchanger coil

由圖2可以看出，通過高壓射流水除垢后，上述換熱盤管表面的水垢清除較為干凈，裸露出金屬本體顏色。下部分管束水垢明顯變薄，局部露出金屬本體顏色。

5.3 殺菌剝離

通過人工清垢和高壓射流水除垢后，大部分肉眼可見的水垢已經(jīng)清除完畢，通過投加殺菌剝離劑和浸潤劑，進行殺菌剝離，已經(jīng)松動或者已經(jīng)脫落的細小水垢隨水流帶出系統(tǒng)，通過殺菌剝離后清池，進行徹底清除。殺菌剝離過程如圖3所示。

圖3 殺菌剝離過程圖片F(xiàn)ig.3 Images of sterilization and stripping process

由圖3可以看出，殺菌剝離后，大量的細小垢片及細渣被剝離帶到集水池，通過人工進行清除。

5.4 藥劑清洗除垢

經(jīng)過上述操作后，噴淋循環(huán)水系統(tǒng)中的水垢大部分被清理干凈，還有少部分沉積在換熱盤管上，以及閉式冷卻塔的死角區(qū)域，此部分水垢通過“堿性置換-酸性溶解”的方法將其徹底清理干凈。

堿性置換：采用堿性清洗劑SK-507A，配合清洗螯合劑SK-504及清洗分散劑SK-505。

酸性溶解：采用酸性清洗劑SK-507A和清洗緩蝕劑SK-502，配合清洗分散劑SK-505。

清洗緩蝕劑降低清洗過程對設備的腐蝕，清洗分散劑提高Ca(NH2SO3)2溶解度，避免二次沉積。藥劑清洗除垢過程如圖4所示。

由圖4可以看出“堿性置換”過程會有大量白色晶體狀顆粒物質產(chǎn)生，清池后進行“酸性溶解”，有大量水垢被清除出來沉積到集水池中。通過堿性置換，產(chǎn)生部分碳酸鈣后，改變了水垢的晶體結構，使其變得相對較為疏松。在酸性溶解過程中，可溶的碳酸鈣被溶解后，疏松的硫酸鈣隨水流作用從換熱盤管上脫落，重復操作幾個周期可以提高水垢的去除效果。清洗結束后，20號碳鋼掛片平均腐蝕率按HG/T 3778—2005《冷卻水系統(tǒng)化學清洗、預膜處理技術規(guī)則要求》進行處理計算，得到碳鋼的平均腐蝕率為0.012 5 g/(m2·h)，由于標準要求腐蝕率小于3 g/(m2·h)，說明整個清洗過程對設備的腐蝕完全在可接受范圍內。

圖4 堿性置換—酸性溶解除垢過程圖片F(xiàn)ig.4 Images of alkaline replacement-acid dissolution descaling process

5.5 除垢效果

通過上述除垢操作后，水垢較難清除的底部換熱盤管大部分可見金屬本體顏色，水垢有明顯脫落及變薄的跡象。經(jīng)過清洗除垢后，閉式冷卻塔的換熱效率得到了明顯的提升，內循環(huán)進出口溫差從原來的4.6 ℃提高至7.4 ℃，如圖5所示。

圖5 經(jīng)過全流程清洗除垢后換熱盤管水垢清除情況Fig.5 Scale removal of heat exchanger coil after whole process cleaning

6 結論

閉式冷卻塔具有節(jié)水、節(jié)能、運行維護簡單等眾多優(yōu)點，在石油煉化領域得到了廣泛的應用。但由于閉式冷卻塔的蒸發(fā)速度較快，水質濃縮較快，噴淋循環(huán)水系統(tǒng)結垢風險較大。一旦出現(xiàn)結垢，處理不及時極易造成結垢進一步惡化，嚴重時影響生產(chǎn)裝置的正常運行。本文通過試驗驗證了閉式冷卻塔硫酸鈣垢的清洗去除方法，通過“堿性置換—酸性溶解”的方法，配合高壓射流水清洗除垢，可以快速高效地清除閉式冷卻塔換熱盤管上較難清除的水垢，且碳鋼腐蝕率僅為0.012 5 g/(m2·h)，符合國家標準相關要求。本清洗除垢方案作為一種被動的處理方法，可以解決已經(jīng)出現(xiàn)結垢的問題，要從根本上解決閉式冷卻塔噴淋循環(huán)水系統(tǒng)結垢問題，還需要從水質運行管理著手，進行有效的水質穩(wěn)定處理，盡可能緩解或者避免噴淋循環(huán)水系統(tǒng)出現(xiàn)結垢的問題。