聶 鑫，田 利

（1.神華河北國華滄東發(fā)電有限責(zé)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(fā)溫度低于70℃的多效蒸餾海水淡化技術(shù)，其特征是將一系列的水平管降膜蒸發(fā)器或垂直管降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來，輸入一定量的蒸汽，通過多次的蒸發(fā)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(shù)，工藝流程見圖1。盡管LT－MED低于70℃的運(yùn)行溫度大大降低了海水淡化裝置的結(jié)垢機(jī)率，但由于蒸發(fā)與換熱是在蒸發(fā)器換熱管外同時進(jìn)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(jié)垢會使海水淡化裝置的傳熱狀態(tài)惡化、管路堵塞和引起金屬腐蝕，因此，定期進(jìn)行蒸發(fā)器酸洗是海水淡化裝置除垢的必要措施。在我國，陸續(xù)有大型低溫多效蒸餾海水淡化裝置投入使用，但在蒸發(fā)器酸洗過程中，均面臨著金屬種類多、垢成分復(fù)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(shù)難點(diǎn)，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(guān)標(biāo)準(zhǔn)及成熟經(jīng)驗(yàn)。

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(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)抽汽作為汽源，采用低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)制造淡水，最大程度地降低了火電廠的冷源損失，與火電機(jī)組配套建設(shè)海水淡化形成“水電聯(lián)產(chǎn)”的工程模式。投產(chǎn)于2006年的1號海水淡化裝置，設(shè)計日產(chǎn)量為淡水1萬噸，設(shè)計造水比8.33，裝置采用四效水平管降膜蒸發(fā)器。投產(chǎn)至今，受蒸發(fā)器換熱管束局部結(jié)垢和海水預(yù)處理藥劑污染的影響，裝置的制水能力和制水效率均出現(xiàn)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(shù)瓶頸，電廠與某熱工研究院合作，參照《火力發(fā)電廠凝汽器化學(xué)清洗及成膜導(dǎo)則》等電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)基礎(chǔ)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(shí)施了現(xiàn)場酸洗。

2 酸洗工藝

2.1 酸洗范圍和條件

對海淡設(shè)備進(jìn)行酸洗的范圍，包括蒸發(fā)器鹽水側(cè)的換熱管、換熱管管板和蒸發(fā)器內(nèi)壁，換熱管的材質(zhì)分別為鈦合金和銅鋁合金，換熱管管板和蒸發(fā)器內(nèi)壁的材質(zhì)為316L不銹鋼，酸洗范圍內(nèi)沒有奧氏體不銹鋼。當(dāng)海淡設(shè)備內(nèi)的海水溫度高于15℃時，即可對蒸發(fā)器鹽水側(cè)進(jìn)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(zhì)

2.2 酸洗介質(zhì)

選用的酸洗介質(zhì)為33%的工業(yè)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(huán)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(fā)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(xiàn)有管道，使酸洗液在鹽水泵驅(qū)動下，循環(huán)往復(fù)地在蒸發(fā)器的內(nèi)部和外部不停地流動（冷態(tài)循環(huán)），始終保持酸洗液對蒸發(fā)器換熱管外壁進(jìn)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(tài)循環(huán)進(jìn)行金屬防腐；第二步將鹽酸注入物料海水中，利用冷態(tài)循環(huán)進(jìn)行系統(tǒng)除垢；第三步加入異VC鈉，還原酸洗中產(chǎn)生的Fe3＋以防止銅腐蝕；第四步向蒸發(fā)器內(nèi)噴入新鮮海水進(jìn)行水沖洗，稀釋酸洗液的同時進(jìn)行金屬自然鈍化；第五步是體外加堿對酸洗廢液進(jìn)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(nèi)分別加入銅、鋼緩蝕劑各500kg，用工業(yè)水稀釋后，利用注射泵注入酸洗回路，啟動冷態(tài)循環(huán)對蒸發(fā)器鹽水側(cè)金屬進(jìn)行噴淋和沖洗，采樣并化驗(yàn)緩蝕劑在整個循環(huán)溶液中的含量，通過調(diào)整工業(yè)用淡水的加入量來控制緩蝕劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%，目的是兼顧蒸發(fā)器內(nèi)各種材質(zhì)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(fēng)險。

冷態(tài)循環(huán)的同時，打開蒸發(fā)器1～4效人孔門，向循環(huán)溶液中加入20kg消泡劑進(jìn)行消泡和抑泡處理，使蒸發(fā)器內(nèi)無明顯泡沫產(chǎn)生。整個加藥和冷態(tài)循環(huán)過程約持續(xù)30min。

3.2 系統(tǒng)進(jìn)酸

打開蒸發(fā)器1～4效人孔門進(jìn)行自然通風(fēng)，重新啟動冷態(tài)循環(huán)，首次向溶藥箱內(nèi)加入鹽酸原液2000L，用工業(yè)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(gòu)造，使換熱管附著的原始垢量無法準(zhǔn)確測算，因此在進(jìn)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(jù)酸洗液pH值和垢溶解趨勢，及時調(diào)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(tài)和動態(tài)緩蝕性能試驗(yàn)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(tǒng)進(jìn)酸期間酸洗液pH值變化曲線圖

從圖3可見，系統(tǒng)進(jìn)酸過程中酸洗液pH值呈規(guī)律性變化。首次進(jìn)酸2000L后的15min內(nèi)，酸洗液pH值由8.0驟降至1.08，然后自行升至3.95；第80min補(bǔ)酸1600L后，酸洗液pH值降至1.01；第90min補(bǔ)酸2000L后，酸洗液pH值降至最低0.8，然后逐漸升高；第250min補(bǔ)酸1100L后，酸洗液pH值降至0.9；從第290min開始，酸洗液pH值穩(wěn)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(xiàn)的弱堿性迅速變?yōu)樗嵝?，系統(tǒng)進(jìn)酸初期，因除垢化學(xué)反應(yīng)迅速而酸液被大量消耗；后續(xù)三次補(bǔ)酸前后酸洗液pH值變化曲線的波動，說明除垢反應(yīng)仍在持續(xù)；最后酸洗液pH值變化趨勢變緩直至長時間穩(wěn)定在0.9～1.1，說明除垢反應(yīng)結(jié)束而酸液基本沒有被消耗，此時酸洗也到達(dá)終點(diǎn)。整個系統(tǒng)進(jìn)酸過程持續(xù)時間近4h，期間共計加入鹽酸7.8t。

3.3 加入異VC鈉

相關(guān)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指出氧化性物質(zhì)Fe3＋對酸洗腐蝕速率影響較大［1］。靜態(tài)和動態(tài)緩蝕性能試驗(yàn)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(diǎn)蝕或條蝕，酸洗液中加入異VC鈉這種還原劑能在短時間內(nèi)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(fā)生”。

圖4 系統(tǒng)進(jìn)酸期間酸洗液Fe3＋含量變化曲線圖

這次對海淡設(shè)備的酸洗中，進(jìn)酸初期酸洗液顏色呈現(xiàn)深紅色，此時保持系統(tǒng)冷態(tài)循環(huán)，通過蒸發(fā)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(tǒng)進(jìn)酸10min后，酸洗液Fe3＋含量急劇升高至200mg／L，表明除垢反應(yīng)迅速進(jìn)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(dá)到峰值（260mg／L），隨即出現(xiàn)下降拐點(diǎn)。酸洗終點(diǎn)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(fā)器換熱管上附有大量的FeCl3等海水預(yù)處理藥劑，在系統(tǒng)進(jìn)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(zhǔn)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(dá)到最佳的還原效果。

3.4 沖洗及鈍化

酸洗到達(dá)終點(diǎn)后排盡酸洗廢液，立即向蒸發(fā)器內(nèi)噴入新鮮海水，對換熱管進(jìn)行大流量的開式?jīng)_洗，所有沖洗水通過鹽水泵排出，直至沖洗出水與進(jìn)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(fā)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(yōu)良的自鈍化特性，參照相關(guān)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國外廠商的設(shè)備維護(hù)資料［2，3］，本次酸洗后蒸發(fā)器鹽水側(cè)所有金屬不進(jìn)行成膜而直接投運(yùn)，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(nèi)工業(yè)廢水處理站進(jìn)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(fā)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(jié)垢并且被紅色三價鐵的的海水預(yù)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(jù)酸洗前后酸洗液中成垢離子含量變化（見表1數(shù)據(jù)），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(nèi)腐蝕指示片和試驗(yàn)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(yàn)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(shù)據(jù)均優(yōu)于電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［2］。

4.4 運(yùn)行參數(shù)

1號海水淡化裝置酸洗后，各效間溫差和設(shè)備出力均在設(shè)計范圍內(nèi)，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(shè)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(jié) 語

5.1 鹽酸加海水的酸洗工藝應(yīng)用于大型低溫多效蒸餾海水淡化裝置后取得了預(yù)期效果，清洗質(zhì)量優(yōu)于電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 及時采樣和化驗(yàn)是保證海水淡化裝置酸洗順利進(jìn)行的有效手段，由于蒸發(fā)器內(nèi)原始垢量無法準(zhǔn)確測算，因此應(yīng)根據(jù)酸洗液pH值的化驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷調(diào)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(yīng)制訂科學(xué)合理的緩蝕方案，在系統(tǒng)進(jìn)酸前，加入適量鹽酸緩蝕劑進(jìn)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(fā)生。

5.4 在酸洗過程中，應(yīng)全程打開蒸發(fā)器人孔門進(jìn)行自然通風(fēng)，防止酸洗中產(chǎn)生的大量氣體在蒸發(fā)器內(nèi)積聚，保證酸洗操作中的人員及設(shè)備安全。

5.5 此次酸洗中，蒸發(fā)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(zhǔn)備相對不足，在今后的酸洗中，需準(zhǔn)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(tǒng)污染和結(jié)垢較嚴(yán)重的情況下進(jìn)行的，這給酸洗的策劃及實(shí)施均造成了一定的難度，建議今后根據(jù)海水淡化設(shè)備情況，定期（1年或半年）進(jìn)行蒸發(fā)器的酸洗。

［1］陳潔，陳子華.DL／T 794－2001火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則［M］.2001.

［2］楊振乾，張全根，陳潔等.DL／T 957－2005火力發(fā)電廠凝汽器化學(xué)清洗及成膜導(dǎo)則［M］.2005.

［3］Meyer Frederic.Maintenance manuals for Seawater desalination system［M］.SIDEM，F(xiàn)rance.2005.