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        低溫多效海水淡化裝置中污垢的形成

        2013-09-01 02:12:00宋雪峰李夢學(xué)
        黑龍江電力 2013年4期
        關(guān)鍵詞:文石洗劑污垢

        歐 佳,宋雪峰,李夢學(xué)

        (天津國投津能發(fā)電有限公司,天津 300480)

        海水淡化作為水源水,是解決水危機(jī)的一條非常有效且極具發(fā)展前景的途徑[1-2]。目前,海水淡化技術(shù)處于起步階段,主要有膜法和熱法兩大類。膜法主要包括反滲透和電滲析等方法(本文不進(jìn)行討論);熱法主要包括多級閃蒸、多效蒸發(fā)和蒸汽壓縮等方法[3-6]。而熱法在換熱面極易產(chǎn)生污垢現(xiàn)象,換熱器中的污垢是指在與流體相接觸的換熱面上沉積的一層固態(tài)物質(zhì),這種物質(zhì)會使換熱設(shè)備的傳熱能力大大降低,介質(zhì)流動阻力大大增加,不但增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失,而且降低了設(shè)備的安全性能[7]。因此,為了有效地去除這種污垢和了解形成污垢的過程,本文通過模擬低溫多效海水淡化裝置中第一效的運(yùn)行工況(實(shí)際運(yùn)行中,污垢在第一效蒸發(fā)器顯現(xiàn)最為嚴(yán)重),以現(xiàn)場運(yùn)行的海水為研究對象,采用X射線相解析(XRD)、掃描電鏡(SEM)和涂層測厚技術(shù),對其進(jìn)行了具體研究。

        1 實(shí)驗(yàn)方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

        實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由效體段、冷凝段、干燥段和抽真空段4部分組成,如圖1所示。效體段以恒溫水在管道內(nèi)循環(huán),溫度儀與恒溫水箱加熱裝置聯(lián)鎖,以自動實(shí)現(xiàn)進(jìn)入管道內(nèi)的水溫與蒸汽溫度相同;海水進(jìn)水流速與生產(chǎn)中的流速一致,2.2 m/s。冷凝段用于將效體段抽出的水蒸氣冷凝為液態(tài)水,由循環(huán)冷卻裝置和冷凝器組成。干燥段是由填充無水氯化鈣的干燥塔和淡化水出水調(diào)節(jié)閥組成。抽真空段由真空泵和調(diào)節(jié)閥組成,用于抽真空,使效體段內(nèi)部的真空值與生產(chǎn)運(yùn)行中的真空值一致,調(diào)節(jié)閥用于對效體段的真空度進(jìn)行調(diào)整。

        圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

        1.2 實(shí)驗(yàn)原理

        模擬生產(chǎn)中海水淡化第一效蒸發(fā)器裝置,效體段內(nèi)換熱管為10根內(nèi)徑25 mm,壁厚0.5 mm長2 000 mm的鈦鋼管。實(shí)驗(yàn)開始后,每隔設(shè)定的時間,取出一根鈦鋼管,用涂層測厚儀對鈦鋼表面的垢層厚度進(jìn)行檢測;用掃描電鏡(SU-70,日本日立)對污垢進(jìn)行表面形貌觀察,以區(qū)分不同析出條件下的外觀特征;用X射線射線儀(XD-D1,日本島津)進(jìn)行X射線分析,以區(qū)分相分組成。用酸洗的方法,對鈦鋼管表面的碳酸鈣污垢進(jìn)行清洗。

        1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

        某電廠海水淡化設(shè)備運(yùn)行時,一般采取蒸汽品位相對較低的六抽蒸汽,運(yùn)行的各種參數(shù)及出力具有可調(diào)節(jié)性,具體參數(shù)如表1所示。

        表1 海淡設(shè)備首效運(yùn)行參數(shù)

        本實(shí)驗(yàn)采用比較接近運(yùn)行平均值的參數(shù),如表2所示。

        表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)

        進(jìn)料海水主要鹽類組成如表3所示。

        表3 進(jìn)料海水主要鹽類組成

        由表3可見,海水中含有豐富的化學(xué)資源,但其巨量的鈣鎂離子所形成的碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯化物等導(dǎo)致海水具有很高的硬度,淡化過程中極易生成污垢。碳酸鈣垢與硫酸鈣垢是最常見的兩種污垢。本實(shí)驗(yàn)通過對設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的污垢滴加稀鹽酸,發(fā)現(xiàn)污垢溶解且有微小氣泡產(chǎn)生,經(jīng)測試,確定為碳酸鈣污垢,這與文獻(xiàn)中85℃以下形成碳酸鈣垢的傾向大的結(jié)論相符[8]。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

        2.1 海水淡化設(shè)備CaCO3污垢形成規(guī)律探索

        污垢形成規(guī)律實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了兩組,每組的區(qū)別在于取出鈦鋼管的間隔時間不同。第一組每隔24 h取出一根鈦鋼管,共計(jì)時間216 h,具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

        圖2 CaCO3污垢厚度時間變化圖

        由圖2分析知,前75 h的時,鈦鋼管表面CaCO3污垢一直保持增長狀態(tài);72 h之后,污垢的厚度不在增長,基本維持在580 μm左右,120 h后有略微下降的趨勢。因此,第二組實(shí)驗(yàn)改變?nèi)〕鲡佷摴艿拈g隔時間,每隔10 h取出一根鈦鋼管,共計(jì)100 h,具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

        圖3 CaCO3污垢厚度時間變化圖

        由圖3分析得知,鈦鋼管表面CaCO3污垢隨著時間的推移,厚度在不斷地增加,在第60 h的時候,污垢的厚度達(dá)到了最大值,約為585 μm。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,60 h的時候CaCO3污垢在管壁形成,并達(dá)到一定的厚度,在這之后,厚度基本上維持不變。

        2.2 CaCO3污垢外觀特征分析

        用掃描電鏡對鈦鋼管表面析出的CaCO3污垢進(jìn)行了掃描分析,結(jié)果如圖4所示。

        圖4 CaCO3污垢的SEM形貌

        通過對管道表面的SEM分析,可以直觀的看到污垢顆粒在管道表面的附著情況(見圖4)。實(shí)驗(yàn)條件下,CaCO3在鈦鋼管表面形成的污垢結(jié)構(gòu)較為疏松,或者可以直接說是由大顆粒直接附著了小顆粒形成的垢層。

        2.3 XRD分析

        碳酸鈣污垢常見的晶相有3種:方解石、球霰石和文石。用X射線對析出的CaCO3污垢進(jìn)行衍射,分析污垢的相分組成,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 CaCO3污垢的X射線衍射結(jié)果

        由圖5可以看到,CaCO3污垢的主要晶相為方解石和少量的文石。方解石和文石的相對含量可按如下公式計(jì)算[8]。

        式中:ωa為主峰位于27.1°的斜方晶結(jié)構(gòu)的文石質(zhì)量分?jǐn)?shù),ωb為六方晶結(jié)構(gòu)的主峰在29.7°的方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù),Ia和Ib分別為27.1°和29.7°的衍射強(qiáng)度。

        計(jì)算得出,污垢中方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.17%,文石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.22%。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,污垢中方解石的含量較高。一般情況下方解石在較高的溫度而文石在較低的溫度下形成,理論上在低于75℃、壓力120 mmHg的海水淡化設(shè)備中利于文石的形成,但是文石的性質(zhì)極不穩(wěn)定,極易轉(zhuǎn)變成方解石且不可逆,因此造成了方解石的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文石的含量。方解石遇酸即起泡溶解,這對設(shè)備的酸洗效果極為有利。

        2.4 CaCO3污垢的清洗

        酸洗是去除金屬表面氧化層和污垢的最有效的化學(xué)清洗工序。某電廠通過設(shè)備的產(chǎn)水比對換熱效果進(jìn)行判斷,當(dāng)產(chǎn)水比低于進(jìn)氣量產(chǎn)水比最低限時打開人口門檢查換熱管表面結(jié)垢情況,確定是否需要酸洗。酸洗洗劑采用的是加有含氮化合物緩蝕劑的硫酸酸洗劑;運(yùn)行方式是用工業(yè)水稀釋配置成20%的微酸性(pH為6.2~6.7)水溶液,與海水一起在海水淡化系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)4 h,之后停止酸洗劑加入,用海水進(jìn)行沖洗,排出系統(tǒng)外,從而對管道污垢進(jìn)行清洗。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用相同的硫酸酸洗劑溶液對附著有污垢的鈦鋼管進(jìn)行噴淋沖洗,以此判斷洗劑對污垢的清洗效果。清洗完畢之后,取出鈦鋼管道進(jìn)行觀察,看到管道表面碳酸鈣污垢清洗干凈,無余垢殘存;鈦鋼管表面光潔、平滑無損傷。

        3 結(jié)論

        本實(shí)驗(yàn)通過模擬海水淡化設(shè)備運(yùn)行,對真空壓力為120 mmHg、溫度低于72℃條件下CaCO3污垢的形成進(jìn)行了探索,得出了以下結(jié)論:

        1)鈦鋼管表面的CaCO3污垢隨著時間的推移不斷的析出沉積,到60 h的時候,污垢的厚度達(dá)到了最大值,約為585 μm。

        2)CaCO3在鈦鋼管表面析出的污垢結(jié)構(gòu)疏松,隨著垢層的增加,水力沖擊可能會對垢層的厚度產(chǎn)生影響。

        3)CaCO3污垢的主要晶相為方解石,出現(xiàn)了少量的文石,其相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為方解石68.17%,文石14.22%,方解石晶相對酸洗效果有利。

        4)采用硫酸酸洗劑對鈦鋼管表面CaCO3污垢清洗效果顯著。

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