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新型合金催化體材料在化工廠的應(yīng)用探析

（恩曼自動(dòng)化技術(shù)（上海）有限公司  上海  201906 ）

摘要: 采用循環(huán)冷卻水是工業(yè)企業(yè)的節(jié)約水資源的重要途徑，但循環(huán)水的不斷使用，循環(huán)水的質(zhì)量發(fā)生變化，給循環(huán)水冷卻裝置帶來(lái)嚴(yán)重的結(jié)垢和腐蝕問(wèn)題。企業(yè)不得不對(duì)水冷卻器進(jìn)行清洗、維修、更換，增加了生產(chǎn)成本，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)，他們的發(fā)生和存在給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的危害和損失是十分巨大的，造成了能源的浪費(fèi)，生產(chǎn)效率的減低，設(shè)備的破壞等諸多的不良后果，世界各國(guó)都把污垢和腐蝕問(wèn)題作為急待解決的重要問(wèn)題，開(kāi)展了廣泛的探討。

關(guān)鍵詞：結(jié)垢；冷卻器； 節(jié)能

Application of New Alloy Catalytic Materials in Chemical Plant

       恩曼自動(dòng)化技術(shù)（上海）有限公司

Abstrat: The use of circulating cooling water is an important way for industrial enterprises to save water resources, but the continuous use of circulating water has changed its quality, causing serious scaling and corrosion problems for circulating cooling water devices. Enterprises have no choice but to clean, maintain, and replace water coolers, increasing production costs and seriously affecting normal production. The occurrence and existence of these issues have brought great harm and losses to industrial production, resulting in waste of energy, reduced production efficiency, and damage to equipment. These problems have become a pressing issue worldwide, and extensive research has been carried out.

Key word: Chemical plant;  Scaling;  Cooler;  Save Energy

1、引言

工業(yè)企業(yè)在日常生產(chǎn)中大量使用水為換熱設(shè)備及機(jī)泵等設(shè)備的冷卻介質(zhì)，因循環(huán)水的硬度雜質(zhì)等不同，就不可避免的產(chǎn)生水垢，結(jié)垢使換熱設(shè)備熱傳導(dǎo)工況惡化，傳熱面超溫過(guò)熱，引發(fā)鼓皰、裂紋、爆管等安全事故。由于污垢的傳熱能力極差，設(shè)備傳熱面結(jié)垢后，高溫側(cè)的溫度不能被快速傳導(dǎo)到低溫介質(zhì)中，使傳熱面金屬壁溫度持續(xù)上升并達(dá)到蠕變溫度。當(dāng)金屬壁溫度達(dá)到或超過(guò)蠕變溫度后，金屬的機(jī)械性能（如韌性、塑性）明顯惡化，抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度大幅度下降，很容易被高溫?zé)龘p變形。在設(shè)備帶壓運(yùn)行的狀態(tài)下，過(guò)熱管壁因耐壓強(qiáng)度大幅下降而出現(xiàn)鼓皰、裂紋、泄漏甚至爆管的運(yùn)行安全事故。根據(jù)國(guó)內(nèi)部分省市技術(shù)監(jiān)督部門的統(tǒng)計(jì)，鍋爐事故中因結(jié)垢和水質(zhì)引起的事故占到了60%以上。同時(shí)管道和容器的腐蝕帶來(lái)的泄露和污染，釀成燃燒或爆炸等，也同樣是安全事故主因之一。

2、水垢的形成

工業(yè)用水中含有各種雜質(zhì)，主要包括各種礦物、無(wú)機(jī)鹽和微生物。由于水的換熱容器不斷蒸發(fā)濃縮，水中的雜質(zhì)會(huì)發(fā)生各種物理和化學(xué)變化，其中的鹽類達(dá)到飽和之后，隨著熱量的傳遞，溫度的升高，會(huì)陸續(xù)有結(jié)晶析出^[1]。其中酸式碳酸鹽易受熱分解形成難溶的碳酸鹽沉淀。另外，形成水垢的一些雜質(zhì)的溶解度隨溫 度的升高而下降，同時(shí)由于換熱接觸面溫度高于水溫，鹽類在換熱面附近溶解度 發(fā)生顯著下降，析出晶體聚結(jié)在換熱面的主要受熱面上，溫度越高的地方，水垢聚結(jié)的越厚越堅(jiān)固。

在水循環(huán)系統(tǒng)中，由于水中溶有各種礦物質(zhì)，如鈣和鎂的硫酸鹽和重碳酸 鹽，它們?nèi)芙庥谒袝r(shí)，將以 Ca²⁺ 、Mg²⁺ 及 SO₄^2- 和 HCO^3- 的狀態(tài)在長(zhǎng)時(shí)間地在系統(tǒng)管路中流動(dòng)。在用水設(shè)備管道與大地相連的狀態(tài)下，由于設(shè)備接地呈負(fù)極性，于是正離子（Ca²⁺ 、Mg²⁺）將受器壁吸引而產(chǎn)生附壁效應(yīng)，負(fù)離子（如 CO3^2-、SO₄^2- 、HCO₃^- 等），又將和固定在器壁上的正離子結(jié)合，產(chǎn)生難溶性的碳酸鹽沉淀而形成水垢。

3、水垢的主要成分和晶體結(jié)構(gòu)分析

純水在 1.013×10⁵Pa 下，0℃結(jié)冰，100℃時(shí)沸騰。而生活中經(jīng)常使用的天然 水源，如自來(lái)水、工業(yè)用水等都含有無(wú)機(jī)物和有機(jī)物，這些水的物理化學(xué)性質(zhì)和 純水有所不同。 一般情況下，新鮮的水中含有Ca²⁺ 、Mg²⁺  HCO₃^-  Cl^-等。含有 Ca（HCO₃)₂ 、Mg(HCO₃)₂ 的暫時(shí)硬水在加熱或煮沸時(shí)，就發(fā)生下列化學(xué)變化：

Ca（HCO₃)₂  →  CaCO₃ ↓+ CO₂↑+H₂O

Mg（HCO₃)₂  →  CaCO₃ ↓+ CO₂↑+H₂O

分解產(chǎn)生的不溶性的碳酸鹽沉淀就是水垢的成分，而且大多數(shù)水垢的成分是以碳酸鈣為主的，因此以水中碳酸鈣沉淀為主要目標(biāo)加以探討。常溫常壓下,碳酸鈣有6種已知的結(jié)構(gòu)形式,即無(wú)定形碳酸鈣、單水碳酸鈣、六水碳酸鈣、球霰石、霰石(又稱文石)和方解石，其能量依順序降低，穩(wěn)定性增加，垢越加致密堅(jiān)硬。碳酸鈣晶體主要分為兩種結(jié)構(gòu)：方解石和霰石^[2]。

由于水質(zhì)因素的影響和結(jié)垢時(shí)的條件不同 ，出現(xiàn)的水垢化學(xué)組成較為復(fù)雜，但水垢的晶體結(jié)構(gòu)多為方解石型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比較致密，易吸附于鍋爐壁上。

4、影響水結(jié)垢的因素

水的結(jié)垢通常可觀察到3種不同周期：誘導(dǎo)期、沉積物成長(zhǎng)期和穩(wěn)定狀態(tài)期。就任一種類型的結(jié)垢而言，不一定都會(huì)出現(xiàn)以上3種周期。如果要控制結(jié)垢，可以按照這樣的原則予以考慮，即充分重視誘導(dǎo)期，盡力限制結(jié)垢物在傳熱 表面附近的成長(zhǎng)速率，盡力減小穩(wěn)定期的傳熱阻力。它們的主次，取決于結(jié)垢過(guò)程的特性和結(jié)垢過(guò)程對(duì)總生產(chǎn)能力的限制程度。影響結(jié)垢的因素多種多樣，歸納起來(lái)，主要有流體性質(zhì)、流體流速、換熱表 面的溫度和流程結(jié)構(gòu)等。

（1）流體性質(zhì) 

流體性質(zhì)是結(jié)垢的內(nèi)在原因，比如流體含有顆粒則會(huì)引起顆 粒沉積結(jié)垢，流體內(nèi)部成分可能發(fā)生反應(yīng)或pH值發(fā)生變化，某些流體中含有的微量離子如Mg²⁺可起催化作用而發(fā)生難以預(yù)測(cè)的反應(yīng)，流體中的鹽或其他物質(zhì) 可能會(huì)因溫度或濃度的變化而結(jié)晶等。

（2）流體流速

流速對(duì)結(jié)垢的影響有兩種截然不同的結(jié)論：其一是認(rèn)為增大流速可減小結(jié)垢速率，因?yàn)樵龃罅肆黧w對(duì)污垢層的剪切力，從而加快了垢層自表面的脫除；其二是認(rèn)為增大流速會(huì)促進(jìn)垢層的生長(zhǎng)，因?yàn)樵诮Y(jié)垢過(guò)程中離子擴(kuò)散的阻力較大，或因沉積物附著力很強(qiáng)而流體剪切力相對(duì)較弱。

（3）溫度

溫度包括流體本體的溫度和換熱表面的溫度，在許多場(chǎng)合下，二者相差很大。通過(guò)模擬硬水中CaCO₃在壁面溫度恒定的換熱器中的結(jié)垢，發(fā)現(xiàn)其他條件不變時(shí)，隨溶液主體溫度的升高，漸進(jìn)污垢熱阻呈先升后降的規(guī)律。溶液主體溫度升高到某一數(shù)值時(shí)，CaCO₃的結(jié)垢速率會(huì)突然下降，這種現(xiàn)象出現(xiàn)在溶

液中Ca²⁺、HCO₃^- 濃度較高的情況下，而在相對(duì)較低的結(jié)垢離子濃度下，結(jié)垢速率則一直隨主體溫度升高而逐漸增大。由于研究者所采用反映結(jié)垢程度的參數(shù)不同，換熱表面溫度對(duì)結(jié)垢的影響程度無(wú)法直接比較。

5、恩曼CPRS裝置的機(jī)理

恩曼CPRS裝置內(nèi)芯的材質(zhì)含有銅、鋅、鎳等九種不同的金屬成分，這些金屬可以形成一種特殊的電化學(xué)催化體，它是一種能改變化學(xué)反應(yīng)速度而本身又不參與反應(yīng)的合金屬催化體材料。當(dāng)流體流過(guò)恩曼CPRS合金時(shí)，它使極性水分子進(jìn)一步極化，形成極性更強(qiáng)的“水偶極子”；當(dāng)溫度和其它條件發(fā)生變化時(shí)，它能將金屬離子和酸根離子有效吸附在它的兩端。流體中的固相顆粒受其作用的影響始終處于懸浮狀態(tài)和溶解狀態(tài)，從而達(dá)到防垢的目的: 恩曼CPRS裝罝不但可以阻止污垢沉積，同時(shí)也能將己沉積的污垢逐漸溶解去除，達(dá)到對(duì)設(shè)備、管道凈化的的效果，對(duì)防止藻類的生長(zhǎng)和抑制金屬的氧化腐蝕也有一定作用，也適用于高溫高壓工作環(huán)境，恩曼CPRS裝置安裝簡(jiǎn)單，可以直接安裝在現(xiàn)有的管線上，使用過(guò)程維護(hù)保養(yǎng)方便。

由于恩曼CPRS裝置有以上功能，補(bǔ)充水（循環(huán)水）不需要相關(guān)（化學(xué)）處理，通過(guò)恩曼CPRS裝置后，水被“活化”，能夠直接供給設(shè)備用水，而設(shè)備管道不會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢，同時(shí)恩曼CPRS裝置還有逐步去除老垢的作用，使設(shè)備的冷卻效果更好的

延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，從而避免使用化學(xué)藥劑，減少環(huán)境污染， 降低水處理成本，又因恩曼CPRS裝置對(duì)水溫適應(yīng)范圍廣，一般的循環(huán)水系統(tǒng)均能滿足要求，由此表明使用恩曼CPRS裝置，不但能夠有效解決結(jié)垢問(wèn)題，而且也能夠較大的提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，可見(jiàn)其節(jié)水效果十分可觀。

                  內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖                                          芯片   

6、恩曼CPRS裝置在燕山石化的應(yīng)用

燕化公司煉油二廠三催化裝置油漿冷卻水箱，是車間關(guān)鍵的物料冷卻設(shè)備，現(xiàn)每日處理外甩油漿約288噸，平均12噸/時(shí)，外甩油漿進(jìn)口溫度270℃，經(jīng)冷卻后的處理溫度要保持在100-110℃之間才不會(huì)影響下一設(shè)備的正常生產(chǎn)。因沒(méi)有安裝除垢設(shè)備，現(xiàn)在定期要在循環(huán)水中添加除垢藥劑除垢，但效果還是不太理想，每個(gè)檢修周期還要把冷卻盤管吊拆下來(lái)進(jìn)行機(jī)械除垢，油漿冷卻盤管的彎頭焊縫處因?yàn)殚L(zhǎng)期覆蓋厚厚的水垢，由于結(jié)垢造成氧化腐蝕焊縫，每次除垢后還要進(jìn)行補(bǔ)焊，嚴(yán)重時(shí)就要更換油漿冷卻盤管，現(xiàn)在車間的檢修周期為兩年據(jù)車間工程師介紹，每次清理完的1-2個(gè)月，冷卻效果還比較理想，但隨著時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)垢就慢慢多起來(lái)，冷卻效果逐漸變差，操作人員不得不減少進(jìn)油量來(lái)保持外甩油漿溫度甚至?xí)绊懙綕M負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

安裝恩曼CPRS裝置投用后，冷卻水經(jīng)過(guò)設(shè)備后注入冷卻水箱，由于水箱內(nèi)的冷卻水經(jīng)設(shè)備處理，油漿盤管外壁的硬垢得到軟化，油漿盤管外壁所結(jié)的硬垢得到軟化變得蓬松使用金屬物刮擦大面積脫落，盤管彎頭焊縫處凝結(jié)的水垢榴也得到有效的軟化，觀察金屬本體無(wú)新垢凝結(jié)。工藝技術(shù)分析：由于提高了熱交換效率，安裝60天后，外甩油漿從每小時(shí)12噸提高至現(xiàn)在的15噸，日處理量增加了72噸，在不增加循環(huán)水量的情況下，外甩油漿量提高25%，且出口油漿溫度未提高。從以上情況分析，達(dá)到預(yù)期效果式^[3]。

7、結(jié)束語(yǔ)

由此可見(jiàn)，恩曼CPRS裝置在化工企業(yè)使用起到了很好的防垢除垢的效果。該技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)、切實(shí)可行；防垢除垢防效果顯著；提高企業(yè)的安全性；減低生產(chǎn)成本；節(jié)約能源；為該技術(shù)在化工企業(yè)推廣起到更加積極的作用，恩曼CPRS裝置是一種節(jié)能、減排、安全、環(huán)保的產(chǎn)品，它能減少企業(yè)的碳排放，助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”的目標(biāo)

參考文獻(xiàn)

1. 王新祥.換熱設(shè)備結(jié)垢機(jī)理的研究進(jìn)展.現(xiàn)代化工.2002,22(4) :22～26

2. 王義武 合金材料防垢防腐蝕機(jī)理及試驗(yàn)研究 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2008

3.CPRS防垢防腐蝕裝置在三催化油漿冷卻器上的應(yīng)用研究 北京燕山石化 李鵬 金國(guó)剛 2016