浅谈循环水的结垢与管理

浅谈循环水的结垢与管理

摘要：本文主要从循环水和补充水的水质、水温、流速、换热温降、换热器的材质和光洁度等方面对循环水使用中常见的结垢问题进行了分析，提出了控制措施，对于进一步科学的管理循环水正常运行具有一定指导意义。

关键词：循环水、结垢、管理与运行

1、概述

工业循环水系统是代工业企业正常运行的基本保证，循环水系统管理中遇到的设备的结垢、腐蚀、生物粘泥堵塞等等，是换热设备损坏和效率降低的主要危害。目前工业应用的水质稳定剂多为缓蚀阻垢剂，但阻垢剂的品质参差不齐，系统的换热设备的种类千差万别，同时管理的方法又各有不同，这就造成了循环水系统运行的优劣之分。因此，我将近年了解的情况对循环水的管理这一命题谈谈自己作出粗浅的认识。

2、结垢原因及影响因素

循环水结垢其实是循环水系统中微溶物质在环境条件发生变化导致生过饱和现象，产生晶核由冷却水中结晶析出，随着晶核不断长大沉积在换热器的表面的现象，按垢的按盐的种类可分为碳酸垢、磷酸垢、硅酸垢、硫酸垢等；按金属离子区分可分为钙垢、镁垢、铁垢等。换热器内垢的形成受到水质、水温、流速、换热温降、换热器材质和光洁度等因素的影响的影响：

2.1 循环水本身水质和补充水

循环冷却水在运行过程中，随着挥发水量的消耗，水中各种杂质的浓度就会相应增大，结垢的概率就会同时增加，这时补充水的水质其含盐量、碱度、硬度、pH值等指标就显得尤为重要。这几个指标越高循环水越容易达到饱和而产生结晶。因此这在投加水质阻垢剂方案时就必须考虑进去，这是基础。

2.2水温

循环冷却水中的碳酸钙、碳酸镁等硬度盐类，其溶解度都是随着温度的升高而减小，因此水温越高越易结垢，同时由于分子活动也随温度的上升其动能越大，水垢的附着速度也越高，所以根据工艺条件的变化，比如夏季热负荷较大时就应该适当减低循环水的浓缩倍数，减少系统中硬度盐类离子的浓度，就会相应减少设备结构的概率，再比如初冷器一段循环水系统工艺条件温度较高，也就应该适当减低循环水的浓缩倍数，而二段循环水系统温度较低就适当采取略高的浓缩倍数维持运行。

2.3 流速

水垢的附着速度是随着换热器内的冷却水流速的增大而减小的一般而言，如水流速度达到1.0m/3以上时，水垢、悬浮物等杂质易被水流冲走，不易沉积，

相反如果在换热器中，某些部位流速过小或水流分配不均、死角就容易沉积水垢。因此根据换热器的形式、结构在工艺条件允许的情况下，适当提高水流速度也是降低设备结垢的有效手段。我们的换热器为了保证换热面积和冷却效果，基本上都是冷却水低进高出，设备内部水流速度本身就不快而冬季在环境温度较低的前提下，为保证工艺温度条件要求，适当的减少冷却塔运行数量比一味的减小换热器上水量就显得既经济又不容易结垢。有此说开去，在冷却塔或循环水池的流速最缓慢的地方放置与换热器同材质的铁板（管）定期检测,对于观察换热器内部的结垢情况也具有间接的指导意义。

2.4换热温降

循环冷却水和热介质之间的换热温降也和结垢有着直接关系，温降越大换热器的结垢的概率也越大，正是基于这个原因几乎所有换热器的冷热介质的进出流向上都是相反的，也就是说冷却水的升温不会突然间过大而产生局部结垢的现象，因此在换热器的使用前要进行冷热介质流道方向的检验尤其是螺旋板换热器、板框式换热器等就显得尤为重要。有个焦化厂的贫油冷却器就是因为这个原因，造成频繁的局部堵塞严重影响了生产的正常运行。

2.5、换热器的材质和光洁度

单就结垢而言换热器的金属材料导热系数越高，换热器的壁温就越高，越容易结垢，换热器与冷却水接触的表面越粗糙，附壁处的水流速度越缓慢，越容易沉积水垢，相比而言粗糙的碳钢表面就比铜或不锈钢表面易沉积水垢。因此在换热器的选型和制作上，尽量选择光洁度高的换热管，同时再投用之前要做必要的预膜钝化处理这都有助于保持设备在运行中表面光洁不沉积水垢。

此外循环水浓缩倍数、阻垢剂的选择、阻垢剂的正确使用等因素都对结垢有着重要的影响，因此只有根据实际工艺、设备条件维持个因素之间的协调，才能有效抑制水垢的沉积。综上所列循环水结垢的影响因素，循环水结垢的控制就原理而言应该从以下三个方面加以管理和控制：一是降低循环水系统中结垢离子的浓度，使其始终处于不饱和状态，不能结晶析出；二是降低循环水系统的pH值，保持循环水系统中结垢离子使其平衡关系不被打破电位稳定；三是使用阻垢剂破坏结垢离子的结晶成长和附着。以下就我公司循环水系统的管理方法以这三个方面为主要思路加以论述。

3、控制管理措施

我公司的循环水系统是配属年产85万吨焦炉的化产回收各工序的循环冷却水，分为一段和二段两个系统。一段循环水循环水量2000立方/小时，二段循环水系统为1000立方/小时，换热器的种类包括：横管煤气冷却器、螺旋板换热器、板框式换热器、列管式冷却器等，换热器的材质有包括：普通碳钢、铜、不锈钢等。因此，针对我循环水换热器形式材质的实际特点及工艺条件，选择并实施了以下的控制方式供大家探讨。

3.1、浓缩倍数的控制

一段循环水系统工艺条件热介质相对温度较高，比如初冷器是將80—82℃的热煤气冷却至35-40℃，贫油冷却器是将110℃-120℃热贫油冷却至50-70℃，还有苯冷凝冷却器等等，而换热器内的冷却水流速有各不相同，因此一段循环水系统相对于二段循环水系统必须保持较低的浓缩倍数，我们是控制是在2.3左右，这样循环水系统中结垢离子的浓度始终处于不饱和状态，不易结晶析出，二段循环水系统由于工艺条件热介质相对温度较底，其浓缩倍数控制为2.5-2.7

之间。同时在实际操作中尤其在冬季将调节冷却水温作为主要调节手段，比如及时开关冷却塔台数、或冷却塔上水量等方法，调节换热器进水量为辅助调节手段。这样就会有效的避免冷却水由于水量过少流速过缓造成换热温降过大形成结垢。其实换热器结垢大多是冬季形成的，只不过由于环境温度过低在工艺上显现不出来，而到夏季在由于环境升温才凸显出来罢了，这在几家焦化公司的换热器结垢速率实验中都有所体现，因此，冬季的浓缩倍数应该适当降低才是正确的。

3.2、pH值的控制

就钙离子而言当系统pH值是4时所有钙离子都不结垢，而pH值达到10以上时钙离子结晶析出的概率达到80%以上，因此在保持适当浓缩倍数的基础上相应的控制循环水pH值就尤为重要。pH值的控制主要是靠在循环水里投加酸性物质实现的，在无机酸的范围里有硫酸、盐酸、硝酸、磷酸等等，硫酸会使换热器里的钙垢转化为硫酸钙更不易清洗和处理，盐酸会由于氯离子腐蚀不锈钢，硝酸在循环水系统里产生硝态氮发生硝化反映也会腐蚀设备，磷酸的投加会直接导致生物粘泥的大量产生而堵塞设备。因此除了单台设备的清洗，单纯使用无机酸的调节循环水系统pH值的厂家已不多。因此目前循环水的pH值的控制多由有机酸来实现的。通过实践我们的循环系统则直接有投加酸性的缓释阻垢剂来实现调节的，同样是由于一段循环水系统工艺条件热介质相对温度较高，水温较高，挥发水量较大，pH值控制低些在6.5左右，而二段循环水系统相对略高一点在7.5左右。

3.3、阻垢剂的管理

阻垢剂的选择和管理是循环水系统正常运行的关键因素之一，首先是阻垢剂的选择，就其阻垢机理而言主要分为螯合增溶作用、晶格畸变作用和凝聚分散作用。通俗点说就是增加循环水系统中钙镁离子的允许浓度，使其不易和酸根离子结合或者即便结合它的晶格也不稳定，不具备稳定附着的条件，从而实现阻垢的最终目的。因此阻垢剂的优劣应该有以下几个方面体现出来：1）、阻垢效果好在结垢离子浓度较高的的情况下仍然具备良好的阻垢效果；2）、性能稳定在高倍率、高温的条件下阻垢效果不明显下降；3）、符合环保要求低毒或无毒；4）、操作简便；5）、运行成本低便于运输和储存。综合起来一句话就是：长期使用不结垢、不腐蚀、运行倍率高、生物粘泥少、污染小。但是现在市场上的缓释阻垢剂良莠不齐，只能细心对比观察才能发现。曾今有一家焦化厂由于选用的阻垢剂含有机磷过高，使列管式换热器内堵塞现象非常严重，经常停工人工清理，不仅费时费力而且经济损失也是不言而喻的。所以缓释阻垢剂必须在结合循环水质、补充水质、工艺条件等诸多实际因素，而且要通过实验制定方案，严格的试运行观察才能确定。阻垢剂的选定后，科学的投加和管理也是很关键的，必须实