换热设备运行中结垢处理方案

换热设备作为工业生产、能源转换等领域的核心装置，其换热效率直接影响系统能耗与运行稳定性。然而，结垢作为长期困扰行业的共性问题，不仅会导致换热效率锐减、能耗陡增，还可能引发局部过热、设备腐蚀甚至非计划停机。本文结合工程实践与前沿技术，从结垢成因分析入手，系统阐述预防、在线及停机状态下的结垢处理方案，为设备长效稳定运行提供实用指引。一、结垢的成因与危害剖析换热设备结垢的本质是流体中溶解或悬浮的物质（如钙镁盐类、微生物、腐蚀产物等）在换热表面因物理化学作用发生沉积。其核心成因可归纳为三类：1.水质驱动型：原水硬度（钙镁离子）、酸碱度（pH）及悬浮物含量超标，在温度梯度作用下，碳酸氢钙分解为碳酸钙沉积；含硫介质则易生成硫化亚铁垢层。2.工况诱导型：换热面温差过大、流速过低时，流体边界层湍流度不足，溶质易过饱和析出；间歇运行或负荷波动也会加速垢层形成。3.生物作用型：循环水系统中，微生物（如藻类、细菌）代谢分泌的粘性物质会吸附杂质，形成“生物粘泥-水垢”复合垢，兼具腐蚀性与隔热性。结垢的危害呈递进式发展：初期使换热效率下降10%~15%；中期引发管壁温差增大、局部应力集中；长期则可能导致垢下腐蚀、管束堵塞，迫使设备提前退役。二、预防型处理方案：从源头遏制结垢1.水质预处理优化软化/除盐处理：对高硬度原水，采用离子交换树脂软化或反渗透（RO）除盐，将硬度控制在较低水平。例如，热电厂凝汽器循环水可通过弱酸树脂软化，使碳酸钙溶度积低于析出阈值。悬浮物拦截：在进水端增设多介质过滤器或自清洗过滤器，过滤精度≤100μm，减少颗粒物沉积。对于含油介质，需前置气浮或聚结分离器。2.运行参数动态调控流速优化：通过计算流体力学（CFD）模拟，将管程流速维持在1.5~3.0m/s（壳程0.8~1.5m/s），确保湍流状态下边界层厚度<0.1mm，抑制溶质过饱和。温度梯度控制：采用“梯度换热”设计（如分段式换热器），将单段温差控制在30℃以内；或通过旁通阀调节冷热流比例，避免局部超温。3.防垢助剂精准投加阻垢剂：根据水质类型选择药剂（如聚羧酸类阻垢剂用于钙垢，有机膦类用于硫酸钙垢），投加浓度控制在2~10mg/L，通过螯合、分散作用破坏晶体生长。杀生剂：针对生物粘泥，周期性投加氧化性杀生剂（如次氯酸钠，余氯0.5~1.0mg/L）或非氧化性杀生剂（如异噻唑啉酮），每季度开展一次“冲击投加”（浓度提升3~5倍）。三、运行中的在线处理技术1.化学清洗（不停机/低负荷）酸洗法：针对碳酸盐垢，采用5%~10%盐酸+缓蚀剂（如乌洛托品，浓度0.5%），控制清洗温度≤50℃，流速≥1m/s，通过H⁺溶解CaCO₃（反应式：CaCO₃+2H⁺=Ca²⁺+CO₂↑+H₂O）。清洗终点以出口酸浓度稳定、pH回升至4~5判定。碱洗法：用于油脂、有机物垢，采用2%~5%NaOH+表面活性剂，通过皂化反应分解油污，适用于板式换热器等易积油设备。2.物理除垢技术超声波除垢：在换热管外侧安装超声波换能器，利用20~40kHz的空化效应破坏垢层与管壁的结合力，使垢块脱落随流体排出。该技术对薄垢（<1mm）有效，且无化学污染。电磁防垢：通过高频交变磁场使钙镁离子结晶形态改变（由方解石转为文石），降低垢层附着力。需根据管径选择磁场强度，安装于进水端1~2m处。3.在线机械刮除（针对管壳式）对于易拆卸的浮头式换热器，可在管程安装“旋转刮刀”装置，利用电机驱动刮刀沿管壁旋转，实时刮除软垢。该方法适用于粘度低、垢层松软的介质（如冷却水），但需预留检修空间。四、停机状态下的深度处理1.机械清洗（物理剥离）高压水射流：采用20~50MPa高压水枪（配备扇形喷嘴），沿管束轴向逐根清洗，可有效去除厚垢（>2mm）。对于U型管换热器，需定制柔性喷枪，避免损伤管板。机械研磨：针对硬质垢（如硅酸盐垢），使用尼龙刷或钢丝刷（φ≤管束内径10%）配合旋转杆，人工或机械驱动刷除。注意控制力度，防止管壁减薄。2.化学浸泡（针对性溶解）复合酸清洗：针对混合垢（如钙垢+锈垢），采用盐酸+氢氟酸（体积比5:1）+缓蚀剂，浸泡时间8~12h，使垢层完全溶解。浸泡后需用NaHCO₃中和残留酸液，避免二次腐蚀。EDTA络合清洗：对奥氏体不锈钢设备，采用10%~15%EDTA二钠溶液（pH调至9~10），通过络合作用溶解铁垢，避免氯离子应力腐蚀。3.干冰/激光清洗（特种场景）干冰清洗：利用-78℃干冰颗粒的冲击与升华作用，剥离顽固垢层（如聚合物垢、焦炭垢），适用于精密设备（如板式换热器密封面），无残留、无损伤。激光清洗：采用1064nm光纤激光，通过光热效应使垢层汽化，精度可达μm级，适用于核电、半导体等对清洁度要求极高的场景。五、典型案例：某石化厂换热器结垢治理某炼油装置的常压塔顶换热器（管壳式，材质304不锈钢）因循环水硬度超标，运行1年后换热效率下降35%，管壁温差达60℃。治理方案如下：1.预处理升级：增设反渗透装置，将循环水硬度降至30mg/L；进水端安装50μm自清洗过滤器。2.在线处理：投加聚羧酸阻垢剂（5mg/L）+次氯酸钠（余氯0.8mg/L），每周开展一次超声波除垢（频率28kHz）。3.停机检修：采用20MPa高压水射流清洗管程，配合5%盐酸+0.3%缓蚀剂浸泡壳程8h，最终垢层清除率>95%，换热效率恢复至设计值的98%。六、长效优化策略1.建立结垢监测体系：安装在线垢层厚度传感器（如超声波测厚仪），结合进出口温差、压降数据，建立结垢预警模型（如当压降升高20%时触发清洗）。2.全生命周期管理：在设备设计阶段优化流道（如采用螺纹管、波纹管），增大湍流度；运行阶段每季度开展水质全分析，动态调整药剂配方。3.技术迭代应用：关注纳米涂层（如TiO₂自清洁涂层）、电场