張長生 謝寶俊

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司能源管控中心；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

馬鋼長材事業(yè)部有2臺異型坯鑄機(jī)(3#、4#連鑄機(jī))承擔(dān)中、小型H型鋼鑄坯的生產(chǎn)任務(wù)。連鑄機(jī)的結(jié)晶器冷卻用水采用軟水循環(huán)，設(shè)有5臺板式換熱器、安全高位水箱及冷媒水系統(tǒng)等。原軟水系統(tǒng)采用閉路軟水循環(huán)方式，后因冷媒水側(cè)黏泥與結(jié)垢影響換熱，導(dǎo)致水溫過高影響連鑄機(jī)生產(chǎn)，為此，在2006年對軟水系統(tǒng)增設(shè)了2臺1 000 m3/h冷卻塔，進(jìn)行夏季應(yīng)急旁路冷卻(一般在夏季7—9月使用)[1-3]。雖緩解了夏季水溫的影響，但卻給軟水系統(tǒng)帶來了黏泥增多與結(jié)垢加速問題，以至于在冷卻塔停運(yùn)時，軟水溫度無法有效降低，嚴(yán)重制約了春、秋季節(jié)正常生產(chǎn)，同時軟水循環(huán)系統(tǒng)長時間開路，易對結(jié)晶器表面產(chǎn)生結(jié)垢與黑斑，造成漏鋼事故頻繁發(fā)生。為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，常采用人工方式對換熱器進(jìn)行解體清洗[4-5]。由于換熱片及密封墊多，加之黏泥垢量大及進(jìn)口設(shè)備安裝精度要求高，使得每次清洗1臺異型坯鑄機(jī)需要5～6 d/3人，而每次清洗后僅能保持2個月左右，每年需要清洗4～5次，極大耗費(fèi)了人力資源與成本，同時經(jīng)常拆卸，也容易造成漏水。因此，為確保3#、4#機(jī)正常生產(chǎn)，降低人力成本，節(jié)約維修費(fèi)用，本研究設(shè)計了板式換熱器在線化學(xué)清洗方案。

1 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及工藝流程

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

(1)軟水循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)。工藝參數(shù)：循環(huán)水量Q1 950 m3/h，壓力P1.0 MPa，溫度t<35 ℃，溫差<15 ℃；水質(zhì)指標(biāo)：濁度<5 mg/L，鈣硬度<5 mg/L，鉬酸根含量35～50 mg/L，生物黏泥含量<1 mL/ m3，碳鋼腐蝕率<0.1 mm/a，銅、不銹鋼腐蝕率<0.005 mm/a。

(2)冷媒水循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)。工藝參數(shù)： 循環(huán)水量Q2 400 m3/h，壓力P0.44 MPa，溫度t<35 ℃，溫差<15 ℃；水質(zhì)指標(biāo)：濁度<15 mg/L，總磷4～8 mg/L。

(3)板式熱交換器。系統(tǒng)共有5臺美國APV公司板式換熱器(編號分別為1#～5#)，不銹鋼材質(zhì)。其中，1#～3#板式熱交換器型號為TR9GN、面積283.2 m2，水量500 m3/(h·臺)；4#、5#板式熱交換器型號為J092-MGS-16/6，面積392.45 m2，流量720 m3/(h·臺)。

(4)冷卻塔。系統(tǒng)設(shè)置有2臺1 000 m3/h冷卻塔，用于冷媒水冷卻。

1.2 系統(tǒng)工藝流程

異型坯軟水、冷媒水工藝流程如圖1所示。

2 清洗方案

2.1 污垢產(chǎn)生原因與危害

(1)原因。①軟水和冷媒水在循環(huán)使用時，水中的鈣鎂碳酸鹽遇熱后分解為碳酸鈣、氫氧化鎂等沉積物以及大量生物黏泥附著于板式換熱器的翅片上，形成水垢與污垢，部分懸浮于循環(huán)水中，沉積于流速較低的受熱面上，形成二次水垢[6]；②循環(huán)水中的異養(yǎng)菌與水中懸浮物形成黏泥附著物，黏結(jié)于受熱較大的換熱器面上，影響板式換熱器的換熱效果；③在夏季由于氣溫高，為保證正常生產(chǎn)，軟水應(yīng)急冷卻塔投入運(yùn)行，將空氣中的灰塵與細(xì)菌帶入水中，加速了水垢形成。

圖1 異型坯軟水、冷媒水工藝流程

(2)危害。①熱交換器結(jié)垢嚴(yán)重時，直接導(dǎo)致熱交換效率大幅下降，致使系統(tǒng)通過增大循環(huán)水量來維持生產(chǎn)，使得泵的負(fù)載率上升，耗電量增大，換熱效果下降，軟水側(cè)溫度升高；②熱交換器結(jié)垢特別嚴(yán)重時，板片間通道阻塞，垢下腐蝕加重，也會造成管路腐蝕損壞，甚至報廢。因此，從降能節(jié)耗、提高設(shè)備的使用效率角度考慮，為有效排除設(shè)備運(yùn)行隱患、延長設(shè)備使用壽命，有必要定期對熱交換器進(jìn)行清洗除垢處理。

2.2 方案設(shè)計

在每臺板式換熱器安裝清洗供水管、閥及排水管、閥(圖2)，利用現(xiàn)有設(shè)施建立1套循環(huán)清洗系統(tǒng)(Q=400 m3/h、P=1.0 MPa或根據(jù)單臺換熱器流量進(jìn)行同比例配置水泵)，逐臺進(jìn)行沖洗、酸洗、堿洗、清洗及鈍化處理，以溶解、剝離生物黏泥、清除污垢。酸洗液成分為甲酸 (或其他有機(jī)酸的混合物)(81.0%)、水 (17.0%)、緩沖劑(1.2%)以及表面活性劑(0.8%)，主要用于溶解、剝離生物黏泥、清除污垢。堿洗液由NaOH、Na3PO4、軟化水按2∶4∶4比例配制，主要使得清洗后的系統(tǒng)在進(jìn)行較長時間置換水的時間段內(nèi)，使較低的系統(tǒng)pH值得到緩沖，緩解活化的金屬表面再次出現(xiàn)浮銹的趨勢，防止清洗下的鐵銹等雜質(zhì)再次發(fā)生沉積。清洗流程為水沖洗—酸清洗—堿洗清洗—中和—水沖洗(大水量)。為節(jié)省清洗時間，清洗時可將除剝離、除垢清洗2個過程合并為1個過程完成，該階段清洗為關(guān)鍵階段，直接關(guān)系最終的清洗質(zhì)量。清洗技術(shù)要求為[7]：①沖冼，酸洗前，需對換熱器進(jìn)行開式水沖洗，既能提高酸洗效果，又可降低酸洗耗酸量；②酸洗，先將酸洗液置入循環(huán)水箱，再注滿換熱器，靜態(tài)浸泡2 h，最后連續(xù)動態(tài)循環(huán)3～4 h，期間先對軟水側(cè)清洗，后對冷媒水側(cè)清洗，酸洗完畢后，應(yīng)將酸洗液稀釋中和后排放；③堿洗，酸洗完畢后，用 NaOH、Na3PO4、軟化水按一定比例配制好，利用動態(tài)循環(huán)方式對換熱器進(jìn)行堿洗，達(dá)到酸堿中和，使得換熱器板片不再被腐蝕；④水洗，堿洗完畢后，用清潔的軟化水反復(fù)對換熱器進(jìn)行沖洗0.5 h，將換熱器內(nèi)的殘渣徹底沖洗干凈。為保證清洗劑的濃度，在循環(huán)過程中，每隔1 h 應(yīng)檢測1次清洗槽內(nèi)清洗劑的濃度，使得清洗劑的濃度始終保持在110～115 mol/L安全有效范圍內(nèi)，必要時需添加清洗劑，同時在清洗過程中需對清洗液進(jìn)行pH、濁度(或懸浮物)總鐵、濃度檢測。

圖2 1#板式交換器閥門設(shè)置示意

圖2中各閥門的狀態(tài)為：①正常工作時，閥門F11、F12、F13、F14處于關(guān)閉狀態(tài)，冷媒水系統(tǒng)投入運(yùn)行時，閥門F1C、F1D處于開啟狀態(tài)；軟水系統(tǒng)正常運(yùn)行時，閥門F1A、F1B處于開啟狀態(tài)；②冷媒水側(cè)清洗時，冷媒水、軟水進(jìn)出水閥門F1C、F1D、F1A、F1B處于關(guān)閉狀態(tài)，清洗水系統(tǒng)投入運(yùn)行時，冷媒水側(cè)清洗閥門F12、F14處于開啟狀態(tài)，軟水側(cè)清洗閥門F11、F13處于關(guān)閉狀態(tài)；③軟水側(cè)清洗時，冷媒水、軟水進(jìn)出水閥門F1C、F1D、 F1A、F1B處于關(guān)閉狀態(tài)，清洗水系統(tǒng)投入運(yùn)行時，軟水側(cè)清洗閥門F11、F13處于開啟狀態(tài)，冷媒水側(cè)清洗閥門F12、F14處于關(guān)閉狀態(tài)。

3 清洗效果

本研究以1#板式熱交換器為例，對清洗效果進(jìn)行分析。清洗后，1#板式熱交換器冷媒水進(jìn)水溫度為26 ℃，冷媒水出水溫度為28 ℃，軟水進(jìn)水溫度為34 ℃，軟水出水溫度為29 ℃。結(jié)合圖3、圖4分析可知：清洗效果較好，達(dá)到了預(yù)期。為進(jìn)一步驗證清洗效果，將1#板式換熱器解體拆開觀察分析，發(fā)現(xiàn)軟水側(cè)清洗得非常干凈，不銹鋼板面已經(jīng)全部裸露出，冷媒水側(cè)污垢也已經(jīng)基本被清除(圖5)。

圖3 冷媒水側(cè)堿洗后清洗水箱中的污垢

圖4 軟水側(cè)堿洗后清洗水箱中的污垢

圖5 清洗后的1#板式熱換熱器板片

4 結(jié) 語

設(shè)計了馬鋼長材事業(yè)部2臺異型坯鑄機(jī)板式熱交換器在線化學(xué)清理方案，現(xiàn)場實踐表明，效果較好，對于類似設(shè)備高效清洗有一定的參考價值。