換熱器表面防垢技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間：2009-7-1 瀏覽：3577

換熱器表面防垢技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展 
                                                           
    關(guān)鍵詞:換熱器;化學(xué)防垢
    污垢是一種極為普遍的現(xiàn)象,它廣泛存在于各種傳熱過(guò)程中。根據(jù)Steinhagen對(duì)新西蘭1100家企業(yè)的3000臺(tái)各種類(lèi)型換熱器的調(diào)查表明,90%以上的換熱器都存在不同程度的污垢問(wèn)題,結(jié)垢造成的浪費(fèi)和損失很?chē)?yán)重。所以防垢技術(shù)的研究倍受科學(xué)界和工程技術(shù)人員的關(guān)注,是涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多產(chǎn)業(yè)和部門(mén)的一個(gè)急需解決的問(wèn)題。
    目前,工業(yè)上所用的防垢方法可分為化學(xué)法和物理法。
    1　化學(xué)防垢
    化學(xué)法主要有軟化法、酸處理法、碳化穩(wěn)定法及阻垢劑的應(yīng)用等。前面3種方法因費(fèi)用較高或造成設(shè)備腐蝕等原因而應(yīng)用范圍較窄。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的是阻垢劑,阻垢劑是一類(lèi)化學(xué)藥品的總稱(chēng),通過(guò)它的加入可以防止或阻止積垢的生成。
    1.1　天然分散劑
    二十世紀(jì)60年代初,主要以丹寧、磺化丹寧、木質(zhì)素、淀粉、改性淀粉和羧甲基纖維素等天然有機(jī)物質(zhì)為主。這些天然阻垢劑來(lái)源廣,價(jià)格便宜,無(wú)毒,易于生物降解。但雜質(zhì)含量高,用量較大,目前只有少量商品復(fù)合配方中仍有使用[1]。
    1.2　均聚物
    聚丙烯酸(PAA)、聚甲基內(nèi)烯酸(PMAA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚馬來(lái)酸(酐)(PMA和HPMA)等這類(lèi)均聚物是二十世紀(jì)60年代末70年代初開(kāi)發(fā)成功的,它們都是陰離子型聚合電解質(zhì)。
    聚天冬氨酸(PASP)是美國(guó)Donlar公司于二十世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種新型阻垢劑,分子中不含磷,可生物降解,是綠色水處理劑,具有優(yōu)異的阻垢性能。PASP有很好的生物降解性能,與葡萄糖降解性能相近,在28d內(nèi)降解率達(dá)73%以上,對(duì)環(huán)境無(wú)任何有害影響。
    聚環(huán)氧琥珀酸(PESA)分子結(jié)構(gòu)中無(wú)P,無(wú)N,容易生物降解,屬綠色水處理劑。與磷酸鹽、2-膦基丁烷-1,2,4三羧酸等多種藥劑復(fù)配使用均具有較好的協(xié)同效應(yīng)和一定的緩蝕性能[2]。
    1.3　共聚物
    由于均聚物品種單一,且只能抑制CaCO3垢,二十世紀(jì)80年代開(kāi)始,國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的二元、三元及多元水溶性共聚物。它們的特點(diǎn)是不僅能抑制CaCO3垢,同時(shí)對(duì)磷酸鈣垢、磷酸鋅、氧化鐵、黍泥等也有很好的抑制分散作用,有的還有特殊作用,如能抑制硅垢,甚至能參與緩蝕等。
    丙烯酸類(lèi)共聚物是一類(lèi)以丙烯酸為主要單體與一種或幾種單體共聚而成的一類(lèi)聚合物。此類(lèi)阻垢劑起主要作用的是聚合物中的-COO-基團(tuán),其對(duì)Ca2+、Mg2+、Fe2+等離子具有較強(qiáng)的螯合能力,不僅有分散作用,還能在無(wú)機(jī)垢結(jié)晶過(guò)程中干擾晶體的正常排列,從而達(dá)到阻垢作用,在分子量較大時(shí)還有絮凝作用[3]。
    馬來(lái)酸(酐)類(lèi)共聚物是以馬來(lái)酸(酐)或水解馬來(lái)酸酐為單體與其它單體共聚而成的一類(lèi)阻垢劑,具有較好的阻CaCO3、CaSO4、BaSO4垢的效果。三元共聚物有馬來(lái)酸/醋酸乙烯酯/苯乙烯共聚物、馬來(lái)酸酐/丙烯酸/丙烯酰胺共聚物、馬來(lái)酸/乙二醇酯/丙烯酸共聚物等,均有很好的阻垢效能,又都各有特性。
    磺酸共聚物突出的優(yōu)點(diǎn)是在阻垢方面不受水中是否存在金屬離子的影響,對(duì)磷酸鹽垢、硫酸鹽垢、氫氧化鎂垢、CaCO3垢等,特別是對(duì)磷酸鈣垢有良好的抑制作用,且能有效地分散顆粒物,穩(wěn)定金屬離子和有機(jī)膦酸,藥力持久,有易結(jié)膠,并具有一定緩蝕作用[4]。
    1.4　含磷阻垢劑
    無(wú)機(jī)聚磷酸鹽是一種具有較好緩蝕性能的阻垢劑,二十世紀(jì)60年代在水處理中廣泛使用。聚磷酸鹽的缺點(diǎn)是它會(huì)水解,尤其是在高溫下易水解。水解后其阻垢緩蝕性能降低,且水解生成的正磷酸鹽容易和水中的Ca2+生成溶度積更高的Ca3(PO4)2水垢。
    有機(jī)膦酸開(kāi)發(fā)于二十世紀(jì)60年代后期,70年代在循環(huán)冷卻水處理中得到廣泛應(yīng)用。它能與鈣及許多金屬陽(yáng)離子形成螯合物,也能使含鐵和錳的水穩(wěn)定,在金屬表面形成保護(hù)膜,起到緩蝕作用,同時(shí)還具有臨界值效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng),屬于無(wú)毒或低毒藥劑。它化學(xué)穩(wěn)定性好,不易水解,耐高溫,在使用過(guò)程中不會(huì)因生成正磷酸鹽而形成磷酸鈣垢。
    有機(jī)膦羧酸分子結(jié)構(gòu)中含有膦酸基和羧酸基,因此,兼有阻垢和緩蝕兩種性能,與其它水處理劑復(fù)配,協(xié)同性能好。
    膦基羧酸(PCA)是由一種無(wú)機(jī)單體次磷酸,與其它有機(jī)單體共聚而成。其特點(diǎn)是將羧基與磷酸基結(jié)合在同一個(gè)分子上。有較好的阻垢性能并起一定的緩蝕作用。
    2　物理防垢
    1945年,比利時(shí)的韋梅朗首次成功地應(yīng)用磁處理技術(shù),防止鍋爐水垢形成,并除去了原先沉積的水垢,開(kāi)創(chuàng)了物理處理先河。半個(gè)世紀(jì)以來(lái),各種水的物理處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,諸如靜電處理、高能電子輻射處理、電磁處理和超聲處理。物理處理設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、維護(hù)操作簡(jiǎn)便、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用較低、無(wú)污染問(wèn)題,減少換熱設(shè)備積垢形成,以及能除去原先沉積物的作用,因此,在建筑材料、化工、冶金、礦山、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
    2.1　磁場(chǎng)防垢
    1945年“CEPI”的磁場(chǎng)防垢裝置問(wèn)世后,大量CEPI的防垢裝置在歐洲使用,除了家用熱水鍋爐外,在挪威有100余艘海船上安裝了這種防垢裝置,德國(guó)不同的工業(yè)企業(yè)中安裝了500余臺(tái)這種防垢裝置。我國(guó)最早的磁處理防垢器出現(xiàn)于1959年。70年代,前蘇聯(lián)、美國(guó)、日本先后掀起了磁處理研究熱,學(xué)術(shù)界和企業(yè)界竟相投入了大量的人力和資金對(duì)磁處理進(jìn)行研究,取得了大量成果和發(fā)明專(zhuān)利,并建成了大型磁處理設(shè)備[5]。80年代以后,科學(xué)家們對(duì)磁處理進(jìn)行了更深入的研究,積累了大量的實(shí)驗(yàn)資料。美國(guó)能源部于1998年開(kāi)始推薦的工業(yè)水處理方法,其中就有磁場(chǎng)技術(shù)[6]。
    目前在歐洲應(yīng)用最廣的電磁防垢器CALC-TECH系列產(chǎn)品是基于交變脈沖電磁場(chǎng)原理設(shè)計(jì)的,安裝于管道外部,安裝時(shí)既不改變管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),也不用斷開(kāi)管道。其運(yùn)行成本很低,運(yùn)行費(fèi)僅為65W裝機(jī)容量的電費(fèi),相當(dāng)于采用離子交換法的1/10。上海濱浦強(qiáng)磁設(shè)備廠制造的“超強(qiáng)套筒式內(nèi)磁處理器”,選用稀士永磁材料,磁性能優(yōu)異,其矯頑力、最大磁積能及抗老退磁性能均有顯著的改善。
    磁場(chǎng)防垢裝置最適于熱交換器的防垢。據(jù)介紹,在歐洲數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的小型CFPI裝置用于家用換熱器上。在沒(méi)有蒸發(fā)濃縮的熱水鍋爐上也適用。我國(guó)有40萬(wàn)臺(tái)鍋爐,其中絕大多數(shù)是采暖鍋爐,而以熱水鍋爐與熱力網(wǎng)的熱交換器居多。因此,磁場(chǎng)處理有相當(dāng)?shù)氖褂们熬啊?BR>    2.2　電場(chǎng)防垢
    靜電水處理技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域里最新技術(shù)之一,在二十世紀(jì)60年代末,美國(guó)新瀉華盛頓公司研制成功第一臺(tái)靜電水垢控制器,此后僅僅幾年時(shí)間,就有數(shù)百臺(tái)為美國(guó)的一流企業(yè)所采用,對(duì)其實(shí)用效果評(píng)價(jià)很高,并廣泛應(yīng)用于冷卻循環(huán)、熱交換、制冷、鍋爐等水系統(tǒng)[7]。70年代末日本又有所發(fā)展,將靜電除垢器與水槽和脫氣裝置組合,用于蒸氣鍋爐和熱水鍋爐的給水處理,可完全取消爐內(nèi)加藥,達(dá)到防垢和緩蝕的目的。美國(guó)國(guó)家航空局也推出了電子水處理器。我國(guó)是研究靜電防垢方法較早的國(guó)家之一,1975年研制成功第一臺(tái)靜電防垢器。其后又推出了電子式水處理器、高頻電場(chǎng)水處理器。90年代初研制了我國(guó)第二代靜電除垢器系列產(chǎn)品,并批量生產(chǎn)。
    電場(chǎng)處理又分為高壓靜電法和高頻電子法兩種。這兩類(lèi)設(shè)備的功能相同、優(yōu)點(diǎn)相同,只是適用條件不同。電子防垢器采用直流低壓,靜電防垢器采用電流高壓。雖是高壓,但電流很微小,又采用了固化絕緣措施,所以不存在使用安全問(wèn)題。靜電防垢器的陽(yáng)極用四氟乙烯制作,耐磨損、不腐蝕、不老化、不粘附,可連續(xù)使用20年。使用運(yùn)行過(guò)程中基本上不用清洗。電子防垢器的陽(yáng)極用鈦合金制作,表面覆有保護(hù)膜因而不腐蝕、不老化、強(qiáng)度高。
    2.3　超聲防垢
    高于人耳聽(tīng)覺(jué)上限閾值的聲波,稱(chēng)為超聲波。功率超聲又稱(chēng)為超聲波的“主動(dòng)應(yīng)用”,是用較大功率的超聲對(duì)物質(zhì)作用,以改變或加速改變物質(zhì)的一些物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)的技術(shù)。超聲波防垢強(qiáng)化傳熱技術(shù)是一種節(jié)能環(huán)保技術(shù),國(guó)外如韓國(guó)俄羅斯等國(guó)有相關(guān)的產(chǎn)品,目前國(guó)內(nèi)也有一些超聲波防垢裝置投放市場(chǎng),但應(yīng)用還不廣泛。超聲波防垢機(jī)理的研究還不深入,與其它物理防垢方法如電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)等的研究相比還有一定的差距,影響了該技術(shù)的推廣。
    2.4　物理方法協(xié)同防垢
    上述的物理防垢方法在化學(xué)、冶金、礦山農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但大多數(shù)物理處理技術(shù),對(duì)水的一些基本物理化學(xué)性能影響比較小,很難誘發(fā)水的物理化學(xué)性能發(fā)生根本性的變化,所以一些物理處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中其效果受到許多因素的制約,應(yīng)用還不是很廣泛。為了能得到更好的處理效果,物理防垢技術(shù)開(kāi)始轉(zhuǎn)向幾種工藝相互耦合的組合技術(shù)上。
    2.4.1　光子與磁場(chǎng)協(xié)同防垢　
    東北大學(xué)的鄭少波提出了采用光子來(lái)強(qiáng)化和穩(wěn)定水的磁處理效果的新技術(shù),從理論上分析了磁場(chǎng)下光子對(duì)冷卻子的物理化學(xué)作用,得出光磁協(xié)同處理可減少冷卻過(guò)程中硬垢生成,降低水的腐蝕性,殺滅水中的細(xì)菌。通過(guò)不同頻率光波與磁場(chǎng)的協(xié)同試驗(yàn),表明紅外光協(xié)同磁場(chǎng)處理的效果最佳。
    2.4.2　激光與電場(chǎng)協(xié)同防垢　
    夏茂等以“激光電場(chǎng)調(diào)控活性氧”為理論基礎(chǔ),采用激光和高頻電場(chǎng)以及單片機(jī)控制技術(shù),具有除垢防垢、殺菌滅藻、抗腐蝕、水質(zhì)凈化等多種功能。特定的電場(chǎng)能改變CaCO3的結(jié)晶形式,抑制方解石結(jié)晶鹽類(lèi)(硬垢)的產(chǎn)生,提供產(chǎn)生文石結(jié)晶鹽類(lèi)(軟垢)的能量,達(dá)到防垢的目的。
    2.4.3　電磁場(chǎng)與過(guò)濾結(jié)合　
    美國(guó)Drexel大學(xué)的YICho教授用電磁場(chǎng)與過(guò)濾結(jié)合進(jìn)行防垢實(shí)驗(yàn),研究表明,經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)處理后,晶體聚集,顆粒變大,再經(jīng)過(guò)過(guò)濾裝置截留,只有少量的晶體進(jìn)入換熱器,減少了積垢的形成[8]。
    2.4.4　電磁場(chǎng)與膜技術(shù)結(jié)合　
    北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院的陳金輝將膜技術(shù)和電磁技術(shù)結(jié)合,在低頻電磁場(chǎng)的作用下,對(duì)冷態(tài)工況下的抗垢、減垢強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明在電磁場(chǎng)的作用下,污垢晶體由致密型變?yōu)樗缮⑿?經(jīng)過(guò)膜過(guò)濾后,晶體量減少,起到了防垢的作用。
    2.4.5　超聲場(chǎng)與O3協(xié)同　
    大連理工大學(xué)的劉天慶研究超聲與O3控制生物垢的生長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)處理的生物垢厚度明顯低于未經(jīng)過(guò)處理的對(duì)照管內(nèi)的生物垢。他還進(jìn)行了生物垢移除實(shí)驗(yàn),生物垢在用O3處理后,再用超聲波處理,則90%以上的生物垢可以被移除,其效果遠(yuǎn)大于單獨(dú)使用O3和超聲的效果的加和。
    3　展望
    換熱是重要的化工單元,換熱設(shè)備壁面結(jié)垢現(xiàn)象非常普遍,給各國(guó)工業(yè)造成巨大的損失,是涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多產(chǎn)業(yè)和部門(mén)的一個(gè)急需解決的問(wèn)題。特別是在NaCl、KCl、NaOH等鹽、堿溶液的蒸發(fā)器和制糖、食品、造紙、海水淡化、廢水處理等蒸發(fā)設(shè)備,以及石油、化工精餾塔中的再沸器,由于料液中被溶解的固體物質(zhì)的析出,結(jié)垢更為嚴(yán)重。半個(gè)世紀(jì)以來(lái),人們對(duì)污垢問(wèn)題的研究給予很大的重視,提出了眾多防除積垢和強(qiáng)化傳熱的技術(shù)和方法。
    隨著人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng),對(duì)防垢的環(huán)保要求也日漸提高,國(guó)際先進(jìn)防垢技術(shù)正趨向于高效能、低毒無(wú)害、多功能、復(fù)合化的綠色產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展。