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新型合金催化體材料在化工廠的應用探析
新型合金催化體材料在化工廠的應用探析
（恩曼自動化技術（上海）有限公司 上海 201906 ）
摘要: 采用循環冷卻水是工業企業的節約水資源的重要途徑，但循環水的不斷使用，循環水的質量發生變化，給循環水冷卻裝置帶來嚴重的結垢和腐蝕問題。企業不得不對水冷卻器進行清洗、維修、更換，增加了生產成本，嚴重影響了正常的生產，他們的發生和存在給工業生產帶來的危害和損失是十分巨大的，造成了能源的浪費，生產效率的減低，設備的破壞等諸多的不良后果，世界各國都把污垢和腐蝕問題作為急待解決的重要問題，開展了廣泛的探討。
關鍵詞：結垢；冷卻器； 節能
Application of New Alloy Catalytic Materials in Chemical Plant
恩曼自動化技術（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
工業企業在日常生產中大量使用水為換熱設備及機泵等設備的冷卻介質，因循環水的硬度雜質等不同，就不可避免的產生水垢，結垢使換熱設備熱傳導工況惡化，傳熱面超溫過熱，引發鼓皰、裂紋、爆管等安全事故。由于污垢的傳熱能力極差，設備傳熱面結垢后，高溫側的溫度不能被快速傳導到低溫介質中，使傳熱面金屬壁溫度持續上升并達到蠕變溫度。當金屬壁溫度達到或超過蠕變溫度后，金屬的機械性能（如韌性、塑性）明顯惡化，抗拉強度、抗壓強度大幅度下降，很容易被高溫燒損變形。在設備帶壓運行的狀態下，過熱管壁因耐壓強度大幅下降而出現鼓皰、裂紋、泄漏甚至爆管的運行安全事故。根據國內部分省市技術監督部門的統計，鍋爐事故中因結垢和水質引起的事故占到了60%以上。同時管道和容器的腐蝕帶來的泄露和污染，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
工業用水中含有各種雜質，主要包括各種礦物、無機鹽和微生物。由于水的換熱容器不斷蒸發濃縮，水中的雜質會發生各種物理和化學變化，其中的鹽類達到飽和之后，隨著熱量的傳遞，溫度的升高，會陸續有結晶析出[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的溶解度隨溫 度的升高而下降，同時由于換熱接觸面溫度高于水溫，鹽類在換熱面附近溶解度 發生顯著下降，析出晶體聚結在換熱面的主要受熱面上，溫度越高的地方，水垢聚結的越厚越堅固。
在水循環系統中，由于水中溶有各種礦物質，如鈣和鎂的硫酸鹽和重碳酸 鹽，它們溶解于水中時，將以 Ca2+ 、Mg2+ 及 SO42- 和 HCO3- 的狀態在長時間地在系統管路中流動。在用水設備管道與大地相連的狀態下，由于設備接地呈負極性，于是正離子（Ca2+ 、Mg2+）將受器壁吸引而產生附壁效應，負離子（如 CO32-、SO42- 、HCO3- 等），又將和固定在器壁上的正離子結合，產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構分析
純水在 1.013×105Pa 下，0℃結冰，100℃時沸騰。而生活中經常使用的天然 水源，如自來水、工業用水等都含有無機物和有機物，這些水的物理化學性質和 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 的暫時硬水在加熱或煮沸時，就發生下列化學變化：
Ca（HCO3)2 → CaCO3 ↓+ CO2↑+H2O
Mg（HCO3)2 → CaCO3 ↓+ CO2↑+H2O
分解產生的不溶性的碳酸鹽沉淀就是水垢的成分，而且大多數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加以探討。常溫常壓下,碳酸鈣有6種已知的結構形式,即無定形碳酸鈣、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，穩定性增加，垢越加致密堅硬。碳酸鈣晶體主要分為兩種結構：方解石和霰石[2]。
由于水質因素的影響和結垢時的條件不同 ，出現的水垢化學組成較為復雜，但水垢的晶體結構多為方解石型結構，這種結構比較致密，易吸附于鍋爐壁上。
4、影響水結垢的因素
水的結垢通常可觀察到3種不同周期：誘導期、沉積物成長期和穩定狀態期。就任一種類型的結垢而言，不一定都會出現以上3種周期。如果要控制結垢，可以按照這樣的原則予以考慮，即充分重視誘導期，盡力限制結垢物在傳熱 表面附近的成長速率，盡力減小穩定期的傳熱阻力。它們的主次，取決于結垢過程的特性和結垢過程對總生產能力的限制程度。影響結垢的因素多種多樣，歸納起來，主要有流體性質、流體流速、換熱表 面的溫度和流程結構等。
（1）流體性質
流體性質是結垢的內在原因，比如流體含有顆粒則會引起顆 粒沉積結垢，流體內部成分可能發生反應或pH值發生變化，某些流體中含有的微量離子如Mg2+可起催化作用而發生難以預測的反應，流體中的鹽或其他物質 可能會因溫度或濃度的變化而結晶等。
（2）流體流速
流速對結垢的影響有兩種截然不同的結論：其一是認為增大流速可減小結垢速率，因為增大了流體對污垢層的剪切力，從而加快了垢層自表面的脫除；其二是認為增大流速會促進垢層的生長，因為在結垢過程中離子擴散的阻力較大，或因沉積物附著力很強而流體剪切力相對較弱。
（3）溫度
溫度包括流體本體的溫度和換熱表面的溫度，在許多場合下，二者相差很大。通過模擬硬水中CaCO3在壁面溫度恒定的換熱器中的結垢，發現其他條件不變時，隨溶液主體溫度的升高，漸進污垢熱阻呈先升后降的規律。溶液主體溫度升高到某一數值時，CaCO3的結垢速率會突然下降，這種現象出現在溶
液中Ca2+、HCO3- 濃度較高的情況下，而在相對較低的結垢離子濃度下，結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垢程度的參數不同，換熱表面溫度對結垢的影響程度無法直接比較。
5、恩曼CPRS裝置的機理
恩曼CPRS裝置內芯的材質含有銅、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催化體，它是一種能改變化學反應速度而本身又不參與反應的合金屬催化體材料。當流體流過恩曼CPRS合金時，它使極性水分子進一步極化，形成極性更強的“水偶極子”；當溫度和其它條件發生變化時，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和溶解狀態，從而達到防垢的目的: 恩曼CPRS裝罝不但可以阻止污垢沉積，同時也能將己沉積的污垢逐漸溶解去除，達到對設備、管道凈化的的效果，對防止藻類的生長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境，恩曼CPRS裝置安裝簡單，可以直接安裝在現有的管線上，使用過程維護保養方便。
由于恩曼CPRS裝置有以上功能，補充水（循環水）不需要相關（化學）處理，通過恩曼CPRS裝置后，水被“活化”，能夠直接供給設備用水，而設備管道不會產生結垢，同時恩曼CPRS裝置還有逐步去除老垢的作用，使設備的冷卻效果更好的
延長了設備使用壽命，從而避免使用化學藥劑，減少環境污染， 降低水處理成本，又因恩曼CPRS裝置對水溫適應范圍廣，一般的循環水系統均能滿足要求，由此表明使用恩曼CPRS裝置，不但能夠有效解決結垢問題，而且也能夠較大的提高循環水的濃縮倍數，可見其節水效果十分可觀。
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內部結構圖 芯片
6、恩曼CPRS裝置在燕山石化的應用
燕化公司煉油二廠三催化裝置油漿冷卻水箱，是車間關鍵的物料冷卻設備，現每日處理外甩油漿約288噸，平均12噸/時，外甩油漿進口溫度270℃，經冷卻后的處理溫度要保持在100-110℃之間才不會影響下一設備的正常生產。因沒有安裝除垢設備，現在定期要在循環水中添加除垢藥劑除垢，但效果還是不太理想，每個檢修周期還要把冷卻盤管吊拆下來進行機械除垢，油漿冷卻盤管的彎頭焊縫處因為長期覆蓋厚厚的水垢，由于結垢造成氧化腐蝕焊縫，每次除垢后還要進行補焊，嚴重時就要更換油漿冷卻盤管，現在車間的檢修周期為兩年據車間工程師介紹，每次清理完的1-2個月，冷卻效果還比較理想，但隨著時間越長，結垢就慢慢多起來，冷卻效果逐漸變差，操作人員不得不減少進油量來保持外甩油漿溫度甚至會影響到滿負荷運轉。
安裝恩曼CPRS裝置投用后，冷卻水經過設備后注入冷卻水箱，由于水箱內的冷卻水經設備處理，油漿盤管外壁的硬垢得到軟化，油漿盤管外壁所結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的水垢榴也得到有效的軟化，觀察金屬本體無新垢凝結。工藝技術分析：由于提高了熱交換效率，安裝60天后，外甩油漿從每小時12噸提高至現在的15噸，日處理量增加了72噸，在不增加循環水量的情況下，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，達到預期效果式[3]。
7、結束語
由此可見，恩曼CPRS裝置在化工企業使用起到了很好的防垢除垢的效果。該技術具有技術先進、切實可行；防垢除垢防效果顯著；提高企業的安全性；減低生產成本；節約能源；為該技術在化工企業推廣起到更加積極的作用，恩曼CPRS裝置是一種節能、減排、安全、環保的產品，它能減少企業的碳排放，助力實現“碳達峰，碳中和”的目標
參考文獻
1. 王新祥.換熱設備結垢機理的研究進展.現代化工.2002,22(4) :22～26
2. 王義武 合金材料防垢防腐蝕機理及試驗研究 哈爾濱工業大學 2008
3.CPRS防垢防腐蝕裝置在三催化油漿冷卻器上的應用研究 北京燕山石化 李鵬 金國剛 2016
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