高硬度循環(huán)水結垢機理的實(shí)驗研究

第28卷第7期工業(yè)水處理Vol 28 No.72008年7月Industrial Water TreatmentJul.,2008試驗研究高硬度循環(huán)水結垢機理的實(shí)驗研究陳小磚1,任曉利1,陳永昌,馬重芳2(L.河南理工大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,河南焦作4540002.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京10002)[摘要]在換熱設備中普遍存在結垢現象,污垢的存在會(huì )降低生產(chǎn)效率、消耗燃料,從而造成巨大的經(jīng)濟損失?，F有的化學(xué)清洗方法不僅污染環(huán)境,而且會(huì )大大降低設備的使用壽命。作者對結垢過(guò)程中硬度、溫度、流速等參數的影響大小進(jìn)行了實(shí)驗研究向人們揭示了高硬度循環(huán)水結垢過(guò)程中溫度、硬度、流速等參數的影響,使人們對結垢機理有了深入的了解,這些實(shí)驗數據將為接下來(lái)的抗垢實(shí)驗研究打下堅實(shí)的基礎[關(guān)鍵詞]結垢;機理;熱阻;溫度;硬度[中圖分類(lèi)號]TK228[文獻標識碼]B[文章編號]1005-829X(2008)07-0017-04Experimental research on the scaling mechanism of circulating waterwith high hardnessChen Xiaozhuan, Ren Xiaoli, Chen Yongchang, Ma Chongfang,(1. Henan polytechnic University, School of Mechanical and Power Engineering, Jiaozuo 454000, China;2 Beying University of Technology, College of Environment and Energy Engineering, Beijing 100022, China)Abstract: Scaling phenomenon exists in heat exchangers here and there. It reduces production efficiency,consumes fuel, and therefore causes big economic loss. The present chemical cleaning measures notthe environment, but also shorten the using lifetime of equipment. A lot of experimental tests with regard to theeffect of parameters, such as hardness, temperature, velocity of flow, etc. in theprocess haveconducted. Some significant results have been achieved. The understanding of scaling mechanism is deepened.All the data can provide a firm foundation for the consequent anti-scaling researchKey words: scaling; mechanism; heat resistance; temperature; hardness水垢附著(zhù)的危害,輕者會(huì )降低換熱器的傳熱效元/a,占當年工業(yè)生產(chǎn)總值的02%。目前國內外在率影響產(chǎn)量,嚴重時(shí),則需停產(chǎn)檢修,甚至更換換熱結垢除垢方面都做了一定的研究并取得了一些成器。污垢所涉及的領(lǐng)域之廣無(wú)與倫比,從日常生活到績(jì),有些廠(chǎng)家已經(jīng)設計出不同結構或原理的除垢器工業(yè)生產(chǎn),從一般換熱器到航天航海器械都難以幸并投入到工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。目前除垢器存在免。R. Steinhagen等的調査表明,90%以上的換熱的主要問(wèn)題是一些用戶(hù)反映除垢器效果不穩定,有器都不同程度地存在污垢問(wèn)題,而換熱器在石油、化的產(chǎn)品甚至加劇了換熱面污垢的生成,原因主要工、電力、食品、造紙、水泥、冶金、公用工程等工業(yè)中是目前人們對循環(huán)水結垢的機理及影響因素還不是都占有相當比重。污垢通常是表面較粗糙的熱的不很了解缺乏詳細可靠的實(shí)驗數據。因此當前迫切需良導體,它給換熱過(guò)程增加了傳熱熱阻和流動(dòng)阻力,要對循環(huán)水結垢機理展開(kāi)全面系統的實(shí)驗研究。導致設備性能下降,甚至換熱面腐蝕穿孔,引起一系1實(shí)驗系統簡(jiǎn)介列的經(jīng)濟、安全問(wèn)題。徐志明等通過(guò)典型機組的調本實(shí)驗室建立了循環(huán)水結垢抗垢實(shí)驗臺。因為查、評估,并按2000年的火電裝機容量推算,全國火現實(shí)中國煤化工的,為了加快實(shí)電企業(yè)鍋爐因灰渣造成的損失為100.8億元/a。如果驗進(jìn)HCNMHG高硬度水模擬循加上電站凝汽器的污垢損失,這一費用將達150億環(huán)水。平頭口以以又雙設置來(lái)分析它們薔金項目]國家重點(diǎn)基礎研究開(kāi)發(fā)規劃(973)項目(200006304)試驗研究工業(yè)水處理2008-07,28(7)各自在結垢過(guò)程中的影響情況,如管壁溫、水溫、水2800硬度等參數。首先介紹一下實(shí)驗段的結構組成。實(shí)驗·T=284℃·T=300℃段采用北京中科資源公司的紫銅管,內徑為10mm▲T=31.4℃vT=387℃壁厚為3mm。銅管上焊有熱電偶用來(lái)監測壁溫,再繞上電熱帶為銅管加熱,外面包上硅酸鋁保溫材料200以減少對環(huán)境的散熱,如圖1所示。電熱帶的實(shí)際輸出功率大小可以通過(guò)調整變壓器的輸出電壓來(lái)改變設計最高功率是1200W。1400間/h圖3不同壁溫下管內壁換熱系數的變化情況1—熱電偶;2一保溫層;3-加熱帶圖1實(shí)驗段結構組成由圖2和圖3可以看出,溫度對結垢的影響比較大,特別在加熱量較大的情況下顯得更為突出下面簡(jiǎn)單介紹一下循環(huán)高硬度水結垢實(shí)驗的基比如對于850W和1200W的實(shí)驗,后者的熱阻比本流程。人工配置的高硬度水在水泵推動(dòng)下經(jīng)過(guò)實(shí)前者高出324%。也可以看出在低加熱量時(shí)甚至出驗段被加熱,水中的鈣鎂離子生成水垢在管壁上沉現了最后600W比800W實(shí)驗結垢較為接近的現積接著(zhù)循環(huán)水進(jìn)入恒溫冷水槽得到冷卻使得溫度象,這是因為低加熱量管壁溫度和水溫均相差很降下來(lái),于是又流到容器接著(zhù)循環(huán)加熱結垢。實(shí)驗小。通過(guò)上述分析,可以初步得出管壁溫度對結垢中,通過(guò)改變壁溫、水溫、硬度和流速等參數來(lái)研究的影響,即隨著(zhù)熱流密度的增大,導致管壁溫度的結垢的規律。實(shí)驗溶液的配制方式為:在100L純凈增大,從而管壁上的結垢更嚴重。水中加入物質(zhì)的量比為1:2的氯化鈣和碳酸氫鈉。22硬度對結垢的影響假設溶液的硬度為1000mg/L(以碳酸鈣計,下同),在流量為140Lh(流速為0495m/s),加熱功率這樣一次實(shí)驗需要加人的氯化鈣、碳酸氫鈉分別為為1200W,起始溶液硬度分別為800、1000mg的110.99、168.02g。條件下進(jìn)行試驗,考察循環(huán)水硬度變化對結垢的影2實(shí)驗結果分析響。實(shí)驗結果見(jiàn)圖4、圖52.1壁溫對結垢的影響此組實(shí)驗考察管壁溫度對結垢的影響。在流量為140L/h(流速為0.495ms),溶液總量為100L,起始溶液硬度為1000mgL,加熱功率分別為600、800850、1200W的條件下進(jìn)行試驗,研究了不同壁溫時(shí)管壁結垢情況的差異。對應功率越高,管壁自4·硬度800mg/L溫度越高。實(shí)驗結果見(jiàn)圖2、圖3(圖示中的溫度是加藥10h后的壁溫值)。時(shí)間h圖4不同硬度下實(shí)驗水垢熱阻的變化情況15六吣從圖4、圖5可以看出,硬度對管壁結垢的影響不是很大,在剛開(kāi)始時(shí)硬度為1000mg/L比800mg/LT=284℃·T=300℃的結垢更快,在相同的實(shí)驗時(shí)間下,硬度為1000的水垢熱阻還是大一些。例如,在T=387℃實(shí)驗中國煤化工少L的垢層熱阻是CNMH GL的垢層熱阻是時(shí)間h圖2不同壁溫下水垢熱阻變化情況1.55×104m2·KW,高出了174%。在實(shí)驗進(jìn)行到最18工業(yè)水處理2008-07,28(7)陳小磚,等:高硬度循環(huán)水結垢機理的實(shí)驗研究24003200豪20001800·硬度1000mg/L7=23.8℃·硬度800mgT=275℃叫。。。時(shí)間/h時(shí)間h圖5不同硬度實(shí)驗管內壁換熱系數的變化情況圖7不同水溫管內壁換熱系數的變化情況后時(shí)看出兩者的差距在縮小,在實(shí)驗進(jìn)行10h后x104m2K/W;12月份實(shí)驗的水垢熱阻為146x800mgL的垢層熱阻和1000mg/L的已是相差無(wú)幾。10·m2KW。從中還可以看到流體溫度越高溶液這說(shuō)明了在一定的范圍內水的硬度對結垢的影響不的穩定時(shí)間越短。是很大。24流速對結垢的影響2.3流體溫度對結垢的影響這組實(shí)驗是為了考察流速對管壁結垢的影響。在10月份和12月份安排了兩個(gè)實(shí)驗以考察流量為140Uh對應的流速是0495ms,流量為210流體溫度對碳酸鈣結垢過(guò)程的影響。兩個(gè)實(shí)驗時(shí)間Uh對應的流速是0743ms。為了保持管壁溫度的相雖不同,但除了流體溫度,其他實(shí)驗條件可認為同,筆者根據流量的不同調整了加熱量的大小致。流量分別為:10月份實(shí)驗流量為205Ih(流速140Lh流量實(shí)驗的加熱功率是850W,210Lh流為0.725m/s);12月份實(shí)驗流量為210L/h(流速為量實(shí)驗的加熱功率為1200W。兩次實(shí)驗用水硬度0743m/s)實(shí)驗溶液為100L的硬度為1000mg/L均為100mg/L。實(shí)驗結果見(jiàn)圖8、圖9實(shí)驗過(guò)程中的高硬度溶液,加熱功率均為1200W,由于實(shí)驗管壁溫度和流體溫度可近似認為相等。分別在兩個(gè)不同的月份進(jìn)行,所以在不同環(huán)境溫度的影響下,流體的溫度也有差別。實(shí)驗結果如圖62.5和圖7所示(圖例中水溫值是運行10h后的測定值)。剛剛運行時(shí)的流體溫度分別為270、23.2℃,運行10h后兩者分別為275、238℃?！?.0圖8不同流速水垢的熱阻變化情況T=23.8℃·T=275℃6810122800圖6不同水溫的水垢熱阻變化情況從圖6、圖7可見(jiàn),流體溫度對結垢的影響還是比較大的,由于水溫的改變直接影響了水中碳酸氫2000中國煤化工鈣的溶解度,從而導致水溫為275℃時(shí)的水垢熱阻較水溫為2381℃時(shí)的水垢熱阻大幅度提高。例CNMHG 10 12如,在運行10h后,10月份實(shí)驗的水垢熱阻為302圖9不同流速管內壁換熱系數變化情況試驗研究工業(yè)水處理200807,28(7)從實(shí)驗結果來(lái)看流量增加結垢減小。這可解釋特點(diǎn)有關(guān),我們做的是模擬實(shí)驗,溶液是人工高硬為,雖然流速增大可以增加污垢沉積率,但與此同度水。流速的影響與流速的大小有關(guān),流速越大,雖時(shí),流速增大流體表面剪切力所引起的剝蝕率的增然增大了離子與管壁碰撞的幾率,促進(jìn)了流體與換大更為顯著(zhù),因而造成總的增長(cháng)率減小。這一結論與熱面的物質(zhì)交換,但對管壁已經(jīng)沉積垢層的剝蝕率東北電力學(xué)院的楊善讓的觀(guān)點(diǎn)完全相同。另外,從也增大,所以總的說(shuō)來(lái)流速的增大結垢傾向下降。水垢熱阻圖上還可以看出,當開(kāi)始結垢時(shí),210Lh流量實(shí)驗的結垢速率明顯高于140Lh流量實(shí)驗。[參考文獻]3結論[1] Steinhagen R, Steinhagen H, Maani K Problems and Costs due to實(shí)驗研究了不同壁溫、流體溫度、硬度和流量在Heat Exchanger Fouling in New Zealand Industries[J]. Heat Trans-結垢過(guò)程中的影響,分析比較實(shí)驗數據得到如下結論:fer Engineering. 1993, 14(1): 19-30.(1)結垢過(guò)程溫度高低影響分析:管壁溫度對[2]徐志明楊善讓,郭淑青,等電站鍋爐污垢費用估算[]中國電機工程學(xué)報,2004,24(2):196-200.結垢的影響取決于溫度高低,溫度越高,影響的程[3]白忻平,任建新梁成浩,超聲處理在阻垢方面的研究[門(mén)]工業(yè)度越大越明顯。流體溫度對結垢有較明顯的影響水處理,200,20(1):41-43當流體從23.8℃增加到27.5℃,熱阻增加1倍,[4]楊善讓徐志明,孫靈芳換熱設備的污垢與對策[M]北京:科流體溫度直接影響溶液中離子的溶解度,進(jìn)而影學(xué)出版社,199599[5]Thackery P A. The Cost ofHeat Exchanger Plant[J]響離子在管壁表面的結垢行為。結垢是溶液中離Effuent and Water Treatment20:112-115.子相互碰撞結合成顆粒,然后淀析在換熱面上的[作者簡(jiǎn)介]陳小磚(1979),2004年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué),碩士,動(dòng)態(tài)過(guò)程,所以溫度在結垢過(guò)程的影響較大講師。電話(huà):0391-3987545,Eail: chenxiaozhuan@hpu(2)結垢過(guò)程硬度和流速大小影響分析:硬度edu.cnc在變化范圍較小時(shí)影響不是很明顯,這與本實(shí)驗的[收稿日期]2003-12(修改稿)·會(huì )訊2008中國水處理技術(shù)研討會(huì )暨第28屆年會(huì )征文通知在水資源短缺、水污染日益嚴重的形勢下,科學(xué)利用水狀和展望。資源,發(fā)展循環(huán)用水系統、污水處理回用系統和發(fā)展“零排要求論文內容充實(shí)并具有一定的新穎性,以達到交流效污”技術(shù),開(kāi)發(fā)綠色水處理藥劑等已成為工業(yè)節水的核心問(wèn)果;對專(zhuān)題研充的關(guān)鍵或突破性進(jìn)展應有適當表述特別是對新題。為此,中國化工學(xué)會(huì )工業(yè)水處理專(zhuān)業(yè)委員會(huì )將于2008年型藥劑品種應闡明化合物或聚合物類(lèi)型,不可只用代號描述。文10月左右召開(kāi)“2008中國水處理技術(shù)研討會(huì )暨第28屆年章格式,參考文獻標注計量單位等參照《工業(yè)水處理》雜志會(huì )”。交流與推廣水處理新藥劑新方法、新設備新工藝。為有意在會(huì )刊或會(huì )議期間發(fā)布廣告的客戶(hù)請與秘書(shū)處或了達到會(huì )議效果特征集以下內容的論文,歡迎踴躍投稿。本刊廣告部聯(lián)系。國內外水處理技術(shù)進(jìn)展、產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)動(dòng)態(tài),以及發(fā)展會(huì )前將編輯出版論文集,請作者務(wù)必在征文截止日期之趨勢的專(zhuān)論與綜述。前提交電子文檔,發(fā)郵件至kyan@ iwtchina. org。來(lái)稿注明聯(lián)2國內外涉及水處理范疇的處理方法,各種藥劑、設備、系地址、電話(huà)、傳真和電子信箱。儀器與在線(xiàn)監測等方面的研究進(jìn)展和成果的專(zhuān)題報告。征文截止日期:2008年8月31日聯(lián)系人:康艷3水處理科學(xué)管理、合理用水、節水的實(shí)際經(jīng)驗總結。電話(huà):022-26689332,26689329傳真:022-26512114海水利用、中水回用等新技術(shù)的國內外研究與應用現(中國化工學(xué)會(huì )工業(yè)水處理專(zhuān)業(yè)委員會(huì ))·國內外水處理技術(shù)信息排水處理用絮凝劑——長(cháng)谷川和也JP2007167721本發(fā)明提供了對于無(wú)機絮凝劑需求量大的難處理性有上的聚合氯化鋁與二甲胺·環(huán)氧氯丙烷縮合物的相容性良機質(zhì)污水的絮凝性?xún)?yōu)良的絮凝劑。絮凝劑含有鹽基度58%以好,長(cháng)中國煤化工程鹽基度50%以下的上的聚合氯化鋁和二甲胺環(huán)氧氯丙烷編合物。該絮凝劑用聚合CNMHG量添加就可發(fā)揮有于有機質(zhì)污水處理,尤其食品加工廠(chǎng)等產(chǎn)生的含有機質(zhì)、油效的效不Hpⅸm以w量。分多的排水處理是有效的。而且用作絮凝劑的鹽基度58%以張淑云供稿