高硬度循环水结垢机理的实验研究

第28卷第7期工业水处理Vol 28 No.72008年7月Industrial Water TreatmentJul.,2008试验研究高硬度循环水结垢机理的实验研究陈小砖1,任晓利1,陈永昌,马重芳2(L.河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作4540002.北京工业大学环境与能源工程学院,北京10002)[摘要]在换热设备中普遍存在结垢现象,污垢的存在会降低生产效率、消耗燃料,从而造成巨大的经济损失。现有的化学清洗方法不仅污染环境,而且会大大降低设备的使用寿命。作者对结垢过程中硬度、温度、流速等参数的影响大小进行了实验研究向人们揭示了高硬度循环水结垢过程中温度、硬度、流速等参数的影响,使人们对结垢机理有了深入的了解,这些实验数据将为接下来的抗垢实验研究打下坚实的基础[关键词]结垢;机理;热阻;温度;硬度[中图分类号]TK228[文献标识码]B[文章编号]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水垢附着的危害,轻者会降低换热器的传热效元/a,占当年工业生产总值的02%。目前国内外在率影响产量,严重时,则需停产检修,甚至更换换热结垢除垢方面都做了一定的研究并取得了一些成器。污垢所涉及的领域之广无与伦比,从日常生活到绩,有些厂家已经设计出不同结构或原理的除垢器工业生产,从一般换热器到航天航海器械都难以幸并投入到工业生产和日常生活中。目前除垢器存在免。R. Steinhagen等的调査表明,90%以上的换热的主要问题是一些用户反映除垢器效果不稳定,有器都不同程度地存在污垢问题,而换热器在石油、化的产品甚至加剧了换热面污垢的生成,原因主要工、电力、食品、造纸、水泥、冶金、公用工程等工业中是目前人们对循环水结垢的机理及影响因素还不是都占有相当比重。污垢通常是表面较粗糙的热的不很了解缺乏详细可靠的实验数据。因此当前迫切需良导体,它给换热过程增加了传热热阻和流动阻力,要对循环水结垢机理展开全面系统的实验研究。导致设备性能下降,甚至换热面腐蚀穿孔,引起一系1实验系统简介列的经济、安全问题。徐志明等通过典型机组的调本实验室建立了循环水结垢抗垢实验台。因为查、评估,并按2000年的火电装机容量推算,全国火现实中国煤化工的,为了加快实电企业锅炉因灰渣造成的损失为100.8亿元/a。如果验进HCNMHG高硬度水模拟循加上电站凝汽器的污垢损失,这一费用将达150亿环水。平头口以以又双设置来分析它们蔷金项目]国家重点基础研究开发规划(973)项目(200006304)试验研究工业水处理2008-07,28(7)各自在结垢过程中的影响情况,如管壁温、水温、水2800硬度等参数。首先介绍一下实验段的结构组成。实验·T=284℃·T=300℃段采用北京中科资源公司的紫铜管,内径为10mm▲T=31.4℃vT=387℃壁厚为3mm。铜管上焊有热电偶用来监测壁温,再绕上电热带为铜管加热,外面包上硅酸铝保温材料200以减少对环境的散热,如图1所示。电热带的实际输出功率大小可以通过调整变压器的输出电压来改变设计最高功率是1200W。1400间/h图3不同壁溫下管内壁换热系数的变化情况1—热电偶;2一保温层;3-加热带图1实验段结构组成由图2和图3可以看出,温度对结垢的影响比较大,特别在加热量较大的情况下显得更为突出下面简单介绍一下循环高硬度水结垢实验的基比如对于850W和1200W的实验,后者的热阻比本流程。人工配置的高硬度水在水泵推动下经过实前者高出324%。也可以看出在低加热量时甚至出验段被加热,水中的钙镁离子生成水垢在管壁上沉现了最后600W比800W实验结垢较为接近的现积接着循环水进入恒温冷水槽得到冷却使得温度象,这是因为低加热量管壁温度和水温均相差很降下来,于是又流到容器接着循环加热结垢。实验小。通过上述分析,可以初步得出管壁温度对结垢中,通过改变壁温、水温、硬度和流速等参数来研究的影响,即随着热流密度的增大,导致管壁温度的结垢的规律。实验溶液的配制方式为:在100L纯净增大,从而管壁上的结垢更严重。水中加入物质的量比为1:2的氯化钙和碳酸氢钠。22硬度对结垢的影响假设溶液的硬度为1000mg/L(以碳酸钙计,下同),在流量为140Lh(流速为0495m/s),加热功率这样一次实验需要加人的氯化钙、碳酸氢钠分别为为1200W,起始溶液硬度分别为800、1000mg的110.99、168.02g。条件下进行试验,考察循环水硬度变化对结垢的影2实验结果分析响。实验结果见图4、图52.1壁温对结垢的影响此组实验考察管壁温度对结垢的影响。在流量为140L/h(流速为0.495ms),溶液总量为100L,起始溶液硬度为1000mgL,加热功率分别为600、800850、1200W的条件下进行试验,研究了不同壁温时管壁结垢情况的差异。对应功率越高,管壁自4·硬度800mg/L温度越高。实验结果见图2、图3(图示中的温度是加药10h后的壁温值)。时间h图4不同硬度下实验水垢热阻的变化情况15六吣从图4、图5可以看出,硬度对管壁结垢的影响不是很大,在刚开始时硬度为1000mg/L比800mg/LT=284℃·T=300℃的结垢更快,在相同的实验时间下,硬度为1000的水垢热阻还是大一些。例如,在T=387℃实验中国煤化工少L的垢层热阻是CNMH GL的垢层热阻是时间h图2不同壁温下水垢热阻变化情况1.55×104m2·KW,高出了174%。在实验进行到最18工业水处理2008-07,28(7)陈小砖,等:高硬度循环水结垢机理的实验研究24003200豪20001800·硬度1000mg/L7=23.8℃·硬度800mgT=275℃叫。。。时间/h时间h图5不同硬度实验管内壁换热系数的变化情况图7不同水温管内壁换热系数的变化情况后时看出两者的差距在缩小,在实验进行10h后x104m2K/W;12月份实验的水垢热阻为146x800mgL的垢层热阻和1000mg/L的已是相差无几。10·m2KW。从中还可以看到流体温度越高溶液这说明了在一定的范围内水的硬度对结垢的影响不的稳定时间越短。是很大。24流速对结垢的影响2.3流体温度对结垢的影响这组实验是为了考察流速对管壁结垢的影响。在10月份和12月份安排了两个实验以考察流量为140Uh对应的流速是0495ms,流量为210流体温度对碳酸钙结垢过程的影响。两个实验时间Uh对应的流速是0743ms。为了保持管壁温度的相虽不同,但除了流体温度,其他实验条件可认为同,笔者根据流量的不同调整了加热量的大小致。流量分别为:10月份实验流量为205Ih(流速140Lh流量实验的加热功率是850W,210Lh流为0.725m/s);12月份实验流量为210L/h(流速为量实验的加热功率为1200W。两次实验用水硬度0743m/s)实验溶液为100L的硬度为1000mg/L均为100mg/L。实验结果见图8、图9实验过程中的高硬度溶液,加热功率均为1200W,由于实验管壁温度和流体温度可近似认为相等。分别在两个不同的月份进行,所以在不同环境温度的影响下,流体的温度也有差别。实验结果如图62.5和图7所示(图例中水温值是运行10h后的测定值)。刚刚运行时的流体温度分别为270、23.2℃,运行10h后两者分别为275、238℃。≌2.0图8不同流速水垢的热阻变化情况T=23.8℃·T=275℃6810122800图6不同水温的水垢热阻变化情况从图6、图7可见,流体温度对结垢的影响还是比较大的,由于水温的改变直接影响了水中碳酸氢2000中国煤化工钙的溶解度,从而导致水温为275℃时的水垢热阻较水温为2381℃时的水垢热阻大幅度提高。例CNMHG 10 12如,在运行10h后,10月份实验的水垢热阻为302图9不同流速管内壁换热系数变化情况试验研究工业水处理200807,28(7)从实验结果来看流量增加结垢减小。这可解释特点有关,我们做的是模拟实验,溶液是人工高硬为,虽然流速增大可以增加污垢沉积率,但与此同度水。流速的影响与流速的大小有关,流速越大,虽时,流速增大流体表面剪切力所引起的剥蚀率的增然增大了离子与管壁碰撞的几率,促进了流体与换大更为显著,因而造成总的增长率减小。这一结论与热面的物质交换,但对管壁已经沉积垢层的剥蚀率东北电力学院的杨善让的观点完全相同。另外,从也增大,所以总的说来流速的增大结垢倾向下降。水垢热阻图上还可以看出,当开始结垢时,210Lh流量实验的结垢速率明显高于140Lh流量实验。[参考文献]3结论[1] Steinhagen R, Steinhagen H, Maani K Problems and Costs due to实验研究了不同壁温、流体温度、硬度和流量在Heat Exchanger Fouling in New Zealand Industries[J]. Heat Trans-结垢过程中的影响,分析比较实验数据得到如下结论:fer Engineering. 1993, 14(1): 19-30.(1)结垢过程温度高低影响分析:管壁温度对[2]徐志明杨善让,郭淑青,等电站锅炉污垢费用估算[]中国电机工程学报,2004,24(2):196-200.结垢的影响取决于温度高低,温度越高,影响的程[3]白忻平,任建新梁成浩,超声处理在阻垢方面的研究[门]工业度越大越明显。流体温度对结垢有较明显的影响水处理,200,20(1):41-43当流体从23.8℃增加到27.5℃,热阻增加1倍,[4]杨善让徐志明,孙灵芳换热设备的污垢与对策[M]北京:科流体温度直接影响溶液中离子的溶解度,进而影学出版社,199599[5]Thackery P A. The Cost ofHeat Exchanger Plant[J]响离子在管壁表面的结垢行为。结垢是溶液中离Effuent and Water Treatment20:112-115.子相互碰撞结合成颗粒,然后淀析在换热面上的[作者简介]陈小砖(1979),2004年毕业于北京工业大学,硕士,动态过程,所以温度在结垢过程的影响较大讲师。电话:0391-3987545,Eail: chenxiaozhuan@hpu(2)结垢过程硬度和流速大小影响分析:硬度edu.cnc在变化范围较小时影响不是很明显,这与本实验的[收稿日期]2003-12(修改稿)·会讯2008中国水处理技术研讨会暨第28届年会征文通知在水资源短缺、水污染日益严重的形势下,科学利用水状和展望。资源,发展循环用水系统、污水处理回用系统和发展“零排要求论文内容充实并具有一定的新颖性,以达到交流效污”技术,开发绿色水处理药剂等已成为工业节水的核心问果;对专题研充的关键或突破性进展应有适当表述特别是对新题。为此,中国化工学会工业水处理专业委员会将于2008年型药剂品种应阐明化合物或聚合物类型,不可只用代号描述。文10月左右召开“2008中国水处理技术研讨会暨第28届年章格式,参考文献标注计量单位等参照《工业水处理》杂志会”。交流与推广水处理新药剂新方法、新设备新工艺。为有意在会刊或会议期间发布广告的客户请与秘书处或了达到会议效果特征集以下内容的论文,欢迎踊跃投稿。本刊广告部联系。国内外水处理技术进展、产业化和市场动态,以及发展会前将编辑出版论文集,请作者务必在征文截止日期之趋势的专论与综述。前提交电子文档,发邮件至kyan@ iwtchina. org。来稿注明联2国内外涉及水处理范畴的处理方法,各种药剂、设备、系地址、电话、传真和电子信箱。仪器与在线监测等方面的研究进展和成果的专题报告。征文截止日期:2008年8月31日联系人:康艳3水处理科学管理、合理用水、节水的实际经验总结。电话:022-26689332,26689329传真:022-26512114海水利用、中水回用等新技术的国内外研究与应用现(中国化工学会工业水处理专业委员会)·国内外水处理技术信息排水处理用絮凝剂——长谷川和也JP2007167721本发明提供了对于无机絮凝剂需求量大的难处理性有上的聚合氯化铝与二甲胺·环氧氯丙烷缩合物的相容性良机质污水的絮凝性优良的絮凝剂。絮凝剂含有盐基度58%以好,长中国煤化工程盐基度50%以下的上的聚合氯化铝和二甲胺环氧氯丙烷编合物。该絮凝剂用聚合CNMHG量添加就可发挥有于有机质污水处理,尤其食品加工厂等产生的含有机质、油效的效不Hpⅸm以w量。分多的排水处理是有效的。而且用作絮凝剂的盐基度58%以张淑云供稿