新型合金催化体材料在化工厂的应用探析

（恩曼自动化技术（上海）有限公司  上海  201906 ）

摘要: 采用循环冷却水是工业企业的节约水资源的重要途径，但循环水的不断使用，循环水的质量发生变化，给循环水冷却装置带来严重的结垢和腐蚀问题。企业不得不对水冷却器进行清洗、维修、更换，增加了生产成本，严重影响了正常的生产，他们的发生和存在给工业生产带来的危害和损失是十分巨大的，造成了能源的浪费，生产效率的减低，设备的破坏等诸多的不良后果，世界各国都把污垢和腐蚀问题作为急待解决的重要问题，开展了广泛的探讨。

关键词：结垢；冷却器； 节能

Application of New Alloy Catalytic Materials in Chemical Plant

       恩曼自动化技术（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

工业企业在日常生产中大量使用水为换热设备及机泵等设备的冷却介质，因循环水的硬度杂质等不同，就不可避免的产生水垢，结垢使换热设备热传导工况恶化，传热面超温过热，引发鼓疱、裂纹、爆管等安全事故。由于污垢的传热能力极差，设备传热面结垢后，高温侧的温度不能被快速传导到低温介质中，使传热面金属壁温度持续上升并达到蠕变温度。当金属壁温度达到或超过蠕变温度后，金属的机械性能（如韧性、塑性）明显恶化，抗拉强度、抗压强度大幅度下降，很容易被高温烧损变形。在设备带压运行的状态下，过热管壁因耐压强度大幅下降而出现鼓疱、裂纹、泄漏甚至爆管的运行安全事故。根据国内部分省市技术监督部门的统计，锅炉事故中因结垢和水质引起的事故占到了60%以上。同时管道和容器的腐蚀带来的泄露和污染，酿成燃烧或爆炸等，也同样是安全事故主因之一。

2、水垢的形成

工业用水中含有各种杂质，主要包括各种矿物、无机盐和微生物。由于水的换热容器不断蒸发浓缩，水中的杂质会发生各种物理和化学变化，其中的盐类达到饱和之后，随着热量的传递，温度的升高，会陆续有结晶析出^[1]。其中酸式碳酸盐易受热分解形成难溶的碳酸盐沉淀。另外，形成水垢的一些杂质的溶解度随温 度的升高而下降，同时由于换热接触面温度高于水温，盐类在换热面附近溶解度 发生显著下降，析出晶体聚结在换热面的主要受热面上，温度越高的地方，水垢聚结的越厚越坚固。

在水循环系统中，由于水中溶有各种矿物质，如钙和镁的硫酸盐和重碳酸 盐，它们溶解于水中时，将以 Ca²⁺ 、Mg²⁺ 及 SO₄^2- 和 HCO^3- 的状态在长时间地在系统管路中流动。在用水设备管道与大地相连的状态下，由于设备接地呈负极性，于是正离子（Ca²⁺ 、Mg²⁺）将受器壁吸引而产生附壁效应，负离子（如 CO3^2-、SO₄^2- 、HCO₃^- 等），又将和固定在器壁上的正离子结合，产生难溶性的碳酸盐沉淀而形成水垢。

3、水垢的主要成分和晶体结构分析

纯水在 1.013×10⁵Pa 下，0℃结冰，100℃时沸腾。而生活中经常使用的天然 水源，如自来水、工业用水等都含有无机物和有机物，这些水的物理化学性质和 纯水有所不同。 一般情况下，新鲜的水中含有Ca²⁺ 、Mg²⁺  HCO₃^-  Cl^-等。含有 Ca（HCO₃)₂ 、Mg(HCO₃)₂ 的暂时硬水在加热或煮沸时，就发生下列化学变化：

Ca（HCO₃)₂  →  CaCO₃ ↓+ CO₂↑+H₂O

Mg（HCO₃)₂  →  CaCO₃ ↓+ CO₂↑+H₂O

分解产生的不溶性的碳酸盐沉淀就是水垢的成分，而且大多数水垢的成分是以碳酸钙为主的，因此以水中碳酸钙沉淀为主要目标加以探讨。常温常压下,碳酸钙有6种已知的结构形式,即无定形碳酸钙、单水碳酸钙、六水碳酸钙、球霰石、霰石(又称文石)和方解石，其能量依顺序降低，稳定性增加，垢越加致密坚硬。碳酸钙晶体主要分为两种结构：方解石和霰石^[2]。

由于水质因素的影响和结垢时的条件不同 ，出现的水垢化学组成较为复杂，但水垢的晶体结构多为方解石型结构，这种结构比较致密，易吸附于锅炉壁上。

4、影响水结垢的因素

水的结垢通常可观察到3种不同周期：诱导期、沉积物成长期和稳定状态期。就任一种类型的结垢而言，不一定都会出现以上3种周期。如果要控制结垢，可以按照这样的原则予以考虑，即充分重视诱导期，尽力限制结垢物在传热 表面附近的成长速率，尽力减小稳定期的传热阻力。它们的主次，取决于结垢过程的特性和结垢过程对总生产能力的限制程度。影响结垢的因素多种多样，归纳起来，主要有流体性质、流体流速、换热表 面的温度和流程结构等。

（1）流体性质 

流体性质是结垢的内在原因，比如流体含有颗粒则会引起颗 粒沉积结垢，流体内部成分可能发生反应或pH值发生变化，某些流体中含有的微量离子如Mg²⁺可起催化作用而发生难以预测的反应，流体中的盐或其他物质 可能会因温度或浓度的变化而结晶等。

（2）流体流速

流速对结垢的影响有两种截然不同的结论：其一是认为增大流速可减小结垢速率，因为增大了流体对污垢层的剪切力，从而加快了垢层自表面的脱除；其二是认为增大流速会促进垢层的生长，因为在结垢过程中离子扩散的阻力较大，或因沉积物附着力很强而流体剪切力相对较弱。

（3）温度

温度包括流体本体的温度和换热表面的温度，在许多场合下，二者相差很大。通过模拟硬水中CaCO₃在壁面温度恒定的换热器中的结垢，发现其他条件不变时，随溶液主体温度的升高，渐进污垢热阻呈先升后降的规律。溶液主体温度升高到某一数值时，CaCO₃的结垢速率会突然下降，这种现象出现在溶

液中Ca²⁺、HCO₃^- 浓度较高的情况下，而在相对较低的结垢离子浓度下，结垢速率则一直随主体温度升高而逐渐增大。由于研究者所采用反映结垢程度的参数不同，换热表面温度对结垢的影响程度无法直接比较。

5、恩曼CPRS装置的机理

恩曼CPRS装置内芯的材质含有铜、锌、镍等九种不同的金属成分，这些金属可以形成一种特殊的电化学催化体，它是一种能改变化学反应速度而本身又不参与反应的合金属催化体材料。当流体流过恩曼CPRS合金时，它使极性水分子进一步极化，形成极性更强的“水偶极子”；当温度和其它条件发生变化时，它能将金属离子和酸根离子有效吸附在它的两端。流体中的固相颗粒受其作用的影响始终处于悬浮状态和溶解状态，从而达到防垢的目的: 恩曼CPRS装罝不但可以阻止污垢沉积，同时也能将己沉积的污垢逐渐溶解去除，达到对设备、管道净化的的效果，对防止藻类的生长和抑制金属的氧化腐蚀也有一定作用，也适用于高温高压工作环境，恩曼CPRS装置安装简单，可以直接安装在现有的管线上，使用过程维护保养方便。

由于恩曼CPRS装置有以上功能，补充水（循环水）不需要相关（化学）处理，通过恩曼CPRS装置后，水被“活化”，能够直接供给设备用水，而设备管道不会产生结垢，同时恩曼CPRS装置还有逐步去除老垢的作用，使设备的冷却效果更好的

延长了设备使用寿命，从而避免使用化学药剂，减少环境污染， 降低水处理成本，又因恩曼CPRS装置对水温适应范围广，一般的循环水系统均能满足要求，由此表明使用恩曼CPRS装置，不但能够有效解决结垢问题，而且也能够较大的提高循环水的浓缩倍数，可见其节水效果十分可观。

                  内部结构图                                          芯片   

6、恩曼CPRS装置在燕山石化的应用

燕化公司炼油二厂三催化装置油浆冷却水箱，是车间关键的物料冷却设备，现每日处理外甩油浆约288吨，平均12吨/时，外甩油浆进口温度270℃，经冷却后的处理温度要保持在100-110℃之间才不会影响下一设备的正常生产。因没有安装除垢设备，现在定期要在循环水中添加除垢药剂除垢，但效果还是不太理想，每个检修周期还要把冷却盘管吊拆下来进行机械除垢，油浆冷却盘管的弯头焊缝处因为长期覆盖厚厚的水垢，由于结垢造成氧化腐蚀焊缝，每次除垢后还要进行补焊，严重时就要更换油浆冷却盘管，现在车间的检修周期为两年据车间工程师介绍，每次清理完的1-2个月，冷却效果还比较理想，但随着时间越长，结垢就慢慢多起来，冷却效果逐渐变差，操作人员不得不减少进油量来保持外甩油浆温度甚至会影响到满负荷运转。

安装恩曼CPRS装置投用后，冷却水经过设备后注入冷却水箱，由于水箱内的冷却水经设备处理，油浆盘管外壁的硬垢得到软化，油浆盘管外壁所结的硬垢得到软化变得蓬松使用金属物刮擦大面积脱落，盘管弯头焊缝处凝结的水垢榴也得到有效的软化，观察金属本体无新垢凝结。工艺技术分析：由于提高了热交换效率，安装60天后，外甩油浆从每小时12吨提高至现在的15吨，日处理量增加了72吨，在不增加循环水量的情况下，外甩油浆量提高25%，且出口油浆温度未提高。从以上情况分析，达到预期效果式^[3]。

7、结束语

由此可见，恩曼CPRS装置在化工企业使用起到了很好的防垢除垢的效果。该技术具有技术先进、切实可行；防垢除垢防效果显著；提高企业的安全性；减低生产成本；节约能源；为该技术在化工企业推广起到更加积极的作用，恩曼CPRS装置是一种节能、减排、安全、环保的产品，它能减少企业的碳排放，助力实现“碳达峰，碳中和”的目标

参考文献

1. 王新祥.换热设备结垢机理的研究进展.现代化工.2002,22(4) :22～26

2. 王义武 合金材料防垢防腐蚀机理及试验研究 哈尔滨工业大学 2008

3.CPRS防垢防腐蚀装置在三催化油浆冷却器上的应用研究 北京燕山石化 李鹏 金国刚 2016