способ очистки теплообменника от накипи

Формула изобретения

1. Способ очистки теплообменника от накипи, включающий растворение кислотообразующего газа в воде путем водно-газовой эжекции, создание с помощью газа избыточного давления водного раствора до величины выше гидростатического сопротивления теплообменника и сброс этого давления, отличающийся тем, что после эжекции образованной водно-газовой дисперсии сообщают дополнительное вращательно-турбулентное движение, затем избыточное давление сбрасывают, по меньшей мере, однократно до давления образования кавитационных пузырьков, которое снова затем поднимают до первоначального его значения, при этом проводят подкисление водного раствора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кислотообразующего газа используют двуокись углерода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подкисление водного раствора осуществляют соляной кислотой в пределах 2% от общей массы водного раствора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания избыточного давления водного раствора для завершения кавитации используют воздух.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что подкисление водного раствора проводят до величины рН, составляющей 1,5-3 единицы.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что кавитационное давление принимают равным давлению насыщенных паров жидкости.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что циркуляцию водного раствора осуществляют постоянно в процессе всего времени очистки теплообменника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к способам очистки теплообменных аппаратов от накипных отложений.

Известен способ очистки теплообменника от накипи, заключающийся в том, что емкость теплообменника заполняют водой, затем включают насос и через редуктор баллона подают в емкость углекислый газ.

Насыщение углекислым газом воды, залитой в промываемую емкость, доводят до 800-1200 мг/л, так как при истечении углекислого газа редуктор и соединительный шланг подмерзают, то предусматривают их прогрев теплой водой. Насыщение СО₂ водного раствора происходит в течение 4-5 часов.

После насыщения газом СО ₂ воды баллон отключают и обеспечивают циркуляцию раствора по замкнутому контуру в течение 2-4 суток. Жесткость раствора контролируют через каждые 8 часов. При уменьшении в воде концентрации СО₂ в контур вновь подают газ до содержания его в растворе 800-1200 мг/л, через 3-4 суток, если увеличение жесткости прекращается, и при этом содержание углекислого газа не изменяется, очистку считают законченной. Раствор сливают. Теплообменник промывают водой. При необходимости отслоившуюся накипь из трубок удаляют индивидуальной струей воды с давлением 5-6 кгс/см² (1).

Этому способу присущи определенные недостатки:

- длительное время насыщения газом СО₂ моющего раствора;

- накипь может отделяться от поверхности теплообменника крупными кусками, в результате чего могут забиваться нижние коллектора котлов, что потребует дополнительных мероприятий и затрат.

Известен также способ очистки внутренней поверхности теплообменных труб теплообменника, при котором в теплообменную трубу многотрубного теплообменника со стороны входного отверстия подают двухфазную смесь жидкости и газа. На проходящий через трубу поток смеси воздействуют ультразвуком и удаляют отложения с внутренней поверхности трубы (2).

К числу недостатков этого способа следует отнести то, что ультразвук способствует нарушению сварочных и вальцевых соединений теплообменника. Кроме того, данный способ можно использовать только при очистке теплообменников с ограниченной емкостью, ибо для более емких теплообменников необходимы ультразвуковые излучатели большой мощности, что практически трудно достижимо.

Известен и способ очистки теплообменной поверхности от отложений, включающий растворение газов под избыточным давлением, обеспечение химического взаимодействия отложений с раствором и динамическое воздействие на отложения с помощью дисперсной газовой фазы при переменном давлении, в котором осуществляют дополнительное динамическое воздействие на отложения с помощью дисперсной газовой фазы, в том числе добавочного газового компонента путем растворения газов, при возможно максимальном давлении с обеспечением колебательного движения образующейся дисперсной системы в пределах теплообменной поверхности и нагрева полученного раствора. Водный раствор в виде дисперсной системы содержит в составе этой системы в количествах более растворимости кислород и кислородообразующий при растворении в воде газ, в котором в количестве не менее растворимости имеется добавочный газовый компонент, химически нейтральный к отложениям и продуктам их взаимодействия с раствором и обладающий каталитическим свойством. В качестве кислородообразующего газа используют смесь в составе указанной дисперсной системы двуокиси углерода и сероводорода в количестве около 1% относительно суммарного объема сероводорода и двуокиси углерода перед их растворением. В качестве дополнительного кислотообразующего газа рекомендуется применять с еще большим эффектом хлор, причем в количестве 13% от общего объема газов. Способ также характеризуется тем, что давление в дисперсной системе поддерживают преимущественно на постоянном уровне путем подвода дополнительного количества по меньшей мере одного из используемых газов, при этом при завершении химических реакций производят ступенчатое уменьшение давления до остаточного давления не ниже атмосферного (3).

Но и этому способу свойственны целый ряд недостатков и прежде всего это сложность его аппаратурной реализации, так как для сообщения раствору колебательных движений необходимо иметь поршневой насос с электродвигателем, а применение в технологии очистки теплообменной поверхности нескольких газов требует наличия четырех отдельных баллонов с редукторами, вентилями и манометрами, смесителя и гидроциклонов. Проведение очередной дегазации с помощью переменного давления и утилизации газов после завершения очистки теплообменника также требует наличия специализированного оборудования, что дополнительно говорит о сложности практического применения способа в производстве, а использование в технологическом процессе очистки пара для нагрева полученного раствора характеризует и неэкономичность способа. Кроме всего прочего, хлор и сероводород являются ядовитыми газами, и их применение в технологии очистки теплообменных поверхностей от накипи требует большой осторожности с точки зрения техники безопасности.

В предложенном способе используют как основной фактор химическое взаимодействие раствора с отложениями. При этом возникающее термодинамическое воздействие на разрушение накипи является как бы дополнительным самопроизвольным сопутствующим процессом, и поэтому ступенчатое уменьшение давления до остаточного значения не ниже атмосферного в конце процесса приводит к активации именно химического взаимодействия выделившихся дополнительных газов с отложениями, что непроизводительно.

Наиболее близким по решаемой задаче, технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ очистки теплообменника от накипи, который выбран в качестве прототипа (4).

Способ заключается в том, что теплообменник полностью заполняют водой и производят насыщение ее двуокисью углерода (углекислым газом СОз), например, путем использования водогазового эжектора, после чего останавливают рабочий насос, устанавливают давление подачи углекислого газа в теплообменник на уровне максимально допустимого для данного теплообменника и в момент его стабилизации осуществляют резкий сброс давления в теплообменнике за счет сообщения его с зоной пониженного давления. При этом после снижения давления сразу же вновь в теплообменнике повышают давление, подавая двуокись углерода до давления не ниже первоначально установленного максимального давления, затем давление снова сбрасывают до минимально возможного до тех пор, пока не наступит полная стабилизация рН газонасыщенного водного раствора, после чего очистку прекращают и промывают теплообменник водой для удаления осколков разрушенной накипи.

Однако и этот способ не лишен недостатков. Так при его реализации не полно используется явление кавитации, что замедляет процесс очистки теплообменника. Дело в том, что кавитация характеризуется двумя фазами: зарождения пузырьков при понижении давления и их схлопыванием при повышении давления в среде, окружающей пузырьки. При движении дисперсной жидкой среды пузырьки образуются на поверхностях, ограничивающих жидкость, примесях, при этом присутствие в жидкости растворенного газа способствует увеличению количества пузырьков, так как посторонние газовые включения выступают в качестве центров и ядер, на которых зарождается кавитация. В прототипе же после повышения давления осуществляется его сброс до давления окружающей среды, что сопровождается дегазацией моющего раствора, т.е. удаление из него газа, а это приводит к уменьшению центров кавитации, а следовательно, и к снижению воздействия пузырьков на очищаемую поверхность.

Следует также отметить, что при наличии в накипи отложений в виде сульфатов, силикатов и магнетитов, обладающих большой плотностью, крепко приставших к поверхности нагрева, полную отмывку теплообменника с помощью только углекислого газа выполнить практически невозможно.

Решить задачу по устранению недостатков прототипа и получение нового технического результата стало возможным за счет создания оригинального способа повышения эффективности удаления накипи с поверхности теплообменника.

Технический результат изобретения заключается в интенсификации процесса перемешивания водно-газовой смеси, равномерном насыщении газом водного раствора, в двойном воздействии на отложения накипи (химическое и механическое за счет кавитационной эрозии) и в уменьшении затратности процесса очистки теплообменников.

Этот результат достигается тем, что образованной после эжекции водно-газовой дисперсии сообщают дополнительное вращательно-турбулентное движение, после чего избыточное давление сбрасывают по меньшей мере однократно до давления образования кавитационных пузырьков, и которое снова затем поднимают до первоначального его значения и такие изменения давления проводят постоянно в течение всего времени очистки теплообменника, при этом проводят подкисление насыщенного газами водного раствора.

Наилучший результат достигается, когда в качестве кислотообразующего газа используют двуокись углерода, а подкисление проводят соляной кислотой в пределах 2% от общего объема водного раствора до величины рН, составляющей от 1,5 до 3 единиц.

Значительно ускоряет процесс очистки использование в качестве газовой среды для создания избыточного давления водного раствора воздуха, который имеет очень низкую растворимость (растворимость воздуха более чем в 65 раз меньше растворимости СО₂), и поэтому повышение давления с его помощью проходит со значительно большей скоростью по сравнению с тем же углекислым газом.

Благотворное влияние на измельчение кусков накипи оказывает постоянная циркуляция раствора по замкнутому контуру.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом из-за наличия отличительных признаков в формуле изобретения позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

Сущность предлагаемого технического решения также не является очевидной, поскольку введение в отличительную часть формулы изобретения в качестве признаков придания вращательного турбулентного движения водно-газовой дисперсии, полученной после эжекции, переменное изменение рабочего давления водного моющего раствора и его подкисление соляной или любой другой минеральной или органической кислотами представляет собой неизвестную совокупность признаков с получением нового технического результата и положительного эффекта в виде значительного снижения экономических затрат на проведение очистки теплообменников.

Это позволяет утверждать, что предлагаемое техническое решение очистки теплообменника обладает новыми свойствами, а следовательно, и изобретательским уровнем.

Промышленная применимость способа подтверждается актом сдачи-приемки работ по очистке котла Е-1/9 котельной №4 МУП "Семилукское ЖКХ".

Способ очистки теплообменника от накипи реализуется с помощью устройства, блок-схема которого изображена на фиг.1. На фиг.2 показана диаграмма изменения давления в теплообменнике при насыщении воды углекислым газом и подаче воздуха в зависимости от времени.

Способ очистки теплообменника от накипи осуществляют следующим образом. Теплообменник 1 (фиг.1), подлежащий очистке от накипи, полностью через вентиль 2 заполняется водой. После его заполнения вентиль 2 закрывают, включают рабочий насос 3 и прокачивают воду по замкнутому контуру через водогазовый эжектор 4 - статический смеситель 5 - теплообменник 1 - рабочий насос 3. Рабочий насос 3 работает в течение всего времени очистки теплообменника 1 от накипи и выключается только после завершения очистки или в случае аварийной ситуации. Затем включением клапана 6 по команде контроллера 7 через эжектор 4 со статическим смесителем 5 подается такое количество углекислого газа, которое при данном давлении и температуре может раствориться в заданном количестве воды, находящейся в теплообменнике.

При увеличении давления в теплообменнике до величины, равной Р₃ (фиг.2), наступает максимальное насыщение раствора CO₂. Время насыщения определяется производительностью рабочего насоса 3, характеристиками водогазового эжектора 4 и количеством воды в теплообменнике. В эжекторе 4 и статическом смесителе 5 происходит интенсивное перемешивание воды с моющими реагентами и газами, а благодаря уменьшению по ходу движения потока "живого" сечения смесителя происходит ускорение растворения газов в жидкости. При этом образованной водно-газовой дисперсии сообщается вращательно-турбулентное движение, в результате которого на выходе создается поток моющего раствора, который при сбросе давления до величины Р₃ будет иметь оптимальную "пузырьковую" структуру (5), что значительно интенсифицирует процесс отмывки теплообменных поверхностей (6).

Принцип и последовательность реализации способа отражена на диаграмме (фиг.2).После насыщения воды газом СО₂ давление в теплообменнике 1 поднимается с давления окружающей среды до давления Р₃. Повышение давления увеличивает количество растворенного в воде газа СО₂ , тем самым увеличивается количество центров зарождения кавитации, при этом в моющем растворе в теплообменнике образуется раствор угольной кислоты с большим избыточным газосодержанием. При контакте накипи с раствором угольной кислоты происходит ее частичное растворение и зарождение в контактируемом слое накипи поверхностных дефектов, через которые насыщенный раствор проникает под слой накипи к поверхности теплообменника. При достижении давления Р₃ (фиг.2), момент времени t₁, контроллер отключает клапан 6 подачи СО₂, включает клапан 10 сброса давления в теплообменнике, при понижении давления до величины Р₂ в движущем потоке моющего раствора начинают выделяться газовые пузырьки. В первую очередь они образуются на всех неровностях внутренней поверхности теплообменника, посторонних включениях (частицы накипи), в том числе газов, поэтому, чем больше газосодержание, тем больше число кавитационных пузырьков. В момент времени t ₂ контроллер отключает клапан 10 и включает клапаны 6 и 8, давление вновь повышается в теплообменнике до величины Р ₃ (на фиг.2 точка Р₃'), в это время (t ₃) зародившиеся пузырьки схлопываются и деформируют вокруг себя образование накипи. Разница между величинами давления Р ₂ и Р₃ должна быть больше величины давления насыщенных паров жидкости (моющего раствора). В момент времени t₃ закрывают клапаны 6,8 и открывают клапан 10, и вновь понижают давление в теплообменнике до величины Р₂ (точка Р₂'), момент времени t₄.

Количество изменений давлений в промежутке времени от t ₁ до t₇ определяют заранее, оно зависит от внутреннего объема теплообменника.

В момент времени t₆ давление в теплообменнике повышают только за счет углекислого газа, для чего включают клапан 6. Это связано с тем, что растворимость СО₂ в воде больше растворимости воздуха более чем в 65 раз и для насыщения моющего раствора СО₂ требуется значительно больше времени.

В момент времени t₇ , когда давление в теплообменнике достигнет значения Р₃ (точка Р₃ ^III), контроллер по сигналу датчика давления 9 вновь понизит давление до величины Р₂ (точка Р₂ ^III), момент времени t ₈ и так далее до t_к в течение всего периода очистки.

Для интенсификации процесса очистки при наличии в накипи труднорастворимых отложений и восстановления окислов металлов в теплообменник 1 через эжектор 4 и смеситель 5 из емкости 11 насосом 12 для подкисления водного раствора подается соляная кислота в объеме до 2% к общему количеству имеющейся в теплообменнике воды, больший процент HCl может вызвать повреждения сварных и вальцовочных соединений теплообменника. В соответствии с циклограммой воздух в теплообменник 1 подается по команде контроллера 1 периодически на стадиях подъема давления с Р₂ до Р₃ в течение времени t₂-t₃, t₄-t ₅ и t₈-t₉, а для восстановления концентрации кислоторастворимого газа СО₂ его пополнение происходит постоянно, за исключением промежутков времени сброса давления t₁-t₂, t₃-t₄ , t₅-t₆.

В процессе отмывки, периодически беря пробы из теплообменника, открыв вентиль 13, контролируют водородный показатель моющего раствора, поддерживая его рН выше 1,5-3 единиц. В течение всего времени очистки теплообменника цвет моющего раствора может изменяться от светлого, светло-желтого до темного.

Потемнение моющего раствора говорит о том, что началось разрушение наиболее твердых слоев накипи, как правило, расположенных ближе всего к металлу теплообменника. В это время часть раствора, насыщенного разрушенными, тонко измельченными частицами накипи, может скапливаться в нижних частях коллекторов и барабанов теплообменников и препятствовать проникновению свежих порций моющего раствора к поверхности теплообменника. Поэтому, по крайней мере, один раз в процессе отмывки необходимо моющий раствор, доведя его рН до значения 7, открыв вентиль 10, 13 и не выключая двигатель насоса 3, слить в отстойник. Затем закрыть вентили 10, 13. Открыв вентиль 2, заполнить теплообменник водой, закрыть вентиль 2 и продолжить отмывку.

Пример конкретной реализации способа отмывки котла Е-1/9, изготовленного Монастырским механическим заводом в 1988 году.

1. Объем котла, м³ - 1,5

2. Поверхность нагрева, м² - 35

3. Производительность, 1 тонна пара в час

4. Рабочее давление, МПа - 0,6

Толщина накипи составляла 1,5÷2 мм. Воздух подавали под давлением 0,35-0,5 МПа, СО₂ - 0,35 МПа. Содержание в 1 л моющего раствора соляной кислоты - 20 г, а двуокиси углерода 1,6 мг.

Во время чистки в котле поддерживали давление: верхнее - 0,28 МПа, нижнее - 0,22 МПа.

Отмывку производили в течение четырех дней. Водородный показатель моющего раствора поддерживали на уровне 1,5-3 единиц, периодически подкисляя его соляной кислотой. Моющий раствор изменил цвет. Пробы моющего раствора брали в начале и в конце смены каждый день. В первый день пробу взяли только в конце дня.

После 3-х дней чистки довели рН раствора до 7, слили моющий раствор в отстойник, убрали из нижней части барабана мелкодисперсные, твердые частицы накипи. Накипь осталась только вокруг мест соединения труб с барабаном и внизу барабана под слоем грязи. Котел промыли и вновь заполнили водой. С помощью насоса-дозатора довели рН моющего раствора до 2 и продолжили промывку.

В конце 4-го дня вновь остановили промывку, слили моющий раствор. После осмотра внутренней поверхности котла накипи обнаружено не было.

Предложенное изобретение позволяет уменьшить вредное воздействие кислот на окружающую среду, а также благодаря полной дисперсии накипи исключить возможность забивки трубопроводов кусками накипных отложений.

Источники информации

1. Н.Ч. Науменко. Очистка теплообменников от накипи углекислотой. Журнал "Энергетик", №4, 1997, с.21.

2. Заявка Японии №60-93879, F 28 G 13/00. Опубликована "Изобретения стран мира", выпуск 079, №6, 1996, с.9 "Способ очистки внутренней поверхности теплообменных труб теплообменника".

3. Патент Российской Федерации №2177994, 7 F 28 G 9/00 "Водный раствор и способ очистки теплообменной поверхности от отложений с его использованием". Опубликован 27.12.2001. Бюллетень №36.

4. Авторское свидетельство СССР №1747850, F 28 G 9/00 "Способ очистки теплообменника от накипи". Опубликовано 15.07.92. Бюллетень №26 (прототип).

5. Чисхолм Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках. Перевод с английского, 1986, с.27.

6. Авторское свидетельство СССР №961740, В 01 F 3/08 "Статический смеситель". Опубликовано 30.09.82. Бюллетень №36.