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换热器的结垢每年耗资巨大，严重时会影响安全生产的进行。换热器的结垢是指换热器与不洁净流体相接触而在固体表面上逐渐积聚起来的那层固态物质。结垢对换热设备的影响主要有：由于污垢层具有很低的导热系数，从而增加了传热热阻，降低了换热设备的传热效率；当换热设备表面有结垢层形成时，换热设备中流体通道的过流面积将减少，导致流体流过设备时的阻力增加，从而消耗更多的泵功率，使生产成本增加。 根据结垢层沉积的机理，可将污垢分为颗粒污垢、结晶污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢等。 1、颗粒污垢：悬浮于流体的固体微粒在换热表面上的积聚。这种污垢也包括较大固态微粒在水平换热面上因重力作用的沉淀层，即所谓沉淀污垢和其他胶体微粒的沉积。 2、结晶污垢：溶解于流体中的无机盐在换热表面上结晶而形成的沉积物，通常发生在过饱和或冷却时。典型的污垢如冷却水侧的碳酸钙、硫酸钙和二氧化硅结垢层。 3、化学反应污垢：在传热表面上进行的化学反应而产生的污垢，传热面材料不参加反应，但可作为化学反应的一种催化剂。 4、腐蚀污垢：具有腐蚀性的流体或者流体中含有腐蚀性的杂质对换热表面腐蚀而产生的污垢。通常，腐蚀程度取决于流体中的成分、温度及被处理流体的pH值。 5、生物污垢：除海水冷却装置外，一般生物污垢均指微生物污垢。其可能产生粘泥，而粘泥反过来又为生物污垢的繁殖提供了条件，这种污垢对温度很敏感，在适宜的温度条件下，生物污垢可生成可观厚度的污垢层。 6、凝固污垢：流体在过冷的换热面上凝固而形成的污垢。例如当水低于冰点而在换热表面上凝固成冰。温度分布的均匀与否对这种污垢影响很大。 防止结垢的技术应考虑以下几点：1、防止结垢形成；2、防止结垢后物质之间的粘结及其在传热表面上的沉积；3、从传热表面上除去沉积物。 防止结垢采取的措施包括以下几个方面： 一、设计阶段应采取的措施 在换热器的设计阶段，考虑潜在污垢时的设计，应考虑如下几个方面：1、换热器容易清洗和维修(如板式换热器)；2、换热设备安装后，清洗污垢时不需拆卸设备，即能在工业现场进行清洗；3、应取最少的死区和低流速区；4、换热器内流速分布应均匀，以避免较大的速度梯度，确保温度分布均匀(如折流板区)；5、在保证合理的压力降和不造成腐蚀的前提下，提高流速有助于减少污垢；6、应考虑换热表面温度对污垢形成的影响。 二、运行阶段污垢的控制 1、维持设计条件 由于在设计换热器时，采用了过余的换热面积，在运行时，为满足工艺需要，需调节流速和温度，从而与设计条件不同，然而应通过旁路系统尽量维持设计条件(流速和温度)以延长运行时间，推迟污垢的发生。 2、运行参数控制 在换热器运行时，进口物料条件可能变化，因此要定期测试流体中结垢物质的含量、颗粒大小和液体的pH值。 3、维修措施良好 换热设备维修过程中产生的焊点、划痕等可能加速结垢过程形成，流速分布不均可能加速腐蚀，流体泄漏到冷却水中，可为微生物提供营养，对空气冷却器周围空气中灰尘缺少排除措施，能加速颗粒沉积和换热器的化学反应结垢的形成。用不洁净的水进行水压试验，可引起腐蚀污垢的加速形成。 4、使用添加剂 针对不同类型结垢机理，可用不同的添加剂来减少或消除结垢形成。如生物灭剂和抑制剂、结晶改良剂、分散剂、絮凝剂、缓蚀剂、化学反应抑制剂和适用于燃烧系统中防止结垢的添加剂等。 5、减少流体中结垢物质浓度 通常，结垢随着流体中结垢物质浓度的增加而增强，对于颗粒污垢可通过过滤、凝聚与沉淀来去除。对于结疤类物质，可通过离子交换或化学处理来去除。 紫外线、超声、磁场、电场和辐射处理 紫外线对杀死细菌非常有效，超声(大于20k比)可有效抑制生物污垢，现在的研究还有磁场、电场和辐射处理装置，结论有待进一步研究。 三、化学或机械清洗技术 化学清洗技术是一种广泛应用的方法，有时在设备运行时，也能进行清洗，但其主要缺点是化学清洗液不稳定，对换热器和连结管处有腐蚀。 机械清洗技术通常用在除去壳侧的污垢，先将管束取出，沉浸在不同的液体中，使污垢泡软、松动，然后用机械方法除去垢层。 四、机械在线除垢技术 1、使用磨粒 在流体中加入固体颗粒来摩擦换热表面，以清除污垢，但对换热表面易产生腐蚀。 2、海绵胶球连续除垢 主要应用于电站凝汽器中冷却水侧的污垢清除，海绵胶球在换热器管内通过球泵打循环，胶球比管子直径略大，通过管子的每只胶球轻微地压迫管壁，在运动中擦除沉积物。 3、自动刷洗 换热器管道刷洗设施由2个外罩和1个尼龙刷组成，外罩安装在每根管的两端，改变水流方向可使刷子沿管道前后推进刷洗。水流换向方向可使刷子沿管道前推进刷洗。水流换向由压缩空气驱动并定时控制联结在管道上的四通阀来完成。 1、结垢原因 （1）流体的流动速度。流体的流速可通过对传热传质的影响和机械作用力使结垢受到影响，该影响过程非常复杂。事实上，流速对不同类型结垢产生的影响是不同的，对不同类型换热设备结垢的影响程度也不相同。在换热器中，流速对污垢的影响应该同时考虑其对污垢沉积和污垢剥蚀的影响，对于所有各类污垢，由于流速增大引起剥蚀率的增大较污垢沉积的速率更为显着，所以污垢增长率随着流速的增大而减小。但是在实际运行中，流速的增加将增大能耗，所以，流速并不是越高越好，应就能耗和污垢两个方面来综合考虑。 （2）流体性质。流体的性质包括流体本身的性质和不溶于流体或被流体夹带的各种物质的特性。在冷却水系统中，水质特性对污垢沉积起关键作用，若含有盐和其他物质，可能因温度或浓度的变化而结晶等；若含有不溶解气体会影响金属表面的腐蚀；若含有微生物和养分也对生物污垢有影响。 （3）传热壁面的温度。流体温度及其传热系数决定该界面温度。化学反应速度取决于温度，生物污垢也取决于温度，流体温度的增加一般会导致化学反应速度和生物污垢速度的增大，从而对污垢的沉积量产生影响，导致污垢增长率升高。 （4）换热设备参数。一是换热面材料：通常结垢情况与材料有很大关系。研究发现，铜合金材料对生物污垢起抑制作用。而对于其他常用的碳钢，不锈钢而言，只是通过腐蚀产物的沉积而影响结垢，而如果采用耐蚀性能良好的石墨或陶瓷等非金属材料，则不易发生结垢。二是换热面状态：换热面材料的表面质量会影响污垢的形成和沉积，表面粗糙度越大，越有利于污垢的形成和沉积。三是换热器结构：经验表明，一般板式换热器和螺旋板换热器的抗垢性能要优于管壳式换热器。 2、污垢的类型 对于常用的换热器而言，根据结垢机理，一般将污垢分为以下几类： （1）析晶污垢：指在过饱和流动的液体中溶解的无机盐结晶而沉积于换热器的表面所形成的污垢，就称为析晶污垢。水垢是工业设备中最常见的积垢，在水冷却系统中，由于水中过饱和的钙，镁盐类由于温度，pH等变化而从水中结晶沉积在换热器表面，即形成了水垢。 （2）微粒型污垢：流体系统中悬浮的固体颗粒如砂粒，灰尘，炭黑，在换热面上的积聚而形成的污垢。 （3）化学反应污垢：加热表面与流体之间，由于自氧化和聚合反应即化学反应而造成的沉积物形成。 （4）腐蚀型污垢：由于流体具有腐蚀性或含有腐蚀性的杂质而腐蚀换热面，产生腐蚀产物沉积于换热面上而形成污垢。 （5）生物型污垢：是由微生物群体及其排泄物与化学污染物，泥浆等组分粘附在换热管，管道等壁面上形成的胶粘状沉积物，称生物型污垢。 （6）凝固污垢：在过冷的换热面上，清洁液体或多组分溶液的高溶解组分凝固沉积而形成的污垢。 以上的分类只是表明了某个过程对形成该类污垢是一个主要过程，结垢往往是多种过程的共同作用结果而且相互影响，换热面上的实际污垢中，常常是多种污垢混合在一起的。 不过为了研究的简化，有必要先就单一污垢进行研究。 3、除垢措施 3.1机械清洗 机械清洗是提供一种大于污垢黏附力的力而去除附着在表面的污垢，这种清洗方法可以除去化学方法不能除去的碳化污垢和硬质垢。机械清洗的方法可分为以下两类： （1）强力清洗。强力清洗法是利用喷射设备将介质以极高的冲击力喷入换热器的管侧和壳侧，起到除垢的目的。常见的强力清洗法有喷丸清洗，高压水射流清洗，喷气清洗，喷砂清洗，强力清管器等。其中的高压水射流清洗多用于清除炭化垢或硬垢，而对于仅仅依靠冲击力是不能去除而必须依靠热量才能使其松动的污垢，则使用蒸汽喷射清洗。 （2）软机械清洗。这种清洗方法依靠插入物在管内的运动，与管子内表面接触，达到去除污垢的效果。 这种软机械清洗也称在线机械清洗[7]。常见的方法有旋转螺旋线法，液固流态化法，旋转纽带法，螺旋弹簧振动法，海绵胶球在线清洗法等。插入物的型式多种多样，其中的海绵胶球法是将直径比管子内径稍大的海绵球挤入管内以起到除垢的目的，还可以使用钢丝刷来清洗较低硬度的污垢。 3.2化学清洗 化学清洗是通过化学清洗液的使用，产生某种化学反应，使换热器传热管表面的水垢和其他沉积物溶解，脱落或剥离。 此方法清洗时间短，操作简单，除垢彻底干净，是目前使用最为广泛，有效的清洗方法之一。化学清洗可以在现场完成，劳动强度比机械清洗低而且清洗更完全，可以清洗机械清洗所不能到达的地方，并可避免机械清洗对换热面造成一定的机械损伤；而且化学清洗可以不用拆开设备，对于不能拆开的管壳式换热设备具有机械清洗所不能比拟的优点。 在清洗之前，应了解清洗的设备的结构，材质，污垢的分布和厚度以及其组成，从而合理地选择清洗主剂，缓蚀剂，和助剂，并且选择合适的清洗剂用量，浓度，速度，温度和时间[8]，最后应做好清洗废液的处理排放工作，避免对环境造成影响。 3.3物理清洗 物理清洗是借助各种机械外力和能量使污垢粉碎，分离并剥离离开物体表面，从而达到清洗的效果。常见的方法有，超声波除垢，PIG清管技术，电场除垢技术等。超声波除垢是利用超声波的空化效应，活化效应，剪切效应和抑制效应，从而起到除垢的效果。超声波除垢技术的关键是选择合适的超声波功率和频率大小以及清洗液的温度。 3.4微生物清洗 随着HRT的增加，COD去除率逐渐增加。当HRT>5min时，COD去除率基本趋于平稳，COD去除率达到约75.在电化学反应器内，由于流体的流动和气体的搅拌作用，大大增加了颗粒的碰撞和生长机会。电气浮产生的平均气泡粒径为20～70μm，具有比较大的比表面积，从而可为絮体提供更多的吸附和粘结中心，使絮体内部有气体，更有利于絮体上浮。因此，在较短时间内可以获得满意的处理效果。 3.3电流强度的影响 洗衣废水浊度，COD和MBAS的去除率与电流强度的关系。随着电流强度的提高，这几种指标的去除率逐渐增加。 按照Faraday电解定律，Al的电化学溶解及水的电解与所提供的电量（I/t）成正比。当通过1F（26.8Ah）电量时，理论上可溶出9gAl3 ，同时可释放出0.0224Nm3H2和O2，这远远大于DAF中所释放的气量。同时提高电流强度可获得更小的气泡，对于气浮分离过程十分有利。 4、总结 将电凝聚，电气浮和电化学氧化有机结合在一起，集成了电凝聚产生Al3 及其水解聚合产物的高效絮凝作用，不溶性电极产生的极小气泡的浮选作用和催化氧化电极的电化学氧化作用，研制了一种新型电化学反应器。采用该反应器处理洗衣废水，可有效去除废水中的表面活性剂，SS，COD和磷酸盐。
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