CPM绿色防垢技术在余热利用中的展望21.docx
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CPM绿色防垢技术在余热利用中的展望21
CPM绿色防垢技术在余热利用中的展望
周灿旭1周凯升2李君洋2
1.中南大学粉末冶金研究院湖南长沙410083
2.济宁广泰能源技术有限公司山东济宁高新区置业大厦1902山东济宁272000
摘要
CPM绿色防垢技术是以CPM复合粉末冶金防垢材料为核心的一种新的物理防垢技术,可以改变水中CaCO3结晶的外部环境,有效的控制水垢晶体的结构和形貌,阻止方解石晶粒聚集形成坚实的硬垢,使文石聚集形成软垢体,形成水渣而随水排出。
不含任何化学合成组分,不影响水质,不污染环境,不需用增加动力,不消耗能源,不排废水,节能、环保、高效,维护量小等特点。
可广泛的应用于以水为换热工质的余热利用等各个方面。
关键词;绿色防垢粉末冶金余热利用
TheProspectofCPMGreenScalePreventionTechnologyUsedinResidual-heatUtilization
ZhouCanXu1ZhouKaisheng2
1.CentralSouthUniversity,Changsha410083,China
2.JiningGuangTaiEnergyTechnologyCo.,Ltd,ShandongJining,272000,China
Abstract
TheCPM(CompositePowderMetallurgy)greenscalepreventiontechnologyisanewtypeofphysicalscalepreventiontechnologywiththeCPMantiscalematerialsasthecore.ThistechnologycanchangethecrystallizationexternalenvironmentofCaCO3inthewater,effectivelycontrolthestructureandmorphologyofscalecrystal,preventthecalcitefromformingharddirty,andmakethearagoniteformsoftdirtbodywhichcanbedrainedoffalongwithwater.Thistechnologydonotcontainanychemicalsynthesiscomponents,donotaffectwaterquality,donothavepollution,donotneedtoincreasepower,donotconsumeenergy,anddonotdrainoffwastewater.Ithavethecharacteristicsofenergysaving,environmentalprotection,highefficiency,smallamountofmaintenanceandcanbewidelyusedinresidual-heatutilizationandotheraspectsusingthewaterasheattransfermedium
Keywords:
greenscaleprevention,powdermetallurgy,residual-heatutilization
1、引言
余热利用作为一项国家鼓励与大力扶持、推广的节能环保项目,越来越引起人们的关注。
各种余热回收的新技术不断涌现,余热的回收彰显出非常好的经济和社会效益。
目前,余热回收技术中大部分是采用水作为热交换的工质,而用水做为热交换工质,一个很难逾越的障碍就是结垢的问题,近年来,防垢技术和除垢技术都有了长足的进步。
但是,水垢仍是防不胜防,除之不尽。
水垢的质地比较致密,大大降低了传热效率,0.6毫米的垢厚就使传热系数降低了20%。
随着时间的延长,垢也越积越厚,最终影响正常生产,由此而引发的锅炉爆炸等恶性事故时有发生。
传统的解决办法多为化学投药、化学清洗等。
而这些传统的处理方法,既对环境和地下水源造成了严重的污染,又让设备起到不必要的化学腐蚀导致寿命缩短。
并且购置传统水处理设备和运行费用非常昂贵,还需要专人专地调试操作,水垢现象仍然存在。
CPM绿色防垢技术的研发成功将长期以来有识之士追求的不加药、不排污、受热面和传热面不结垢的理想境界变为了现实。
为解除水系统中垢的困扰迈出了革命性的一步。
CPM绿色防垢技术原理
结晶学认为,CaCO3属同质多晶型晶体。
结晶过程中受环境参数、操作条件以及杂质等影响,能够生成方解石、文石和球霰石三种晶型的结晶体。
CaCO3方解石晶体属三方晶系,形成晶胞为钝棱面体、质地坚硬的结晶。
文石晶型为斜方双锥型,球霰石为复三方双锥晶体结构,它们结晶生成的CaCO3晶体呈针状或球状,质地松软,在水中的溶解度低,大部分生成水渣。
文石、球霰石的存在是软垢生成的基本原因。
碳酸钙水溶液中碳酸钙水垢结晶形貌、晶体结构受表面张力、pH值、水的活性、缔合度环境因素的影响。
有效的控制这些环境因素,就可以有效的控制水垢晶体的生长,也就能实现在水系统中阻垢、防垢的目的。
CPM(compositepowdermetallurgy)复合粉末冶金材料是由采用粉末冶金的原理和方法加工而成,富含铜、硼、锌、铝、钠、铁、镁、锂、钛、碳等元素。
是一种可改变碳酸钙结晶环境而使水中的碳酸钙以文石或球霰石形态结晶的复合材料。
在该材料的作用下,水体系的pH值、表面张力等条件发生改变,能抑制水中的CaCO3在析出结晶过程中生成方解石晶核,使从水析出的晶粒中形成硬垢的方解石晶粒所占比例减少,文石、球霰石晶粒所占的比例增加,有效的控制水垢晶体的结构和形貌,阻止方解石晶粒聚集形成坚实的硬垢,使文石、球霰石聚集形成软垢体,形成水渣而随水排出。
经本产品激活的水还有除垢效果,能将已附着于管壁、器壁的旧垢渐次变得松软、逐步剥落,直至逐渐去除积垢。
2CPM阻垢器
CPM系列阻垢器是以CPM(compositepowdermetallurgy复合粉末冶金)材料为核心,针对不同的用水系统开发的阻垢器产品,适用于余热利用、电力、冶金、钢铁、船舶、石油、建材、化工、化纤、造纸、煤炭、食品、供热等行业用水系统的绿色防垢。
2.1常规COM阻垢器
常规COM阻垢器是指适用于相对干净水质的防垢装置,由筒(罐)体和CPM复合粉末冶金防垢材料两部分组成,CPM复合粉末冶金防垢材料装在筒(罐)体内。
当处理的水由阻垢器的进口进入到CPM阻垢器内,水流速减缓,能较充分的与筒(罐)体的CPM复合粉末冶金防垢材料接触,水体系的pH值、表面张力等发生改变,抑制水中的CaCO3在析出结晶过程中生成方解石晶核,使从水析出的晶粒中形成硬垢的方解石晶粒所占比例减少,文石晶粒所占的比例增加,有效的控制水垢晶体的结构和形貌,阻止方解石晶粒聚集形成坚实的硬垢,使文石聚集形成软垢体,形成水渣而随水排出,并将已附着于管壁、器壁的旧垢渐次变得松软、逐步剥落,直至逐渐去除积垢。
CPM-1型适用于循环水量为50t/h以下,CPM-2型适用于循环水量为50t/h~500t/h,CPM-3型适用于循环水量为500t/h~1000t/h,CPM-4型适用于循环水量为1000t/h~20000t/h。
(图1)
图2-1常规COM阻垢器外型
阻垢器在现场安装有如下三种方式(图2)
安装方式一:
是将阻垢器安装在主管道上,旁路设有阀门。
当阻垢器正常运行时旁路阀门常关。
当阻垢器检修维护时,关闭阻垢器两端的阀门,打开旁路阀门,使系统正常运行。
这种安装方式适用于新安装供水管道且供水系统不能间断运行的工况。
安装方式二:
是将阻垢器安装在旁管道上,主路设有阀门。
当阻垢器正常运行时主路阀门常关。
当阻垢器检修维护时,关闭阻垢器两端的阀门,打开主路阀门,使系统正常运行。
这种安装方式适用于在旧供水管道技改且供水系统不能间断运行的工况。
安装方式三:
是将阻垢器安装在主管道上,无旁路管道。
这种安装方式适用阻垢器检修维护随主机设备检修时进行的工况。
图2-2阻垢器安装示意图
2.2CPM-05无动力自动排污阻垢器
CPM-05无动力自动排污阻垢器是针对水中含有一定铁锈、泥等杂质而导致在受热面和传热面不但附着碳酸钙硬垢还有大量泥垢的情况设计的一种阻垢器,能使受热面和传热面无结碳酸钙硬垢也无泥垢。
CPM-05无动力自动排污阻垢器由无动力自动排污阻垢器主体、主管道电动阀、阻垢器进水电动阀、阻垢器出水电动阀、排污电动阀、主管道压力表、阻垢器出水压力表、快速进排气阀和控制器等组成,无动力自动排污阻垢器主体的下部分为污水过滤装置,上部分为CPM复合粉末冶金防垢材料。
阻垢器工作时,主管道电动阀和排污电动阀关闭,阻垢器进水电动阀、阻垢器出水电动阀打开,待处理的水从旁路切向进入无动力自动排污阻垢器主体的下部,水中的密度大的杂质颗粒进入底部,密度小的被截留在过滤材料内,经过滤杂质后的水进入CPM复合粉末冶金防垢材料的水处理区,通过出口进入所需的管道进行工艺循环。
如此不断地循环,被截留下的杂质颗粒越来越多,过滤速度越来越慢,在进出口之间产生压力差,当压差达到定值时,压差变送器将信号传送到控制器,打开主管道电动阀,关闭阻垢器进水电动阀、阻垢器出水电动阀和排污电动阀,快速进排气阀自动打开进气,无动力自动排污阻垢器主体内的水向下反冲,杂质从排污口排出。
排污过程结束后,恢复原阻垢器工作状态。
(图3)
图2-3无动力自动排污阻垢器
3.CPM绿色防垢技术的应用
2010年5月开始用于了华能济宁高新区热电有限公司的射水抽气冷却水系统,取得良好的效果。
该公司有两套射水抽气装置,采用未经化学处理剂处理的工业水水进行冷却,管道和设备结垢现象非常严重,水泵叶轮每两个月就要用停机用专用工具清理一次,每次清理需要48小时,严重的影响系统的正常运行。
2010年5月6日首先用于1号系统,7月7日检查时发现,水泵叶轮再无新垢产生,而溢水管的硬垢全部脱落,管内壁无硬垢附着,而与1号机组同时同条件运行的二号机组的溢水管内壁结垢20mm厚(见图3-1、图3-2、图3-3)。
华能济宁高新区热电有限公司1号机组射水抽气器系统安装CPM阻器三月后,供水泵叶轮阻垢效果图,表面无硬垢(图3-4)。
2010年11月2号机组也使用了该CPM阻垢器。
两机组至2011年6月未再专门停机清除水泵叶轮硬垢,且运行状况正常。
图3-1未使用CPM复合粉末冶金防垢材料的1号机组射水抽气器冷却循环
水溢水管法兰结口结垢情况,内壁硬垢20mm,管内径100mm
图3-2使用CPM复合粉末冶金防垢材料的2号机组射水抽气器冷却循环水溢水管法兰结口结垢情况,内壁干净无垢,管内径100mm。
图3-3左:
未使用CPM阻垢器的2号机组射水抽气器冷却循环水溢水管结垢情况,内壁硬垢20mm,管内径100mm。
右:
使用CPM阻垢器的1号机组射水抽气器冷却循环水溢水管处结垢情况,内干净无垢,管内径100mm。
图3-4华能济宁高新区热电有限公司1#机组射水抽气器系统安装阻器三月后,供水泵叶轮阻垢效果图,表面无硬垢。
4.CaCO3结晶环境的改变对和CaCO3结晶晶体结构的影响
4.1CPM复合粉末冶金防垢材料对水的pH值和表面张力的影响
由华能济宁高新区热电有限公司水质化验室现场检测了水的pH值和表面张力的变化。
未经CPM阻垢器处理的水的pH值为6.8,表面张力为72.675mN/m,经CPM阻垢器处理后,水的pH值升为8.3,表面张力下降为71.245mN/m。
4.2CPM复合粉末冶金防垢材料对水垢晶体形貌的影响
分别取部分经未CPM复合粉末冶金防垢材料处理的水和经CPM复合粉末冶金防垢材料处理的水分别进行加热蒸发浓缩,分别取其结晶物送往中南大学进行观察CaCO3晶体的形貌、CaCO3晶体的物相组成和粒度分布。
CPM复合粉末冶金防垢材料对水垢晶体形貌的影响非常明显,图4-1为未经CPM复合粉末冶金防垢材料处理的水中的CaCO3结晶物,晶体以六方柱和菱面体为主,为方解石结构,相邻的晶粒间通过晶桥连成致密的结晶体,这就是我们通常描述的硬垢。
图4-2为经CPM复合粉末冶金防垢材料处理的水中的CaCO3结晶物,以棒状和针状为主,长径比相对于处理前明显增大,为文石结构,晶粒间无晶桥粘结的情况,粒度中位径为2.13um,体积平均径为4.87um,面积平均径0.97(图4-3)。
图4-4为CPM复合粉末冶金防垢材料处理前后CaCO3晶体的XRD图,从图中可以看出在未经用CPM材料处理后的水的CaCO3出现方解石晶面强衍射峰,而处理后的CaCO3出现了文石晶面强衍射峰,方解石晶面强衍射峰消失。
图4-1未经CPM阻垢器处理的CaCO3晶体显微结构
图4-2经CPM阻垢器处理的CaCO3晶体显微结构
图4-3经CPM阻垢器处理的CaCO3晶体粒度分析
图4-4CaCO3晶体的XRD图谱
4.3机理分析
根据结晶学和热力学的观点,含有一定CO32-和Ca2+浓度的水加热过程中将蒸发浓缩,逐渐达到饱和、过饱和状态.换热表面产生的温度差可加速C02气体逸出,降低HCO3-浓度和提高CO32-浓度,致使换热器表面及周围Ca2+和CO32-得到能量并在电荷作用下形成晶核,之后长大生成CaCO3结晶。
在方解石、文石、球霰石碳酸钙的同质异晶体中,方解石为热力学最稳定的结晶态,结晶需要的相变驱动力最少,为碳酸钙最易生成的结晶形态,文石和球霰石是不稳定形态,需要较多的结晶能,因此,再无外界因素影响下,水中的CaCO3结晶物,晶体以六方柱和菱面体为主,为方解石结构,相邻的晶粒间通过晶桥连成致密的结晶体,这就是我们通常描述的硬垢。
当加入CPM复合粉末冶金防垢材料后,表面张力降低、pH值增高,水的活性增加,为晶体的成核和生长提供了充足的能量,生成晶核的临界半径变小,成核速度加大,致使CO2-和Ca2+的运动速度加快,它们之间的相互碰撞更加频繁,增大了它们在溶液中结合生成碳酸钙晶核的几率,促进了微晶的形成,在溶液中形成了大量微晶.增大了碳酸钙微晶在水中的浓度,而晶核的活性生长点又会被活性水分子包围,因此晶体不按晶体生长动力学理论正常生长,抑制或提高了碳酸钙某些晶面的生长,改变各晶面的相对生长速率,使其晶体结构发生变化,水中的CaCO3结晶物,以棒状和针状为主,长径比相对于处理前明显增大,为文石结构,晶粒间没有出现晶桥粘结的情况,以分散状存在。
因此不易在换热表面处长大形成致密的结晶体。
由此看出,CPM复合粉末冶金防垢材料改变了CaCO3的结晶环境,对CaCO3结晶晶体结构有加大的影响,抑制水中的CaCO3在析出结晶过程中生成方解石晶核,使从水析出的晶粒中形成硬垢的方解石晶粒所占比例减少,文石晶粒所占的比例增加,有效的控制水垢晶体的结构和形貌,阻止方解石晶粒聚集形成坚实的硬垢,使文石聚集形成软垢体,形成水渣而随水排出。
5、展望
综上所述,CPM复合粉末冶金防垢材料可以改变水中CaCO3结晶的外部环境,有效的控制水垢晶体的结构和形貌,阻止方解石晶粒聚集形成坚实的硬垢,使文石聚集形成软垢体,形成水渣而随水排出。
在实际的应用中又表现出具有将已附着于管壁、器壁的旧垢渐次变得松软、逐步剥落,直至逐渐去除积垢的功效。
能够使以水为换热工质的换热系统的受热面和传热面在污垢状态下清洁运行。
对于提高热交换效率、防止垢蚀将起到重要作用。
在以水为换热工质的各领域均有着广阔的应用前景。
尤其是在余热利用方面,水量大、水中杂质多,换热系统的受热面和传热面以及管道、水泵叶轮结垢非常严重,严重的影响换热效率和运行成本,CPM绿色防垢技术将在余热的回收和利用领域发挥更多更重要的作用。
余热发电是余热利用领域最重要的一个组成部分。
余热发电系统在运行中,都会遇到余热回收系统和凝汽器的结垢,影响余热回收效率以及端差、真空度下降,造成发电量下降的问题。
尤其是凝汽器设备,它是汽轮机组的一个重要组成部分,其工作性能直接影响整个汽轮机组的安全性、可靠性、稳定性和经济性。
而凝汽器真空度是汽轮机运行的重要指标,也是反映凝汽器综合性能的一项主要考核指标。
凝汽器的真空水平对汽轮发电机组的经济性有着直接影响,如机组真空下降1%,机组热耗将要上升0.6%~1%.因此保持凝汽器良好的运行工况,保证凝汽器的最有利真空;是每个发电厂节能的重要内容。
凝汽器结垢严重影响了冷凝效果,影响端差、真空度和发电量。
结垢缩短了凝汽器设备使用寿命和正常出力。
如凝汽器管结垢达0.3mm,可影响汽轮机效率;超过0.5mm,可影响汽轮机出力,大幅浪费能源。
凝汽器管泄漏将引起锅炉机组各类水质故障,而腐蚀泄漏多由于循环水结垢而引起。
结垢导致凝汽器工作效率大大降低,影响机组运行经济性和安全性。
CPM绿色防垢技术能够让余热发电的水循环系统无(硬)垢运行,畅通无阻,提高余热回收和利用效率,提高机组运行的经济性和安全性。
CPM绿色防垢技术在化工、石化、钢铁、冶金、水泥、玻璃、玻纤、医药、生物、地暖、纺织、地热、太阳能其他领域的余热回收方面也将发挥重要作用。
6、结语
CPM绿色防垢技术是以CPM复合粉末冶金防垢材料为核心的一种新的物理防垢技术,不含任何化学合成组分,不影响水质,不污染环境,不需用增加动力,不消耗能源,不排废水,节能、环保、高效,维护量小等特点。
可广泛的应用于以水为换热工质的各个方面。
由于这是一种新的物理防垢技术,在CPM复合粉末冶金防垢材料的原料组、加工工艺还要进一步优化,防垢、除垢机理需要进一步研究。
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