一种城镇再生水板式换热器的在位清洗方法

摘要

一种城镇再生水板式换热器的在位清洗方法，该清洗方法分两步清洗，第一步清洗使用氧化性杀菌剂，羧基基团螯合剂和分散剂，清洗目标为换热壁面上污垢的表层物质，主要功效为杀灭污垢中的微生物并剥离污垢，同时使污垢中Ca2+、Mg2+、Fe2+和Fe3+生成可溶性螯合物，并将大量污垢组分以微粒形态稳定地分散悬浮于水中。第二步清洗使用有机酸除垢除锈剂，氧化性杀菌剂，以及含有羧基基团的螯合剂和分散剂，清洗目标为换热壁面上污垢的底层物质，主要功效为清除无机污垢及残余微生物膜。本发明提出的清洗方法可适用于304、316及更加耐蚀不锈钢材质的城镇再生水板式换热器，腐蚀率低，除垢速度快、效果好，板式换热器可长周期安全经济运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种换热器的在位清洗方法，特别涉及一种以城镇再生水为换热介质的板式换热器的在位清洗方法。

背景技术

城镇再生水热能回用是一项具有明显节能减排效益的可再生能源应用技术。虽然城镇再生水经过污水处理厂多级处理，并达到国标GB18918-2002规定的排放标准，但其水质仍然比较复杂，溶有各种离子、悬浮物，特别是含有数量较高的产粘泥异氧菌。由于这些物质的存在，使得城镇再生水作为换热介质时必将发生结垢和腐蚀危害。

例如，再生水源热泵是城镇再生水热能回用的一种典型方式。城镇再生水冬暖夏凉，非常适宜作为热泵系统的低位冷热源。板式换热器因结构紧凑，占地小，传热系数高，被认为是城镇再生水热能高效回用的首选换热器之一。冬季制热工况下，利用板式换热器从城镇再生水中取热，低位热量经由热泵系统实现品位提升，最终将中高品位的热量供给热用户；夏季制冷工况下，热泵系统将从冷用户取来的热量通过板式换热器释放到城镇再生水中，此时城镇再生水为载冷介质。

而由于上述城镇再生水中杂质的存在，将导致板式换热器内结垢现象发生。特别是在夏季制冷工况下，板式换热器内温度非常适宜微生物生长繁殖(运行温度在25～30℃)，因此污垢生长速率较快。结垢现象的发生一方面导致板式换热器传热效果恶化(夏季制冷工况下，板式换热器连续15天运行，传热系数约下降45％)，热泵机组制热系数下降；另一方面污垢在板片上长时间附着将导致垢下腐蚀现象发生，从而缩短板片寿命。

对于板式换热器最常用的是停机拆开清洗，即将板式换热器拆卸后对板片直接进行机械或化学清洗。由于城镇再生水板式换热器结垢周期较短，如采用上述清洗方式，必将导致板式换热器的反复拆卸，这种方式一方面严重干扰了系统正常换热过程，另一方面反复拆卸将加速板式换热器密封条失效，带来不必要的经济损失。特别是对于大型再生水源热泵系统，板式换热器体积庞大，拆卸难度大为增加，频繁拆卸无法实现。

在位清洗技术(Clean-in-place)是一种包括设备、管道、操作规程、清洗剂配方、有自动控制和监控要求的一整套技术系统。利用在位清洗技术，可在一定的温度、流速下对板式换热器进行免拆卸清洗，完成污垢的去除，使板式换热器流动换热性能得以恢复。因此，在位清洗是城镇再生水板式换热器首选的清洗方式。在位清洗成功与否关键在于清洗药剂的选择和清洗条件的制定。从污垢成分考虑，城镇再生水板式换热器内污垢为以微生物污垢为主的混合污垢，而目前循环冷却水板式换热器在位清洗的目标大都为析晶污垢和颗粒污垢，鉴于污垢种类差异较大，因此相关清洗经验可参考性不强。从污垢附着状态考虑，城镇再生水板式换热器中污垢的壁面附着力较大，原因是：1)城镇再生水板式换热器的运行温度适中，有利于微生物污垢的繁殖生长；2)城镇再生水板式换热器板间流动处于旺盛湍流，加速了换热壁面附近的对流传质，有利于微生物获得充足养料；3)板式换热器材质以不锈钢为主，较适宜微生物的附着。实验证明，将现有循环冷却水系统清洗药剂直接应用于城镇再生水板式换热器在位清洗中，存在清洗速率慢，污垢剥离效果差的不足，无法达到恢复板式换热器流动换热性能的清洗目标。

总而言之，鉴于污垢成分、污垢附着状况的特殊性，目前对于城镇再生水板式换热器尚无可靠的在位清洗方法，这严重制约了城镇再生水热能高效回用技术的推广应用。

发明内容

本发明旨在提供一种城镇再生水板式换热器的在位清洗方法，利用该方法可快速、高效地去除换热面上的污垢层，可确保城镇再生水板式换热器安全经济运行。

本发明的技术方案如下：

一种城镇再生水板式换热器的在位清洗方法，其特征在于，该方法按如下步骤进行：

1)在投加药剂前，向循环清洗水箱中加水并预热至35～40℃；

2)将乙二胺四乙酸二钠和聚丙烯酸钠依次加入循环清洗水箱中，使得乙二胺四乙酸二钠在循环清洗液中的浓度达到100～150mg/L，聚丙烯酸钠在循环清洗液中的浓度达到20～25mg/L，混合均匀，待溶液稳定后加入次氯酸钠搅拌至充分混合，次氯酸钠的投加量使得循环清洗液的消毒剂浓度达到300～500mg/L；

3)开始第一步清洗，清洗温度控制在35～40℃，清洗流量设定为与正常运行工况相同，清洗时间为1～2小时，清洗结束后将清洗液排净；

4)重复步骤1)，将蓝星LX-056A/B，乙二胺四乙酸二钠和聚丙烯酸钠依次加入循环清洗水箱中，使得蓝星LX-056A/B在循环清洗液中的浓度达到500～700mg/L，乙二胺四乙酸二钠在循环清洗液中的浓度达到200～250mg/L，聚丙烯酸钠在循环清洗液中的浓度达到20～25mg/L，混合均匀，待溶液稳定后加入次氯酸钠搅拌至充分混合，次氯酸钠的投加量使得循环清洗液的消毒剂浓度达到100～150mg/L；

5)开始第二步清洗，清洗温度控制在35～40℃，清洗流量设定为与正常运行工况相同，清洗时间为1～2小时，清洗结束后将清洗液排净。

城镇再生水板式换热器的在位清洗周期为5～20天。为了获得最佳清洗效果，夏季在位清洗周期宜为5天，冬季在位清洗周期宜为7天。

本发明与现有技术相比具有以下优点：①本发明提出的清洗方法可应用于城镇再生水板式换热器在位清洗过程，在不拆卸、不挪动设备和管线的情况下完成对板式换热器的除垢、除锈清洗，可达到恢复板式换热器流动换热性能的目的；②两步法清洗过程有的放矢，第一步清洗目标是污垢表层物质，其中螯合剂和分散剂的存在有助于氧化性杀菌剂功效的发挥，污垢剥离速率可得以提高；第二步清洗主要清洗目标是污垢底层物质，对于底层物质的进一步清除有助于减缓污垢再生长速率，使得换热效率能够长期维持较高水平。③本发明提出的清洗方法是建立在污垢成分分析、微观观察及污垢生长过程在位监测基础上的，所用清洗药剂经过仔细筛选并进行了实验测试，清洗耗时短，除垢效率高，除垢效果不受季节限制，上述特性均优于现有清洗方法。

附图说明

图1为采用本发明提出的清洗方法进行城镇再生水板式换热器在位清洗的工艺流程图。

图中：1-待清洗的板式换热器；2-清洗循环泵；3-循环清洗水箱；4-数据采集及控制系统；5-铂电阻温度传感器；6-不锈钢隔膜密封压差传感器；7-流量计；8-可控温加热器。

具体实施方式

本发明提供的一种城镇再生水板式换热器的在位清洗方法，该方法按如下步骤进行：

1)在投加药剂前，向循环清洗水箱中加水并预热至35～40℃；

2)将乙二胺四乙酸二钠和聚丙烯酸钠依次加入循环清洗水箱中，使得乙二胺四乙酸二钠在循环清洗液中的浓度达到100～150mg/L，聚丙烯酸钠在循环清洗液中的浓度达到20～25mg/L，混合均匀；待溶液稳定后加入次氯酸钠搅拌至充分混合，次氯酸钠的投加量使得循环清洗液的消毒剂浓度达到300～500mg/L；

3)开始第一步清洗，清洗温度控制在35～40℃，清洗流量设定为与正常运行工况相同，清洗时间为1～2小时，清洗结束后将清洗液排净；

4)重复步骤1)，将蓝星LX-056A/B、乙二胺四乙酸二钠和聚丙烯酸钠依次加入循环清洗水箱中，使得蓝星LX-056A/B在循环清洗液中的浓度达到500～700mg/L，乙二胺四乙酸二钠在循环清洗液中的浓度达到200～250mg/L，聚丙烯酸钠在循环清洗液中的浓度达到20～25mg/L，混合均匀；待溶液稳定后加入次氯酸钠搅拌至充分混合，次氯酸钠的投加量使得循环清洗液的消毒剂浓度达到100～150mg/L；

5)开始第二步清洗，清洗温度控制在35～40℃，清洗流量设定为与正常运行工况相同，清洗时间为1～2小时，清洗结束后将清洗液排净，完成清洗过程。

在位清洗周期一般为5～20天，在夏季在位清洗周期宜为5天，冬季在位清洗周期宜为7天。

下面结合具体实施例对本发明的内容进行详细描述。

实施例1：冬季制热工况下城镇再生水板式换热器的在位清洗实例

一个以城镇二级出水为冷热源的水源热泵系统，利用板式换热器回收城镇二级出水中的低位热能。冬季，热泵系统制热效率下降，经分析得知是二级出水在板式换热器内结垢所致，决定采用在位清洗技术对板式换热器进行清洗。

1.清洗系统概况

循环清洗水箱容积：100L

板式换热器材质：不锈钢304

结垢情况：板片表面高温侧污垢层较厚，低温侧污垢层较薄，结垢程度相对较轻。

2.清洗方法

板式换热器在位清洗系统如图1所示。

板式换热器正常运行时，数据采集及控制系统通过实时采集温度、压差、流量数据，对板式换热器再生水侧压降及传热系数两项指标进行在线监测。当上述两项指标到达设定的清洗极限值时，控制系统发出清洗信号，此时切断再生水和循环水侧水路，开启清洗液侧阀门，构成在位循环清洗回路，按下述步骤进行清洗：

1)在投加药剂前，向循环清洗水箱中加水50L，试运转清洗循环泵不会造成抽空，并且有回液，然后将水箱中的水预热至35℃；

2)将5g的乙二胺四乙酸二钠和1g的聚丙烯酸钠依次加入循环清洗水箱中，使得乙二胺四乙酸二钠在循环清洗液中的浓度达到100mg/L，聚丙烯酸钠在循环清洗液中的浓度达到20mg/L，混合均匀，待溶液稳定后加入次氯酸钠搅拌至充分混合，这里采用有效氯含量(以Cl计)大于10.0％的次氯酸钠溶液，该次氯酸钠溶液的投加量为300ml，与循环清洗液的体积比约为1∶160，使得循环清洗液的消毒剂浓度达到300mg/L；

3)开始第一步清洗，清洗温度控制在35℃，清洗流量设定为与正常运行工况相同，清洗时间为1小时，清洗结束后将清洗液排净；

4)重复步骤1)，将25g的蓝星LX-056A/B，10g的乙二胺四乙酸二钠和1g的聚丙烯酸钠依次加入循环清洗水箱中，使得蓝星LX-056A/B在循环清洗液中的浓度达到500mg/L，乙二胺四乙酸二钠在循环清洗液中的浓度达到200mg/L，聚丙烯酸钠在循环清洗液中的浓度达到20mg/L，混合均匀，待溶液稳定后加入次氯酸钠搅拌至充分混合，这里采用有效氯含量(以Cl计)大于10.0％的次氯酸钠溶液，该次氯酸钠溶液的投加量为125ml，与循环清洗液的体积比为1∶400，使得循环清洗液的消毒剂浓度达到100mg/L；

5)开始第二步清洗，清洗温度控制在35℃，清洗流量设定为与正常运行工况相同，清洗时间为1小时，清洗结束后将清洗液排净。

清洗过程结束后，切断可控温加热器电源，切断在位循环清洗回路，开启再生水和循环水侧阀门，板式换热器正常运行，数据采集及控制系统继续对板式换热器性能进行在线监测。

为了达到最佳清洗效果，冬季清洗周期宜为7天。

3.清洗效果

板式换热器连续运行28天，其间以7天为清洗周期共进行了4次在位清洗。板式换热器经清洗后传热系数均可恢复至清洁状态下传热系数的98％以上，并可长期维持较高水平。将板式换热器拆开观察发现：板片表面较为清洁，没有明显的污垢附着和腐蚀痕迹。

实施例2：夏季制冷工况下城镇再生水板式换热器的在位清洗实例

一个以城镇二级出水为冷热源的水源热泵系统，利用板式换热器回收城镇二级出水中的低位热能。夏季，热泵系统制冷效率快速下降，经分析得知是二级出水在板式换热器内结垢所致，决定采用在位清洗技术对板式换热器进行清洗。

1.清洗系统概况

循环清洗水箱容积：100L

板式换热器材质：不锈钢316

结垢情况：板片表面自下而上均附着有以微生物污垢为主的混合污垢，结垢程度较重。

2.清洗方法

板式换热器在位清洗系统如图1所示。

板式换热器正常运行时，数据采集及控制系统通过实时采集温度、压差、流量数据，对板式换热器再生水侧压降及传热系数两项指标进行在线监测。当上述两项指标到达设定的清洗极限值时，控制系统发出清洗信号，此时切断再生水和循环水侧水路，开启清洗液侧阀门，构成在位循环清洗回路，随即按下述步骤进行清洗：

1)在投加药剂前，向循环清洗水箱中加水50L，试运转清洗循环泵不会造成抽空，并且有回液，然后将水箱中的水预热至40℃；

2)将6.5g的乙二胺四乙酸二钠和1.2g的聚丙烯酸钠依次加入循环清洗水箱中，使得乙二胺四乙酸二钠在循环清洗液中的浓度达到125mg/L，聚丙烯酸钠在循环清洗液中的浓度达到22mg/L，混合均匀，待溶液稳定后加入次氯酸钠搅拌至充分混合，这里采用有效氯含量(以Cl计)大于10.0％的次氯酸钠溶液，该次氯酸钠溶液的投加量为330ml，与循环清洗液的体积比为1∶150，使得循环清洗液的消毒剂浓度达到400mg/L；

3)开始第一步清洗，清洗温度控制在40℃，清洗流量设定为与正常运行工况相同，清洗时间为1.5小时，清洗结束后将清洗液排净；

4)重复步骤1)，将30g的蓝星LX-056A/B，12g的乙二胺四乙酸二钠和1.2g的聚丙烯酸钠依次加入循环清洗水箱中，使得蓝星LX-056A/B在循环清洗液中的浓度达到600mg/L，乙二胺四乙酸二钠在循环清洗液中的浓度达到230mg/L，聚丙烯酸钠在循环清洗液中的浓度达到22mg/L，混合均匀，待溶液稳定后加入次氯酸钠搅拌至充分混合，这里采用有效氯含量(以Cl计)大于10.0％的次氯酸钠溶液，该次氯酸钠溶液的投加量为125ml，与循环清洗液的体积比为1∶400，使得循环清洗液的消毒剂浓度达到100mg/L；

5)开始第二步清洗，清洗温度控制在40℃，清洗流量设定为与正常运行工况相同，清洗时间为1.5小时，清洗结束后将清洗液排净。

清洗过程结束后，切断可控温加热器电源，切断在位循环清洗回路，开启再生水和循环水侧阀门，板式换热器正常运行，数据采集及控制系统继续对板式换热器性能进行在线监测。

为了达到最佳清洗效果，夏季清洗周期宜为5天。

3.清洗效果

板式换热器连续运行20天，其间以5天为清洗周期共进行了4次在位清洗。板式换热器经清洗后传热系数均可恢复至清洁状态下传热系数的98％以上，并可长期维持较高水平。将板式换热器拆开观察发现：板片表面较为清洁，没有明显的污垢附着和腐蚀痕迹。

实施例3：夏季制冷工况下结垢严重的城镇再生水板式换热器在位清洗实例

一个以城镇二级出水为冷热源的水源热泵系统，利用板式换热器回收城镇二级出水中的低位热能。夏季，热泵系统连续运行1个月时间，制冷效率下降非常明显，经分析得知是二级出水在板式换热器内结垢所致，决定采用在位清洗技术对板式换热器进行清洗。

1.清洗系统概况

循环清洗水箱容积：100L

板式换热器材质：不锈钢316

结垢情况：板片表面污垢层较厚，且粘性较大，附着力较强，结垢程度非常严重。

2.清洗工艺

板式换热器在位清洗系统如图1所示。

切断再生水和循环水侧水路，开启清洗液侧阀门，构成在位循环清洗回路，随即按下述步骤进行清洗：

1)在投加药剂前，向循环清洗水箱中加水50L，试运转清洗循环泵不会造成抽空，并且有回液，然后将水箱中的水预热至40℃；

2)将7.5g的乙二胺四乙酸二钠和1.3g的聚丙烯酸钠依次加入循环清洗水箱中，使得乙二胺四乙酸二钠在循环清洗液中的浓度达到150mg/L，聚丙烯酸钠在循环清洗液中的浓度达到25mg/L，混合均匀，待溶液稳定后加入次氯酸钠搅拌至充分混合，这里采用有效氯含量(以C1计)大于10.0％的次氯酸钠溶液，该次氯酸钠溶液的投加量为360ml，与循环清洗液的体积比为1∶140，使得循环清洗液的消毒剂浓度达到500mg/L；

3)开始第一步清洗，清洗温度控制在40℃，清洗流量设定为与正常运行工况相同，清洗时间为2小时，清洗结束后将清洗液排净；

4)重复步骤1)，将35g的蓝星LX-056A/B，13g的乙二胺四乙酸二钠和1.3g的聚丙烯酸钠依次加入循环清洗水箱中，使得蓝星LX-056A/B在循环清洗液中的浓度达到700mg/L，乙二胺四乙酸二钠在循环清洗液中的浓度达到250mg/L，聚丙烯酸钠在循环清洗液中的浓度达到25mg/L，混合均匀，待溶液稳定后加入次氯酸钠搅拌至充分混合，这里采用有效氯含量(以Cl计)大于10.0％的次氯酸钠溶液，该次氯酸钠溶液的投加量为170ml，与循环清洗液的体积比为1∶300，使得循环清洗液的消毒剂浓度达到150mg/L；

5)开始第二步清洗，清洗温度控制在40℃，清洗流量设定为与正常运行工况相同，清洗时间为2小时，清洗结束后将清洗液排净。

清洗过程结束后，切断可控温加热器电源，切断在位循环清洗回路，开启再生水和循环水侧阀门，板式换热器正常运行，数据采集及控制系统继续对板式换热器性能进行在线监测。

3.清洗效果

经测定，板式换热器经清洗后传热系数恢复至清洁状态下传热系数的97％。将板式换热器拆开观察发现：板片表面没有明显的污垢附着和腐蚀痕迹，局部零星可见淡黄色粘膜附着。

表1给出了本发明中提出的清洗方法对于板片不锈钢材质的腐蚀率实验数据。实验证明，在较短的清洗时间内能够确保清洗过程对304、316等不锈钢材质具有较低的腐蚀率，原因有三：①清洗药剂中不含强酸性物质；②第一步清洗过程在碱性条件下进行(pH值在9.0～9.5)，不锈钢板片对于氯离子具有较好的耐蚀性；第二步清洗过程虽在酸性条件下进行(pH值在5.5～6.0)，但清洗液中氯离子含量较第一步有较大程度的下降；③蓝星LX-056A/B具有缓蚀功效。

表1本发明中提出的清洗方法对不锈钢材质的腐蚀率

  材质 腐蚀率(g/m²·h)  温度(℃)  清洗周期(天)/清洗次数(次)  304不锈钢  0.008  40  5/4  316不锈钢  0.003  40  5/4

说明：根据城镇再生水水质及再生水源热泵系统运行工况，城镇再生水板式换热器的材质应选用不锈钢304及更加耐蚀的不锈钢型号。