蒸发器列管与除沫网结垢预防分析

蒸发器列管与除沫网结垢预防分析

一、前言

  在高盐工业废水蒸发处理系统中，换热列管与除沫网是保障其高效稳定运行的两大核心部件，列管结垢堵塞直接削弱传热与循环动力，除沫网结垢堵塞则破坏气液分离效果并增大系统压降，二者共同构成对蒸发器处置量的联合制约，本文系统分析两者的结垢机理，阐述其通过热阻增加、流阻升高、分离失效及系统失稳等，导致蒸发器设计处置量严重衰减的作用机制。

二、结垢堵塞形成机理

1.换热列管

列管结垢主要源于废水在受热壁面附近的过饱和析晶，高硬度、高硫酸根、高硅含量的废水在温度升高、浓度增大的双重驱动下，硫酸钙、碳酸钙、硅酸盐等难溶盐在管壁结晶析出，形成致密导热层，其核心驱动因素是温度梯度与浓度梯度。

2.除沫网

以雾滴附着与二次析晶为核心，除沫网通常由金属或塑料丝网多层叠加构成，其堵塞机理更为复杂。

2.1初级堵塞： 高速蒸汽流携带的含盐雾滴在通过曲折的丝网通道时，撞击并附着在丝线表面，水分蒸发后，溶解性盐分（如氯化钠、硫酸钠）结晶固化，逐渐积累。

2.2二次结垢： 附着在网片上的盐分晶体成为新生垢体的优良晶种，进一步捕获后续雾滴，并可能诱发溶解度较低的盐类（如CaSO?）局部过饱和析出，形成混合垢层。

2.3杂质沉积：废水中的微量悬浮物、有机物、胶体等物质加剧堵塞过程，形成粘附性强、难以清除的复合垢。

三、影响机制

1.列管结垢

1.1传热效率下降： 垢层热阻使总传热系数K值骤降，权威数据（《Perry‘s Chemical Engineers’ Handbook》）显示，0.5mm厚的中等硬度水垢可使传热量减少约20%-40%。

1.2循环流量降低：管径因垢层变窄，流动阻力（ΔP）剧增，对于强制循环蒸发器，泵的扬程-流量曲线恶化，循环量下降；对于自然循环蒸发器，循环驱动力被严重削弱。

1.3直接影响：在固定蒸汽供给下，单位时间蒸发水量（即核心处置量）必然下降，为维持产量，则需提高蒸汽参数，导致能耗经济性突破临界点。

2.除沫网堵塞

2.1分离效率断崖式下跌，产水系统失效：堵塞的网孔使蒸汽流通面积减小，局部流速激增，分离效率急剧下降；大量含高浓度盐分的雾滴被蒸汽夹带至冷凝器。

2.2系统压降飙升，蒸发室操作压力升高：堵塞的除沫网成为蒸汽流动的巨大障碍，导致分离器前后压差（ΔP）异常升高，这直接造成蒸发室操作压力被迫提升。

2.3根据蒸发工艺的基本原理，蒸发室的饱和温度随压力升高而升高，在热源温度不变的情况下，有效的传热温差（ΔTm）被压缩，由传热基本方程 Q = K·A·ΔTm 可知，传热驱动力ΔTm的减小，将直接导致蒸发强度Q下降，即处置量降低。

3.设备污染与强制减产

3.1夹带的盐分在冷凝器管壁结垢，进一步降低冷凝效率，形成恶性循环；若进入真空系统（如蒸汽喷射泵），将腐蚀喷嘴、破坏真空度，严重影响系统稳定运行。

3.2为避免最严重的后果（如冷凝器完全堵塞、真空失效），操作人员往往被迫大幅降低进料量和蒸汽量，以降低蒸发强度和蒸汽流速，暂时缓解夹带，这是一种以牺牲处置量为代价的被动保护。

4.清洗停机与产能损失：除沫网清洗比列管清洗更复杂，常常需要打开分离器人孔进行高压水流或化学浸泡，停机时间更长，频繁的清洗使装置的年有效运行时间大幅缩短，年均处置量显著降低。

5.列管结垢导致的循环恶化可能使蒸发室内雾沫夹带量增大，加剧除沫网负荷，除沫网堵塞引起的系统压力升高和操作波动，又会反过来影响列管内溶液的沸点与循环特性，可能加剧某些盐类的结垢趋势，二者形成正反馈的恶性循环。

6.运行成本的结构性上升：能耗上升（列管结垢所致）、化学药剂费（清洗除沫网）、产水品质下降导致的回用率降低或处置费用增加、以及更频繁停机造成的产能损失，共同推高了吨水处理成本。

四、综合防控策略

1. 源头预处理强化：对废水进行深度软化、脱硅、除浊，降低结垢因子和悬浮物浓度，是从源头减轻两者结垢的根本措施。

2.工艺参数优化

2.1控制适宜的蒸发室内操作压力和流速，在保障分离效率的同时，避免过高汽速加剧雾滴夹带和对除沫网的冲刷/携带。

2.2稳定操作，避免负荷剧烈波动，防止“跑料”现象瞬间冲击除沫网。

3.设备设计与升级：

3.1列管侧：选用抗垢管材（如抛光管）、防垢涂层，或采用强制循环等抗垢形式。

3.2除沫网：选用表面光滑、不易粘附的材质（如聚四氟乙烯PTFE涂层丝网）；设计可在线冲洗的除沫装置（如集成喷淋系统）；或备用除沫网模块，实现不停机切换清洗。

4.监测与预警：

4.1在线监测列管进出口温差与压力，计算实时传热系数衰减率。

4.2在除沫网后、冷凝器前的蒸汽管线上安装在线电导率仪或浊度仪，实时监测雾沫夹带情况，作为除沫网堵塞的早期预警信号。

4.3建立基于多参数（传热系数、系统压降、产水电导率）的结垢预测模型，指导预防性清洗。

说在最后：

高盐工业废水蒸发系统中，换热列管与除沫网的结垢堵塞问题，共同制约了装置处置能力，列管结垢从能量转换源头削弱蒸发驱动力，除沫网堵塞则从物质输出终端破坏分离效果并引发系统失稳，二者相互耦合，其影响远非简单叠加，而是通过热工、流体与工艺控制的多重交互，导致系统处置量呈现加速衰减，必须将除沫网与换热列管置于同等重要的地位，进行一体化防垢设计、运行监测与维护管理，方能保障蒸发系统持续、高效、经济地运行，真正实现其设计处理能力。

知识来源：

1. Perry, R. H., & Green, D. W. (Eds.). (2007). Perry‘s Chemical Engineers’ Handbook (8th ed.). McGraw-Hill. (Section 11: Heat-Transfer Equipment; Section 14: Gas-Solid and Gas-Liquid Separations).

2. Fabian, P., & Croll, S. (2003). Gas-Liquid Separator Design Manual. Gulf Publishing Company. (Chapters on Demister Pad Fouling and Performance Degradation).

3. Wang, J., et al. (2020). Fouling in thermal desalination processes: A review on mechanisms, mitigation and control strategies. Desalination, 491, 114564. (该综述涵盖换热面与内件结垢).

4. He, L., et al. (2018). Experimental and numerical investigation of droplet separation performance in wire-mesh demisters with fouling. Chemical Engineering Research and Design, 138, 12-22. (针对除沫网堵塞的实验与模拟研究).

5. Mistry, K. H., & Lienhard V, J. H. (2013). Effect of fouling on the performance of multi-effect distillation plants. Desalination and Water Treatment, 51(4-6), 742-752. (量化结垢对MED性能影响的建模研究).