一、项目背景
碳素制品生产中，罐式煅烧炉产生的高温烟气（850-1100℃）需经过余热锅炉回收热量产生蒸汽，用于发电或工艺供热。余热锅炉是碳素厂的核心节能设备，其换热效率直接影响全厂能源成本。
某碳素企业年产15万吨预焙阳极，配套两台罐式煅烧炉及两台余热锅炉（型号QCF57/850-22-3.82/450），煅烧原料为石油焦。1号余热锅炉自投产以来连续运行3年，近半年来排烟温度持续攀升、蒸汽产量逐月下降，已严重影响余热发电机组出力。在线化学加药效果有限——烟气侧垢层致密，喷淋无法均匀覆盖全部管束。经技术经济评估，决定利用年度检修窗口进行彻底化学清洗。
二、设备参数
| 参数 | 设计值 | 清洗前 |
|---|---|---|
| 额定蒸发量 | 22 t/h | 13.2 t/h |
| 工作压力 | 3.82 MPa | 3.82 MPa |
| 蒸汽温度 | 450℃ | 410℃ |
| 排烟温度 | 180℃ | 245℃ |
| 换热管规格 | Φ51×3.5 mm，20G锅炉钢，共1,520根 | |
| 换热面积 | 1,850 m² | |
排烟温度超出设计值65℃，意味着大量热能随烟气排放——按烟气量估算热效率损失约18%。蒸汽产量仅60%额定出力，余热发电机组长期低负荷运行，年发电量损失显著。
三、垢样分析
停机后打开人孔检查，换热管束外壁附着灰褐色硬质复合垢层，厚度3-8mm，高温段结垢最为严重。取样后实验室分析结果：
| 成分 | 含量（wt%） | 来源分析 |
|---|---|---|
| 碳粉及有机物 | 18.5 | 煅烧炉烟气夹带的石油焦细粉 |
| CaSO₄ | 32.7 | 石油焦中硫分燃烧生成SO₂/SO₃与CaO反应沉积 |
| SiO₂+硅酸盐 | 21.3 | 石油焦中硅铝酸盐灰分高温烧结 |
| Fe₂O₃+Al₂O₃ | 15.8 | 石油焦中金属氧化物 |
| Na、K盐 | 8.6 | 石油焦中碱金属残留 |
| 其他 | 3.1 | 微量V、Ni重金属 |
该垢样属于典型的碳素行业烟气侧复合垢——碳粉作为结构骨架吸附硫酸盐和硅酸盐，在管壁温度550-750℃条件下烧结成致密硬质层。CaSO₄含量高达32.7%属难溶垢（溶解度仅2.0 g/L），单纯水冲洗完全无效。
四、清洗方案
4.1 工艺策略
针对该复合垢的特性，单一清洗方法难以奏效——纯化学清洗渗透致密硅酸盐垢速度太慢，纯高压水射流无法有效剥离被碳骨架保护的硫酸盐垢。丹阳蓝星清洗采用"化学软化渗透+高压水射流剥离"的协同工艺路线。
4.2 化学清洗配方
| 药剂 | 浓度 | 作用 |
|---|---|---|
| Sulfamic Acid | 8-10% | 溶解CaSO₄及碳酸盐垢 |
| Citric Acid | 3-5% | 络合Fe₂O₃和Al₂O₃ |
| NH₄HF₂ | 2-3% | 溶解硅酸盐组分 |
| BTA缓蚀剂 | 0.3% | 20G锅炉钢腐蚀防护 |
| Surfactant渗透剂 | 0.1-0.2% | 降低表面张力，渗透碳粉层 |
| Sodium Sulfite | 0.05% | 除氧剂，防止氧腐蚀 |
4.3 工艺控制参数
| 参数 | 控制范围 | 监测频率 |
|---|---|---|
| 清洗液温度 | 55-65℃ | 每30分钟 |
| pH值 | 1.5-2.5 | 每30分钟 |
| Fe³⁺浓度 | ≤300 mg/L | 每60分钟 |
| 单段循环时间 | 4-6小时 | — |
| 高压水射流压力 | 500-700 bar | 每段开始前校准 |
五、施工执行
第一天 — 施工准备：余热锅炉自然冷却至50℃以下（强制通风加速冷却），进出口烟道加装盲板隔离。低压水（3-5 bar）冲洗清除管束表面浮灰，检查管壁腐蚀及翅片完好情况。依次安装过热器段、蒸发器段、省煤器段的循环管路、温度探头和流量计。悬挂20G钢腐蚀监测试片，每段3片，精确称重至0.1 mg。
第二天 — 分段化学清洗：按高温段（过热器）→ 中温段（蒸发器）→ 低温段（省煤器）的顺序分段清洗，每段独立配液、独立循环，避免温度梯度导致的清洗不均匀。Sulfamic Acid+NH₄HF₂混合液在55-65℃下循环4-6小时。Surfactant将清洗液表面张力从72 mN/m降至约30 mN/m，使酸液渗透碳粉骨架溶解硫酸盐垢。全程Fe³⁺浓度控制在300 mg/L以下，避免铁离子过载引发点蚀风险。当连续两次酸浓度和Fe³⁺读数变化幅度均小于0.2%时判定浸泡终点。
第三天 — Citric Acid络合漂洗：排放酸洗废液（经中和处理pH 6-9后外排），切换Citric Acid漂洗液循环2小时，络合残余铁氧化物并使管壁形成临时钝化层。漂洗后pH回升至4.5，Fe³⁺＜50 mg/L，判定漂洗终点。
第四天 — 高压水射流冲洗：化学清洗软化了约70%的硬质垢层，剩余附着较牢固的硅酸盐沉积物采用高压水射流（500-700 bar）逐管冲洗。高压水对化学清洗后的疏松垢层剥离效果显著，单根管束冲洗时间仅需30-60秒。共完成1,520根换热管的逐根冲洗，冲洗废水中和后排放。高压水作业全程配备防护屏，操作人员穿戴防冲击护具，严格控制喷射方向防止伤及管壁弯头焊缝。
第五天 — 验收与恢复：检查所有管束清洗效果，抽检50根换热管进行内窥镜检验，重点检查高温段弯头焊缝和管板胀接处。取出腐蚀试片称重，计算平均腐蚀速率。拆除临时循环管路及盲板，恢复烟道连接法兰，检查密封垫片完好。锅炉上水试压（1.25倍工作压力）合格后重新点火投运。
六、清洗效果
| 指标 | 清洗前 | 清洗后 | 验收标准 |
|---|---|---|---|
| 排烟温度 | 245℃ | 185℃ | ≤195℃ |
| 蒸汽产量 | 13.2 t/h | 21.2 t/h | ≥20 t/h |
| 除垢率 | — | 96.8% | ≥95% |
| 腐蚀速率 | — | 0.35 g/(m²·h) | ≤1.0 g/(m²·h) |
| 管壁减薄量 | — | < 0.05 mm | ≤0.1 mm |
清洗后换热管表面恢复金属本色，内窥镜检验显示管壁无残留垢层、无点蚀坑，原有轻微氧化皮经Citric Acid漂洗后已清除干净。排烟温度较设计值仅高出5℃，热效率恢复至设计水平。蒸汽产量21.2 t/h达到设计值的96.4%，余热发电机组恢复满负荷运行，预计年增发电量约120万kWh。
七、经验总结
碳素行业余热锅炉烟气侧结垢具有鲜明的行业特征——以碳粉为骨架、硫酸盐和硅酸盐为填充的复合垢，其形成机理不同于燃煤锅炉的纯飞灰沉积，清除难度更高。本次清洗工程的几点经验：
（1）Surfactant渗透剂是工艺关键：碳粉层疏水性较强，常规酸液难以浸润渗透。加入0.1-0.2%的Surfactant后，清洗液表面张力从72 mN/m降至约30 mN/m，渗透速度提高3倍以上，这是化学清洗段成功的核心因素。
（2）化学+高压水射流协同是碳素行业WHB最佳方案：纯化学清洗需72小时以上才能完全溶解致密CaSO₄垢，纯高压水射流面对碳骨架遮蔽的硬质垢效率低下。本次"化学软化骨架+高压水剥离残垢"的协同工艺将总工期压缩至5天，且管束损伤风险最小化。
（3）NH₄HF₂不可或缺：硅酸盐含量达21.3%，Sulfamic Acid+Citric Acid系统对硅酸盐溶解能力有限。添加2-3% NH₄HF₂后硅酸盐溶解率从18%提升至89%，大幅减少了高压水射流工作量。NH₄HF₂产生的HF须严格控制浓度和温度，防止对20G锅炉钢产生过度腐蚀。
（4）建立定期清洗维护制度：根据本次清洗观察到的结垢速率（年增长约2-3mm），建议每18-24个月进行一次化学清洗，配合年度检修窗口执行。定期清洗不仅能维持热效率，还能避免因垢层过厚导致的管壁超温氧化剥落甚至爆管风险。同时建议升级煅烧炉出口多管旋风除尘器，从源头减少碳粉携带量，延长清洗周期。
本文所述清洗工艺及验收指标依据 GB/T 25146-2010《工业设备化学清洗质量验收规范》 执行。
20年工业设备清洗从业经验，中国工业清洗协会会员单位技术负责人。专注换热器、锅炉、管道、反应釜等设备的化学清洗与高压水射流清洗技术。
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