石膏晶种法防止硫酸钙结垢技术在蒸发结晶过程中的应用

   在蒸发系统中，由于溶液中钙镁离子及硫酸根离子的存在，经常会发生换热管结垢从而造成换热系数的下降以及管道堵塞的情况。据有关资料显示，结垢 0.5 mm，传热系数下降 30%，结垢1 mm 则降低 50%，由于结垢，造成热量损失，产量降低，严重影响蒸发过程连续化及自动化运行。硫酸钙垢是化学清洗中较难清洗的垢物。当前除硫酸钙垢的方法各有利弊，仍需进一步改进并研究新型除垢工艺。

   通过对硫酸钙结垢机理的分析及相关小试、规模化生产以及大量相关实际应用经验，采用石膏晶种法来防止硫酸钙结垢是一种高效、成熟、操作性强的应用技术。

    溶液浓缩时其中的硫酸钙，随着温度升高、溶液不断浓缩，其浓度相应逐渐增大，当其浓度超过溶解度之后会生成沉淀析出，并沉积在传热表面上，从而形成致密坚硬的硫酸钙垢。其结垢过程大致分为硫酸钙结晶析出，向壁面附着，覆盖于壁面三个步骤。当溶液中的成垢离子（Ca2+、 42-）SO 浓度高于溶解平衡时的浓度，达到一定数值后，由于溶液中阴、阳离子之间电荷的相互作用，形成离子对，大量的离子对彼此聚集，就有可能形成晶核并继续生长，从溶液中析出形成硫酸钙晶体，这一过程是在溶液主体中进行的；溶液中的硫酸钙晶体由于浓度差的作用而向壁面扩散，最终完全覆盖于加热壁面上，此时结垢过程为传质控制；此外，溶液中的 Ca2+和SO42-也会由于浓度差的作用而向壁面扩散，并附着于壁面上，在电荷引力的作用下相互连接在壁面上形成硫酸钙结晶，最终完全覆盖于加热壁面，此时结垢过程为化学反应控制。

    影响 CaSO4 结垢的因素：

1、 温度：CaSO4 在水中的溶解度取决于温度。40℃时 CaSO4 在水中的溶解度最大，随着温度升高，溶解度逐渐降低。

2、矿化度：由于盐析效应，矿化度直接影响CaSO4 在水中的溶解度。CaCO3 和CaSO4 结晶、析出并沉淀，使矿化度降低，可在一定程度上加速 CaSO4 的成垢速度。

3、 流速：对于硫酸钙这种逆溶解度特性的垢，循环水流速越低，温度越高，越容易结垢。这是因为硫酸钙垢随流速增加沉积物卸脱速率也在增加，结垢速率随流速增加而降低。

4、换热器材质、壁面光洁度等对 CaSO4 结垢程度和结垢部位也有影响。

5、换热管内溶液沸腾：在蒸发过程中，要维持换热器与分离室间有足够的静夜柱，从而防止因溶液在换热管内沸腾在换热器内产生过饱和度。

6、循环量：循环量的高低不仅意味着换热管内流速的大小，也意味着溶液在通过换热器时进出口的温升，温升越大越容易造成在换热管内沸腾，反之则越不容易。

    国外对于石膏晶种法防止加热管壁结硫酸钙垢的研究已做了大量的工作。如美国和日本盐业研究部门进行了在不同条件的加热蒸发过程中，对石膏的析出、附着与过饱和现象的一系列研究，并已使石膏晶种法成功地应用于制盐工业中。我国一些研究、设计单位对制盐蒸发器中硫酸钙垢的防治也进行了研究，尤其在真空制盐领域在防止硫酸钙结垢方面获得了良好的效果。

   石膏晶种法是利用晶种结构与垢物相同，晶体表面对垢物的亲和力较管道材料壁面大，使盐溶液中析出的硫酸钙分子优先附着在悬浮的硫酸钙晶体上，而足够数量的晶种，提供了极大的晶体表面，使溶液中硫酸钙的过饱和度及时消除，从而避免硫酸钙在壁面上的成核及生长。在美国，蒸发罐内维持在 20 g/L 硫酸钙的悬浮量，以降低料液中硫酸钙的过饱和度，蒸发罐可运转数年，没有硫酸钙沉积在管子上。

    因此，在容易造成换热器内硫酸钙结垢的蒸发系统内，大力推广石膏晶种法防结垢技术是非常必要的，尤其是近些年国内废水蒸发领域，由于废水组分复杂且多含有硫酸根及钙离子，显得更为必要。

    当然，除了采用石膏晶种法对同时，还可以采用其他措施进一步强化，从而更有效的降低结垢情况。如可采用并流蒸发结晶工艺，产品结晶后可在各效均维持一定的固液比，同时保证换热器内大于2m/s的管内溶液流速，可以通过晶体盐粒对换热管壁的冲刷摩擦作用，降低硫酸钙在换热器内的结垢趋势；当然最好的办法是通过对原料液内的钙镁离子进行有效脱除，可以从根本上解决硫酸钙结垢。