碳與泵 | 幫助泵處理碳

普遍認為，傳熱流體（HTF）中的碳含量越低越好，因為碳會累積在管道、加熱器和泵的內表面，導致設備效率下降，運行成本增加。然而，我們必須認識到HTF在長時間高溫工作后會發生熱降解。實際上，聯苯和二苯醚的低共溶混合物（例如，含Dowtherm A和TherminolVP-1的），在高達400oC的溫度下工作，盡管它們更耐熱裂解和氧化，但也會隨著時間的推移而降解。

英文版《世界泵業》4月刊中有一篇文章《熱流體的穩定性》，曾概述了合成基聯苯聯苯醚HTF的一些屬性，解釋了為什么常用它們作傳熱介質，以及為什么與其他流體相比它們有這么好的熱穩定性，特別是礦物基的HTF。

當HTF在高工作溫度下發生熱降解或氧化，或同時發生兩種現象時，碳會累積在HTF中。最近由《Process Heating》雜志主辦的網絡研討會，談及了碳對HTF設備泵的影響，強調了粘度增大所造成的影響，焦油/污泥（即碳形成）的形成和累積，以及氧化和pH值降低（碳與空氣接觸形成的沉積物）所帶來的影響。

粘度方面不容忽視的一點是，環境溫度下的HTF會變得極其粘稠或者成固體，因為聯苯和二苯醚HTF的凝固點約為15℃。在發生熱降解的情況時，碳顆粒也有可能從HTF中析出并沉積到HTF系統中的低壓或無流動區域。這會嚴重破壞系統，而就泵來說，這也會導致泵的氣蝕，且有可能造成密封件磨損。

就氧化問題而言，碳沉淀物的形成對泵會造成同樣的影響，但是降解還會進一步導致HTF系統中的pH值降低，形成一種酸性環境。過程加熱網絡研討會也對該問題進行過探討，與會人士認為更酸性的HTF“會徹底侵蝕系統中最薄弱的部件，”其中就涉及了泵密封件和墊片，以及膨脹箱內的焊件和金屬制品。

碳累積后造成的影響

絕對不能忽視碳在內部表面的積聚。解決這一問題的方法是采集HTF的常規樣本并分析其性質，包括碳殘余量和酸度。

在礦物基HTF中，碳的形成與酸度呈線性關系。所以隨著碳的增加，酸度也會增大。但是這并非一對一的對應關系，因為碳形成的速度通常是酸化速度的2倍。在碳含量開始上升時，流體的酸性就會隨之開始增大，進而造成泵密封件磨損。

圖1：在礦物基的HTF中，上圖為碳殘余量（carbon residue）和動粘度（kinematic viscosity）的關系，中圖為碳殘余量與磨屑（wear debris）的關系，底圖為碳殘余量與可溶性元素（soluble elements）之間的關系。

還測試了碳殘余和其他試驗參數的相關性，其中包括動粘度（圖1，上圖），磨屑（圖1，中圖）和HTF中的可溶性元素（圖1，底圖）。這項新的分析顯示，碳殘余和磨屑無關（即，線性r值接近零并且統計的“P值”超過了可接受的程度0.05）。還對碳殘余與可溶性元素（例如當系統被環境元素污染時檢測到的那些元素）的關系，進行了相同的比較，結果顯示二者之間存在著某種統計關系，但是線性關系沒有意義，因為它仍然接近于零（r值為0.09）。

然而有趣的是，碳殘余和動粘度之間存在著相當明顯的關系（r值在0.3和0.7之間，P值> 0.0001; 參見圖1，底圖）。因此表明，隨著碳在HTF中的積累，HTF會逐步發生熱降解，使流體變得越來越粘稠。所以，為了能實現像在純凈的HTF條件下同樣的效率，泵就不得不更加費力地運轉，以便在磨損增加的情況下依然保持同樣的流量。

工廠設備

此外，這還會對泵造成另一種不可預見的后果，就是當碳在諸如加熱器等系統的內表面受到熱烤時，為了使粘度更高的流體達到最佳整體溫度，它所需的能量會使泵受到的應力增大。

結論

本文討論了含碳量升高會對HTF系統泵造成的潛在影響，解釋了熱降解期間的碳形成與酸度增加和動粘度二者之間的潛在關系。

現代熱電廠

當HTF的酸性增強時，會導致泵密封件的內部破壞。動粘度的增加會導致要求泵的轉速更快，因此消耗的能量就更多。最后，當碳形成并且在加熱器的內表面受到烘烤時，它們相當于一層隔熱體，因此需要更多能量才能達到最佳整體溫度。如果有些泵需要泵送動粘度更大、溫度更高的流體，那么它們所受的應力也會進一步增大。