油田注汽鍋爐水垢成因、危害及處理方法

潘立生

摘 要：水垢是日常生活及工業生產中比較常見的一種現象，給人們的生活和生產帶來了不同程度的困擾。工業生產中水垢的產生較為常見，鍋爐、中央空調等換熱設備，使用一段時間都會結生水垢。油田鍋爐形成水垢會降低鍋爐的傳熱效率，造成一定的能源浪費，還會影響鍋爐的正常運行，縮短正常使用壽命，從而降低鍋爐運行與工業生產的經濟性。為了避免由于鍋爐結生水垢引發不良事件，正確了解鍋爐水垢的形成原因、危害以及正確的處理方法及預防水垢形成顯得尤為重要。

關鍵詞：油田注汽鍋爐 ?水垢 ?危害 ?清除 ?預防

中圖分類號：TK228 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0031-02

鍋爐是工農業生產、城市居民個公共設施中主要應用的熱能動力設備，是以水為介質生產蒸汽或高溫水的熱供主要設備。注汽鍋爐是油田對稠油的注蒸汽熱采的專用鍋爐，為直流式高壓鍋爐，傳能介質與普通鍋爐一樣為水。油田鍋爐形成水垢會降低鍋爐的傳熱效率，造成熱能和燃料能源的浪費，還會影響鍋爐正常、安全的運行，縮短正常使用壽命，從而降低鍋爐運行與工業生產的經濟性，因此，必須重視鍋爐水垢的清除與防治工作。

1 注汽鍋爐水垢形成的原因與過程

1.1 水垢形成的原因

鍋爐用水中雜質較多，水中的鈣、鎂鹽類因受熱分解、蒸發、濃縮，發生物理變化或化學變化，水的濃度達到一定程度時，在與水接觸的受熱面上會產生一層固態附著物，或是由于鍋爐中的水一次性蒸發完畢，水中的鹽類成分沉淀在鍋爐受熱面上。受熱面上的附著物與沉淀物為鍋爐水垢，隨著使用時間增長水垢厚度增加，阻礙熱能量的傳遞。

1.2 水垢形成的過程

（1）水在加熱過程中不斷蒸發，鍋爐水中的鹽類物質含量不斷增加;（2）水中部分鈣、鎂鹽類受熱后在水中溶解度下降，如CaSO4、Mg（OH）2、Ca（OH）2水濃度達到飽和后在受熱面上析出結晶，形成水垢;（3）部分鹽類受熱分解，形成難溶于水的沉淀物。如：

Ca（HCO3）2→CaCO3↓+H2O+CO2↑

Mg（HCO）2→MgCO3+ H2O+CO2↑

MgCO3微溶于水，水溶液PH值呈弱堿性，MgCO3加熱時與水進一步反應，生成比MgCO3更難溶于水的Mg（OH） 2：

MgCO3+ H2O=Mg（OH） 2↓+CO2↑

（4）鍋爐水中的鹽類、堿類物質的相互反應生成難溶于水的化合物沉淀結成水垢。如：

Ca（HCO3）2+2NaCl=CaCO3↓+Na2 CO3+H2O

CaCl2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaCl

2 鍋爐水垢的分類及性質

鍋爐水垢的化學成分比較復雜，根據其成分不同可以分為以下幾類。

2.1 碳酸鹽水垢

碳酸鹽水垢是最為常見的水垢種類之一，主要成分是CaCO3，含少量MgCO3和Mg（OH） 2多形成于水未煮沸時，呈白色。水的pH值會影響水垢的硬度與形態，當水溫較低pH值較大時，產生的是疏松的軟質水垢;而當水溫熱度較高pH值較小時，產生的則是堅硬致密的硬質水垢，附著于鍋爐內壁。碳酸鹽水垢在5%的鹽酸溶液中可以大部分溶解，反應時產生大量氣泡，充分反應后溶液中的不溶物很少。

2.2 硫酸鹽水垢

其主要成分是CaSO4，呈白色或微黃色，堅硬致密，手感滑膩，多產生于鍋爐內溫度最高、蒸發率最大的受熱面上。硫酸鹽水垢在鹽酸溶液中反應時很少有氣泡，溶解較少，加入10%的氯化鋇溶液會產生大量白色沉淀物質。

2.3 硅酸鹽水垢

其成分較為復雜，主要成分是硅酸化合物，其中SiO2含量達20%以上，水垢呈白色或灰白色，堅硬，表面帶刺，主要形成于鍋爐溫度最高時。硅酸鹽水垢在鹽酸溶液中不溶解，加熱后其它組成成分緩慢溶解，產生透明砂粒狀沉淀物，加入1%的氫氟酸溶液可緩慢溶解。

2.4 混合水垢

混合水垢成分混雜，沒有主體成分，因此其性質根據成分不同差異較大。混合水垢在稀鹽酸溶液中可以大部分溶解，并產生氣泡，反應結束后會存在殘留的水垢碎片或泥狀物。

2.5 含油水垢

水中混入油脂后形成的水垢質地松軟，很難清除，一般含有水垢的油含量在5%以上，呈黑色，沉積在鍋爐溫度最高的部位，導熱性能差。在含油水垢中加入乙醚，溶液呈黃綠色。

2.6 鐵垢

鐵垢的主要成分是鐵的氧化物和氫氧化物，多結生在鍋爐受熱最強的受熱面上，堅硬但易清除，鐵的氧化物一般呈紅棕色，氫氧化物呈棕色和紅褐色。鐵垢加稀鹽酸溶液可溶解，溶液呈黃綠色，加硝酸能快速溶解，溶液呈黃色。

3 注汽鍋爐產生水垢的危害

水垢的導熱性能較差，結生水垢后的危害表現為以下幾種。

3.1 造成能源浪費

水垢的導熱性能僅是鋼材的幾十分之一，甚至是幾百分之一，因此燃料燃燒產生的熱量不能有效的傳遞給鍋爐中的水，大部分熱量被煙氣帶走，大大降低了鍋爐的傳熱效率;為了保證達到鍋爐工作時的額定參數，則要添加更多的燃料，也造成了一定程度的燃料浪費。

3.2 影響鍋爐的安全運行，縮短使用壽命

水垢的導熱性差，水垢的產生阻礙了受熱面吸收的熱量向鍋爐水的傳遞，使受熱面的工作溫度高于正常運行的溫度。若運行溫度高于鍋爐受熱面的最高承受溫度，金屬由于過熱會降低工作強度，鍋爐運行產生的壓力會導致金屬鼓包、穿孔、甚至發生爆管事故，使鍋爐運行存在安全隱患。如果不及時清理水垢，長期高溫、高壓、高強度的工作會破壞鍋爐壁，影響鍋爐水循環;水垢附著的金屬會逐漸腐蝕，不僅會縮短鍋爐的正常使用壽命，還會引發安全事故。

3.3 降低鍋爐出力

鍋爐產生水垢后，導熱系數降低，鍋爐要達到額定蒸發量（熱量）需要燃燒更多燃料。隨著水垢生成厚度的增加，爐膛容積的排面量與沒有水垢時一樣大，沒有變化，燃料消耗受限，因此降低了鍋爐的出力。

3.4 降低了工業生產的經濟性

鍋爐結生水垢后影響了正常的運行，降低了工業生產量，水垢的清理與檢修要停爐，大量的財力、人力與物力，大大降低了工業生產的經濟性。

3.5 增加了大氣污染

水垢導致的鍋爐傳熱能力降低，熱量由于煙氣帶走造成的熱量浪費，與鍋爐沒有水垢正常運行相比排出了更多的煙塵、二氧化氯及其它的有害物質，增加了生產對大氣環境的污染。

4 注汽鍋爐水垢的處理與預防

4.1 鍋爐水垢的清理

（1）人工清理：通過人工清理鍋爐水垢需要錘、砸、刮、鏟等，最后將清理的殘渣沖洗干凈。人工清理水垢工作效率低，人員需求與勞動強度較大，隨著科學技術的提高，采用人工清理的越來越少。（2）機械清理：當鍋爐結有水垢后，停爐冷卻，通過專業的清洗工具進行清理，如帶有電機、螺旋鋼絲刷的專業洗管器械。如果水垢堅硬，可采用高壓水射流清洗，再用帶鋼絲刷的洗管器清洗，一般均可清理干凈。機械清理為物理法清理，但是只適用于清洗鋼管，不適用銅管，因為銅管容易被損傷。（3）化學除垢，即通過化學或電化學反應將鍋爐金屬管壁上的水垢轉變成可溶性的鹽類溶解在清洗液中，隨著清洗液的排放而將水垢清理掉。常規水垢化學除垢：根據鍋爐的材質選用能夠安全有效清理水垢的溶液，一般溶液濃度為5%～20%，也可根據水垢的厚度選擇合適的濃度進行清理。清理完成后需要將廢液排出，再用清水進行清洗，再將水加滿，加入適量中合劑，浸泡煮沸40 min左右，排除廢水，清洗1～2次即可使用。酸洗法清理水垢：通過此方法清理鍋爐水垢可選鹽酸、磷酸、鉻酸及氫氟酸，但不能選用硫酸。硫酸與水接觸時會在水垢的表面形成一層硫酸鈣硬膜，膜下的水垢不能有效接觸酸液，不能達到有效清理水垢的效果。由于磷酸和鉻酸的價格比鹽酸貴很多，雖然清理水垢的效果很少，一般還是選擇用鹽酸，鹽酸只能清洗碳酸鹽水垢，清洗過程中會生成氯化鎂和氯化鈣，比較容易清理，同時伴有二氧化碳生成，對鹽酸溶液有攪拌作用。硅酸鹽水垢可以選擇氫氟酸進行清洗。如果水垢是以硫酸鹽和硅酸鹽為主要成分的混合水垢，可以選擇用鹽酸進行清洗。酸洗時要注意控制鹽酸溶液的濃度，一般為3%～5%，也可以根據水垢的厚度選擇適合的濃度。由于酸洗時酸溶液不僅能夠清除水垢，還會根據濃度、溫度的高低對金屬造成不同程度的腐蝕性，因此酸洗時必須添加抑制劑。目前酸洗清除水垢是油田注汽鍋爐的常用清理方法。

4.2 鍋爐水垢的預防

（1）鍋爐內水處理：此方法是通過在鍋爐水中添加化學制劑與結成水垢的鈣鹽、鎂鹽反應形成疏松的沉渣，通過排水將沉渣排除鍋爐，以減少或防止鍋爐結生水垢。在爐水中添加化學制劑一般用于小型低壓火管鍋爐。常用的化學藥品為磷酸三鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉及有機膠體等，加入鍋爐水的藥品應配制成溶液，配制時注意溶液濃度。一般磷酸三鈉溶液濃度為5%～8%，碳酸鈉溶液不超過5%，氫氧化鈉溶液不高于1%～2%。添加藥品溶液有的是定期添加，通過加藥罐操作;有的是連續加藥，在給水設備前連續添加。蒸汽鍋爐的藥品添加最好是采用連續添加的方式，以保證鍋爐內藥品溶液的均勻。凡是采用鍋爐內水處理方法預防水垢的，需要加強鍋爐排污，將形成的殘渣、泥垢排出，以保證預防水垢產生的效果。（2）鍋爐外水處理：鍋爐外水處理防止水垢結生適用于各種鍋爐。向澄清的水中添加適量的石灰和純堿進行軟化，達到預防水垢結生的目的。冷軟化法是在室溫下進行，使水中殘余的硬度降至1.5～2 mEp/L。熱法是將水溫加至20℃～80℃，將水中殘余硬度降至0.3～0.4 mEp/L，熱軟化法降低水硬度的效果明顯優于冷軟化法，建議采用熱軟化法，提高軟化效果。

鍋爐結生水垢不僅影響工業生產量，還存在一定的安全隱患、造成能源浪費并會加重空氣污染的程度，因此對鍋爐水垢的預防工作尤為重要，結生水垢后的清理工作也十分必要。在進行鍋爐清洗工作時一定要嚴格按照鍋爐的清新規范進行操作，并達到清洗標準。目前國內外對鍋爐水垢的清洗有了很多安全、經濟的方法，但又都存在不同方面的問題，鍋爐的物理清洗、微生物清洗方法正在嘗試中。

參考文獻

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