鍋爐的合理排污及水垢的形成與危害

摘要：鍋爐是電力，石油，冶金，紡織及城市建設等行業不可缺少的設備，它是一種投資大，技術含量高的通用設備，其設計，制造，安裝，運行和檢修涉及多種學科，國家設有專業監督機構對其各個環節進行全面的監督與管理。就其運行工作來說，鍋爐作為能耗大戶，不論其容量大小參數高低，鍋爐的安全，經濟，穩定運轉已經成為各個工礦企業開展生產，節能降耗的重要任務。本文介紹了鍋爐排污的方式方法及探討了合理排污對運行工作的意義，總結了鍋爐水在爐內加熱，蒸發，濃縮中生成水垢的過程和其構成和分類及對鍋爐的危害。對從事相關工作的人員有一定的借鑒作用。

關鍵詞：工業鍋爐；排污；水垢；濃縮。

中圖分類號：TK22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0000-00

隨著經濟的發展和社會的進步，鍋爐早已成為國民經濟建設中不可缺少的設備，并且在相當長的將來仍然是經濟建設中的基礎行業。做為能耗大戶和環境污染的大戶，其燃料消耗量在任何一個國家或地區所占的比例都是最大的，做為能源主要組成部分的煤，油和天然氣等不可再生的常規燃料的儲量越來越少。因此鍋爐的安全經濟穩定運行通常是企業內部實施節能降耗措施的重要保證，本文就運行工作中最基本的排污操作及水垢危害做了一些基本的探討。

1 排污的作用

總所周知，排污是每個鍋爐運行操作中一件必不可少的工序。這就好比人吃了食物，經過消化后，必須排泄糟粕一樣；也猶如煤經過燃燒利用其熱量而排除爐渣一樣，但這只是一個簡單的類比。鍋爐排污的關鍵是要解決爐水濃縮后殘留下來的雜質污物帶來的問題，以保證爐水質量在國家標準的允許范圍內，確保鍋爐設備的安全，經濟，可靠運行。而爐水濃縮是一種復雜的物理，化學過程。當含有礦物質的水（盡管經過化學處理）進入鍋爐后，水受高溫加熱而劇烈蒸發，由管道送到各個用戶，而礦物質類就留在鍋爐中，爐水就逐漸變濃，以致成為高濃度的礦物質水。當礦物質在爐水中達到一定限度時（稱飽和）就不會再溶解了（國家標準20T/H蒸汽鍋爐爐水含鹽量≤3500PPM）。如果再有礦物質和鹽類進入就會在鍋爐內形成水垢，這些礦物質和鹽類由于爐水上下溫差和水循環的作用易于處在水層上部，形成高濃度的表面水。所以，一般來說鍋爐結垢上部要比下部嚴重。因此控制爐水的濃縮過程是防止鍋爐受熱面結垢的基本方法之一。以上是從濃縮角度來說明水垢析出的原因。可用濃縮倍率C來表示濃縮程度，C=D/Q （C—蒸發倍率，D—蒸發量，Q—鍋爐水容積）。

另一方面從礦物質本身特性來說：氣壓和溫度對礦物質本身的最大溶解離子積（每種物質陰，陽離子量的乘積）也有明顯的影響。當離子積達到其最大溶解離子積以后，將有沉淀反比析出。大多數鹽類的溶解度是隨著水溫的升高而增大的，而有些鹽類（如Mg（OH）2 CaSO4 等）的最大溶度積卻和水溫成反比，這是應引起高度重視的。并且當水溫達到沸騰而蒸發時，即使易容的鈉鹽（Na2SO4 ，Na2CO3）也會析出沉淀形成水垢。以上是從爐水濃縮和升溫兩個方面說明了水中礦物質的存在方式的變化。

要解決以上問題除了為鍋爐提供合格的軟化水以外還需要對鍋爐進行排污，排污分定期排污和連續排污兩種。這兩種方式分別處于鍋爐的底部和頂部，因為底部和頂部最容易集結雜質或是爐水濃度最高的部位。

2 排污的合理性評價

首先，從操作上說明一下定期排污問題。定期排污管開設在下集箱或下鍋筒底部，主要是排除鍋水中的水渣（松散狀的沉淀物），也可以排除鹽分。排污閥門和管道都是處于高溫高壓和大量污物的工作環境之中，承受著腐蝕和沖刷。定期排污要使用快速且直通的閥門（如直通球閥，斜式球型閥，快速齒條閥）。供熱公司一般都用兩個直通球閥；也有采用一只快速閥配一只慢速閥，但在這種情況下安裝位置要正確，應將慢速閥安裝在第二的位置上（從鍋爐向離開方向算起）。操作上有保護第一道閥門和保護第二道閥門兩種方法，均符合有關規程要求，但本文認為保護第二道閥門的方法明顯優于保護第一道閥門的方法，原因不在此累述。在實際操作中也是按照保護第二道閥門實行的。排污時間上，下汽包排污最長不超過30秒；聯箱排污一般8-10秒，在水質正常的情況下，每班排一次就可以了。

連續排污，顧名思義就是保持排污閥門長期開啟的，排除鍋水中的鹽分雜質，以降低爐水的堿度，氯根和懸浮物，防止汽水共騰現象的發生和爐水對汽包壁的腐蝕。由于上鍋筒蒸發面處的爐水鹽分最高，所以連續排污就設在上鍋筒，且排污管與鍋筒縱向中心線平行，其排污位置應處于正常水位線下80—100毫米處，即吸污管上端距鍋爐正常水位80—100毫米。這樣既保證鍋爐水位波動時排污仍能不中斷，又不會排走蒸汽。閥門開度大小由化驗員根據爐水質量分析情況通知司爐工進行調節。連續排污閥門應采用一個截止閥（做為全開全關用）配一只硬質合金鋼或不銹鋼材質的針型閥（做為調節用），供熱公司用球閥和截止閥匹配，也基本上滿足上面的要求。

其次，合理的排污率是經過科學的計算和實踐檢驗來確定的，也就是進行鍋爐的熱化學實驗。見圖1所示。它的要求就是在爐水質量達到了國家要求的標準后，保持爐水的鹽類濃度不變。直觀的說就是給水帶進鍋爐多少鹽（堿）量，就要通過排污排走多少鹽（堿）量。為便于分析，在實際熱化學試驗中可用爐水堿度代表含鹽（堿）量。

D—蒸發量 a—給水含堿濃度

Dp—排污量 a’—蒸汽含堿濃度

D+Dp—給水量 A—排污水含堿濃度

∮=排污率（∮=Dp/D）

圖1 蒸發、排污、給水示意圖

根據鍋內酸堿進出量平衡的原則

（D+Dp）×a=D×a’+DpA 引入∮=Dp/D

可得（1+∮）×a=a’ +∮A

事實上，蒸汽所能帶走的鹽堿量是微乎其微的，可以忽略不計，即a’ ≈0。得出∮=a/（A-a）。從中可知，如果想在爐水水質達到國家標準并維持這個標準，排污率是隨著給水堿度的增大而增大的。國家標準的堿度值是6-24mmol/L，一般工業鍋爐的排污率在10%以下。在給水方面供熱公司有深井水和城市自來水兩種水源，由于自來水的價格因素（不斷漲價），為降低生產成本采用增加深井水用量的做法，并且本地區深井水硬度較低，一般不超過2mmol/L，而自來水硬度在4.5—5.5mmlo/L之間，這樣就延長了離子交換器的再生周期，減少了再生用鹽的消耗也減少了再生過程中的用水消耗，降低了軟化水制作成本。但是深井水堿度較自來水高，易造成過大的排污量。經過不斷測試和計算，采用深井水占到總用水量1/2到2/3的措施，排污率得到了有效控制但與理想中的結果尚有一定距離，而給水的堿度在現有的水處理設備中是不能消除的，計劃以后通過將一部分Na離子交換器改造成H離子交換器，兩者串聯使用進一步降低給水堿度，減少排污。

定期排污水量是按幾何尺寸計算得到的，通常采用公式：排污水量Dp=dlh?。（d—上汽包內徑 l—上汽包長度 h—水位變化量 r—水重度）。關于定期排污量，下汽包排污掌握水位變化量h為2—4mm，下部各聯箱排污掌握h為1—2mm。對于定期排污一般講控制好排污時間即可，如何掌握前面已經介紹了，如果排污過多易引起水循環惡化而造成事故。定期排污的關鍵點在于要將所有排污點均勻拍到不能遺漏并不能同時兩點或多點排污。實際上鍋爐正常運行時，由于爐水不斷循環，泥沙和水渣并不能完全沉淀下來，一些水渣和沉淀物會被水流帶動不易沉積在鍋爐底部，所以應該在鍋爐低負荷運轉時進行定期排污，如果能在鍋爐熱備用時進行定期排污效果會更好。

3 水垢的形成與危害

排污率過高會造成能源的白白浪費。而排污率過小，達不到國家要求的爐水質量標準則會形成水垢，危害極大。水垢的形成原理前面已經講過，它的產生過程是比較直觀的。水被加熱成汽泡，汽泡附著在高溫的管壁內，汽泡逐漸吸收熱量而增大后脫離管壁，離開鍋爐送入用戶，而汽泡表面的礦物質則不會隨著汽泡脫離管壁而是留在了原處形成水垢，并隨著時間逐漸累積。水垢的按成分主要分成碳酸鹽水垢，硫酸鹽水垢，硅酸鹽水垢和混合水垢，其中硅酸鹽水垢最為堅硬且導熱系數最低。

水垢的平均導熱系數在0.05—0.7大卡/米·時·度的范圍內變化，金屬鋼管的導熱系數是30—50大卡/米·時·度，兩者相差70—500倍。這么大的傳熱能力差距會造成下列危害。詳見表1所示。

水垢種類水垢特性導熱系數

（大卡/米·時·度）

含有油質水垢堅硬 0.1

硅酸鹽水垢（含SiO220-25%或更高） 堅硬 0，05-0.2

無定形碳酸鹽水垢

（CaCO2，MgCO3） 軟 0.2-1.0

硫酸鹽水垢

（CaSO4+MgSo4>50%）無定形粉末狀變堅硬狀態 0.5-5.0

混合水垢 堅硬 0.7

表1 各類水垢的導熱特性

3.1大量浪費燃料

鍋爐受熱面內的爐水是通過管壁從高溫煙氣中吸收熱能而倍加熱，沸騰，蒸發成水蒸氣。如果內壁被水垢覆蓋，那么燃料傳給爐水的熱量就大大減少，不能被吸收的熱量將隨著高溫煙氣白白的跑掉了。這就是為什么結垢嚴重的鍋爐盡管耗煤量不少而負荷僅為正常負荷的60-70%的主要原因。粗略估計，爐管結垢2毫米厚將增加燃料消耗量6-10%（大部分工業鍋爐均有1毫米左右的水垢），根據TSG G5003—2008《鍋爐化學清洗規則》，鍋爐受熱面被水垢覆蓋80%以上且水垢平均厚度達到1毫米以上可以進行鍋爐清洗，一般工業鍋爐掌握水垢超過2毫米應該清洗。

3.2危及鍋爐安全運行，影響鍋爐壽命

水垢造成金屬壁熱阻增大，使管子得不到內部爐水的冷卻而管子外壁又處在近1000℃的高溫煙氣的加熱之下，加劇了金屬的高溫氧化腐蝕，使管壁厚度迅速減薄。另一方面，高溫條件下金屬強度迅速降低。供熱公司鍋爐的爐管溫度極限為450℃，即在承受450℃以下的溫度時鋼管的機械性能可以保持不變，當超過這個溫度極限管子就會過熱鼓包，變形，破裂身子爆破。根據試驗得到，碳素鋼管在560℃時，其抗拉強度可從40kg/mm2下降到10kg/mm2。盡管公司鍋爐的蒸汽溫度為180-190℃，但如果爐管內部結垢，其存在會使金屬壁溫明顯上升，爐管外壁的溫度是很難預料的。所以不論鍋爐壓力，溫度各種參數高低，水垢的危害都是巨大的。據統計，由結垢引發的鍋爐事故占鍋爐事故總數的65%。

3.3增大檢修

由于鍋爐結垢，必然導致運行周期縮短而檢修時間增加，隨之帶來人力物力的消耗。不論是機械除垢還是化學清洗都給檢修人員帶來不安全因素。

4 結語

以上結合天津濱海供熱公司的部分鍋爐和水質情況分析了合理排污與經濟性的關系，并總結了合理排污的措施及爐內水垢的形成和給正常生產帶來的危害。所以做好鍋爐給水處理及運行中的排污工作對設備的安全經濟穩定運行有著極其重要的意義。

參考文獻

【1】丁崇功 寇廣孝 ，《工業鍋爐設備》 機械工業出版社 2009年2月

【2】沈祥智 吳金星 《工業及電廠鍋爐節能技術》化學工業出版社 2013年3月

【3】丁明舫 崔百成 陸其虎 薛繼承 時靜茹 《鍋爐技術問答》中國電力出版社 2004年1月

【4】TSG G5003-2008 《鍋爐化學清洗規則》

作者簡介：程更生（1967—），男，天津人， 89年畢業于東南大學動力系工程熱物理專業。