新型功能性合金材料節能器在工業蒸汽鍋爐的應用

文 // 楊含軍 中海油（青島）重質油加工工程技術研究中心有限公司

新型功能性合金材料節能器在工業蒸汽鍋爐的應用

文 // 楊含軍 中海油（青島）重質油加工工程技術研究中心有限公司

蒸汽鍋爐是石油煉化企業必備動力設備之一，承擔著石油煉制過程中伴熱、吹掃、汽提、消防等項工作。蒸汽鍋爐每日的蒸汽消耗量根據煉化企業的規模而有所不同，其消耗量在石油煉化企業能源消耗中僅次于燃料消耗。因此，做好蒸汽鍋爐的節能降耗具有重要意義，也是企業降本增效、增強競爭力的重要手段之一。

山東某公司現有科研工業放大實驗裝置3套，加熱爐9臺，其中蒸汽鍋爐產汽約150t/d。為了提高鍋爐熱效率，減少燃料消耗，增加企業效益，公司在蒸汽鍋爐上應用了新型功能性合金材料節能器，該技術突破了傳統的傳質、傳熱效率，降低鍋爐排煙溫度等提高鍋爐效率的手段，通過激發能量場對鍋爐進水進行物理化處理，處理過的水可大幅度提高熱交換率和蒸發率，并兼顧除垢、阻垢功能，從而達到節能降耗的目的。該技術獨辟蹊徑，具有很強的技術創新性，在節能降耗方面起到很好的示范作用。

1 節能器工作機理

鍋爐節能水處理器的核心部件運用了特殊配方和加工工藝制造的功能型合金材料，該核心部件中的電子處于亞穩定態，在縝密設計的環形交錯磁路引導的永久磁場作用下，合金材料內部電子在激發態和基態之間不斷躍遷，電子由激發態躍遷至基態時所釋放出的能量在反射壁的作用下，在工作區形成很強的激發能量場，而通過節能器的水分子在此能量場的作用下產生共振內能，水分子運動速度增加，活性大幅增強，水分子團簇中的弱氫鍵在激發能量場的作用下瞬間彎曲、斷裂，而交錯磁場的極化作用又抑制了小團簇之間的再度結合，使流經節能器的水最終被分解為7～9個高活性水分子組成的穩定的小分子團簇（圖1）。在HUV分子分析儀拍攝圖片中可以清晰看到水分子在處理前后的變化。

節能器處理后的水分子具有很高的活性，分子運動速度快，分子間作用也更為頻繁，同時水分子團簇直徑更小，團簇中氫鍵角度的改變和經極化后氫鍵趨向脆弱，使水的物理熱運動特性和化學反應性遠強于普通水。

2 節能原理

2.1 直接節能

圖1 節能器工作機理

氣態的水蒸氣是由單個水分子組成，液態的水分子團簇變成氣態的單個水分子過程中，不僅要消耗水分子由液態變為氣態時所消耗的熱能，還有很大一部分熱能被消耗在破化、分離水分子團簇的氫鍵過程中。由于分離氫鍵需消耗大量的熱能，在雜質較多、水分子團簇較大時，破化、分離水分子團簇氫鍵消耗的熱能甚至遠超過水分子態勢改變時所消耗的熱能。

自然界中氫鍵的作用維持了水的穩定，由于經過節能器處理后的水弱氫鍵數量要大大少于普通水，剩余的弱氫鍵脆弱性較高，破化、分離弱氫鍵，使水分子團簇變成單個水分子時所消耗的熱能比普通水要低得多；同時經節能器處理后的水在物理熱運動過程中更具活性，熱傳導系數大為提高，熱能利用更為有效。綜合作用下，使得經節能器處理后的水由液態變為氣態時所吸收的熱量大為降低，經實驗，在循環條件下相比普通水沸點降低0.4℃，在除鹽水條件下水的蒸發速率提高4.6%，直接節能效果非常明顯。

2.2 抑垢節能

鍋爐水的某些雜質在高溫、高壓和蒸發、濃縮的作用下，有一部分從爐水中析出并附著在鍋爐受熱面，在受熱面上形成一次水垢。其它不在受熱面上附著的析出物，大部分通過連排、定排排出鍋爐，部分析出物隨著爐水的循環粘附在受熱面上形成二次水垢。水垢的導熱系數比金屬的導熱系數小幾百倍，由于熱阻大，導熱效率低，不僅會使鍋爐熱效率降低，而且由于受熱面上結有水垢傳熱不良，導致爐管壁局部過熱，造成爐管因受熱不均而鼓包，嚴重者會引起鍋爐爆管。

清除水垢要停爐、藥洗等，不但消耗人力、物力，還會對鍋爐造成機械損傷和化學腐蝕。水垢的成分有很多種類，90%以上由堿土金屬類水垢組成，分一次結垢和二次結垢。一次結垢是碳酸鹽類物質在爐體上沉積而成，主要是碳酸鈣（CaCO3）和碳酸鎂（MgCO3），見化學方程式（1）、（2）；二次結垢是一些堿金屬類水渣物質附著在一次結垢體上而形成的，主要是氫氧化鎂（Mg(OH)2），見化學反應式（3）。

如化學方程式（1）、（2）、（3）可知，在水分子化學反應性增強后，方程式（1）、（2）更趨向于向逆方向進行，而且活性水可以容納更高的離子濃度，使水中的鈣、鎂元素以可溶性的碳酸氫鹽化合物存在，即以Ca2+和Mg2

+離子形式存在，而不是形成不可溶的碳酸鹽類化合物沉積在爐體中形成一次水垢，沒有了附著層，二次水垢也沒有存在的基礎，可從根本上抑制水垢的形成，達到節能的目標。

2.3 除垢節能

由于經過節能器的活性水的分子團簇變小，滲透力增強，水分子偶極距發生偏轉、增大，其與鹽類正負離子吸引力增大，使得受熱爐膛、管壁上原有的舊垢逐漸開裂、疏松、變成松軟的泥狀物質自行脫落，輕松達到清除舊垢的目的。

3 節能改造

3.1 改造方案

本節能器結構分為平板式和芯棒式，結構重量根據鍋爐型號及給水流量不同而異，公司現有蒸汽鍋爐為1.0MPa低壓蒸汽鍋爐，因此本次節能技術改造采用了芯棒式結構的節能器，該節能器尺寸為0.6m×1m（直徑×長），安裝示意如圖2所示。

圖2 安裝示意圖

本次節能器技術改造增加了3個閥門，1套節能器，3m給水管線，施工周期為2天，占地較少。安裝使用時應注意以下事項：①連接管道焊接結束后，將管道清理干凈后，再與節煤器連接。②中低壓鍋爐安裝時，不得將雜物掉入產品內部，用壓縮空氣或水沖洗干凈；如用水沖洗應盡快投運，以免氧化腐蝕。③焊接最好使用氬弧焊接，否則一定要將焊渣清理干凈。④高溫高壓鍋爐應進行水沖洗，直至水質清晰透明，方可投運。

圖3 節能器除垢效果對比圖

3.2 運行情況

鍋爐節能器技術改造施工完成后，節能器運行期間按照使用說明進行日常巡檢、排污等工作，由于該設備無運動部件，日常維護量非常小，根據廠家的建議，鍋爐節能器排污周期為每周一次。圖3為鍋爐節能器技術改造施工完成后第一周鍋爐水排污時除垢效果對比。

表1 鍋爐節能器投用前運行參數表

表2 鍋爐節能器投用后運行參數表

從圖3可以看出，自左至右依次為開始排污時、排污結束時、脫鹽水的水樣，脫鹽水經過鍋爐節能器后，水質得到了明顯改善，有雜質析出，節能器具有明顯的抑垢、除垢效果。

3.3 節能分析

表1為鍋爐節能器投用前一個月A、B鍋爐運行參數，期間2臺鍋爐共發汽2814t，消耗新鮮水4587m3，消耗天然氣220870Nm3，平均噸汽耗水1.6 3 m3，平均噸汽氣耗78.49Nm3。

表2為鍋爐節能器投用后一個月A、B鍋爐運行參數，期間2臺鍋爐共發汽3522t，消耗新鮮水4755m3，消耗天然氣267214Nm3，平均噸汽耗水1.3 5 m3，平均噸汽氣耗75.87Nm3。

從表1、表2鍋爐節能器投用前后運行數據分析可得出，使用鍋爐節能水處理器后，噸蒸汽耗用天然氣量下降了2.62Nm3，節能效果達到3.34%，噸蒸汽耗用新鮮水下降0.28 m3。

3.4 經濟效益分析

山東某公司屬于實驗型裝置，裝置規模較小，蒸汽耗量較低，A、B鍋爐年產汽約3萬t左右。新型功能性合金材料節能器全年節約燃氣7.86萬Nm3，年節約新鮮水0.84萬t，按照目前工業燃氣市場價4元/m3，新鮮水目前市場價3.5元/t核算，新型功能性合金材料節能器全年可節約生產成本34.38萬元。

4 結語

新型合金材料節能器能增強水分子運動速度，提高水分子活性，降低水表面粘力，抑垢、除垢效果明顯。并且施工簡單，投資少，節能效果顯著，具有良好的節能效益和經濟效益。