關于提高燃氣鍋爐所加阻垢劑藥效的改進措施

萬昌財　劉汝超　王曉軍　薛仁雨

摘 要：向鍋爐水中加入阻垢劑的方式可防止鍋爐內部發生腐蝕結垢問題，保證鍋爐水質運行狀況良好，水質化驗指標基本在要求范圍內。文章主要研究基于目前已確定的鍋爐加藥量和加藥周期基礎上，依據碳酸鹽結晶的誘導期，測算現有藥劑的平均藥齡，根據計算出的平均藥齡和誘導期為鍋爐加藥提出進一步的改進建議，提高阻垢劑的藥效。

關鍵詞：鍋爐水質 最佳加藥量 結晶誘導期 平均藥齡

一、概況

鍋爐水處理系統目前除對原水進行軟化除氧外，還采用向鍋爐爐水中加入阻垢劑的方式防止鍋爐內部發生腐蝕結垢問題。理論研究表明，一定濃度的阻垢劑在碳酸鹽過飽和溶液中可使碳酸鹽結晶速度減緩延續一定時間，這一時間段稱為結晶誘導期，阻垢劑在鍋爐水系統中的逗留時間稱為藥齡，而當藥劑的平均藥齡與藥劑在碳酸鹽中的結晶誘導期一致時，藥劑的效果最佳。因此文章基于已確定的鍋爐加藥量和加藥周期基礎上，計算出現有藥劑在鍋爐爐水中的平均藥齡，依據碳酸鹽結晶的誘導期，通過調整鍋爐的排污量和上水量將所加藥劑的實際平均藥齡調整至與碳酸鹽結晶誘導期的時間接近或一致，提高所加藥劑的藥效，進一步解決鍋爐內部的結垢問題。

二、第一凈化廠鍋爐系統結垢機理及影響因素分析

（一）鍋爐水系統結垢機理和影響因素分析

在鍋爐系統中，引起結垢的因素很多，如水中殘留的硬度成份和二氧化硅引起的水垢、腐蝕產物引起的金屬垢和給水中混入的有機物引起的有機垢等。這些水垢的生成，因其導熱系數比金屬小很多（見表1所示）而使傳熱顯著受阻，這不僅使鍋爐的熱效率降低，甚至影響鍋爐的出力；而且在結垢部位容易引起局部過熱，導致管材的機械強度降低（一旦傳熱面發生結垢，使傳熱面下金屬發生局部過熱時，當管內壁溫度超過350℃，則金屬的抗拉強度就會降低，在450℃時其抗拉強度就會減少到原來的50～60%左右），于是鍋爐管內壁就會發生鼓包、破裂等事故，圖1為第一凈化廠鍋爐內壁結垢實物圖。

（二）硬度、二氧化硅等引起的結垢機理

如式（1）、（2）、（3）所示，鍋爐都是以經軟化后的原水作為給水，鍋爐水中殘存的硬度成份和二氧化硅等雜質逐漸成為過飽和溶液，處于極不穩定狀態。當鍋爐水在激烈沸騰或流動狀態下與管壁沖刷時，鍋爐水中雜質的過飽和狀態遭到破壞，開始局部形成晶核，隨著晶核的產生，便有很多分子（確切的說是陰、陽離子）聚集在這些晶核上，使極小的微粒逐漸長大，最后形成粗結晶體或無定性沉積物。這些沉積物或粘附在鍋爐的傳熱面上、或懸浮在鍋爐水中、或沉積在鍋爐的底部；另一方面，由于鍋爐水中的雜質成份會隨著傳熱面上水的蒸發而殘留在壁面上，形成一層極薄的沉積層，在連續受熱的情況下，傳熱面上會不斷的進行雜質沉積和易溶鹽的溶解過程，最后就剩下那些難溶鹽類物質附著在傳熱面上而導致結垢。

在低壓鍋爐中，為防止因硬度成份和二氧化硅等在爐內結垢，需要采取如下措施：

1、通過軟化裝置除去硬度成份；

2、使用阻垢劑、淤渣分散劑阻止垢物質的形成和沉積；

3、加強鍋爐水的濃縮管理。

三、平均藥齡和結晶誘導期理論介紹

鍋爐所加藥劑的藥效取決于結晶誘導期和平均藥齡（或藥齡）這兩個關鍵因素，當結晶誘導期和平均藥齡相等時，藥劑在這段時間內能起到最佳阻垢、分散作用。理論研究表明，阻垢、分散劑并不阻止碳酸鹽的分解，阻止碳酸鹽結垢的機理主要在于它們通過晶格畸變作用和分散作用來控制垢沉積。如阻垢劑在水中不僅與鈣、鎂離子形成穩定的螯合物，同時還能與碳酸鹽晶體界面上的鈣、鎂離子發生螯和作用，形成的螯和物占據了晶體正常生長的晶格座位，形成不規則的小晶體，使晶體發生畸變，阻止或減緩了晶體的正常生長。

但與此同時，在未被螯和的微晶界面會有晶體繼續生長，一旦生長部分逐漸把阻垢、分散劑分子復蓋起來時，晶體又將以不存在阻垢劑、分散劑時的同樣速度生長。試驗表明，一定濃度的阻垢劑在碳酸鹽過飽和溶液中可使結晶速度減緩延續一定時間，這一時間段成為結晶誘導期。在誘導期內，只有很少的微晶析出。當時間超過這一誘導期后，水中的晶體則以不存在阻垢、分散劑時同樣的速度生長，因此只有當藥劑的平均藥齡與結晶誘導期時間相等或一致時，所加藥劑的藥效才是最佳的。

在鍋爐水系統中，阻垢、分散劑和成垢物質是不斷隨補水進入系統的，同時又不斷隨排污排出系統。它們在系統的停留時間通常由下式來計算：

由（4）式計算出的藥劑停留時間不是藥齡，也不是誘導期，它表示在系統確定水容量、排污量時，某一時刻投入的藥劑全部流出系統的時間。因為藥劑進入鍋爐水系統后，由于排污及蒸發損失的水量，藥劑的濃度也逐漸降低。阻垢劑在鍋爐水系統中的逗留時間稱為藥齡。成垢物質在藥齡時間內能穩定處于系統的過飽和狀態中，這時藥齡等于誘導期。投加一批處理藥劑后，該藥劑濃度隨時間降低的濃度可用式（5）計算，據此式可求得系統中藥劑的藥齡。

由于在工業水處理中，通常采用間歇和連續兩種加藥方法。對間歇加藥系統，按式（5）可求得某一批藥劑在系統停留時間內任一時刻的濃度，據此式算出的藥劑消耗速率，能求得藥劑的藥齡。但對于連續加藥系統，由于藥劑連續加入系統中，同時又隨排污不斷排出，因此鍋爐水水質、藥劑在整個系統中的平衡是動態的。所以藥劑的藥齡就不能按（5）式計算。必須計算系統到達動態平衡時能維持過飽和度的藥劑平均停留時間，即平均藥齡。藥劑的平均藥齡可通過計算來確定。

平均藥齡的計算推導如下：據（5）式：，當t=t1，即一天后，阻垢劑起始濃度降為：，同理求得第m天后，阻垢劑起始濃度降為：。

設每天補藥一次，當t1=1天后，為保持系統中阻垢劑濃度C0，應補入濃度為，。

當運行時間t2=2天后，第一天補入濃度下降為：同理可得當t=m天時，第一天補入濃度應降為：同樣可得第二天，第三天及第m-1天結束時補入濃度在運行m天后其濃度降低值：、................、。

在m天結束時補入濃度降低為：。

由于在鍋爐水系統任何時間總是保持阻垢劑濃度為C0，所以在m天時可以列出下列式：

上式中每一項都有其對應藥齡，等式兩邊都乘以對應藥齡得：

把（10）式除C0得平均藥齡的計算公式為：

T——阻垢劑的平均藥齡，天；

tm——達到鹽平衡及藥劑物料平衡時的運行天數，天；

為求tm把系統中離子平衡作為系統平衡的指標，下面對鍋爐水系統離子作一物料平衡：

W——系統水中離子總重量，克；

C——系統中離子濃度，mg/m3；

B——排污水量，m3/h；

M——補充水量，m3/h；

V——系統中水量，m3；

Cm——補水中離子濃度，mg/m3；

顯然離子濃度隨補水增加而增大，隨排污減少而減小，隨蒸發而增大。離子濃度變化速率可用下面的微分方程表示：

t0——系統開始運行的時間，小時；

C0——時間為t0時系統離子濃度，mg/m3；

經t時間后，當系統離子濃度達到處理要求濃縮倍數時，式（12）即為：

利用式（8）、式（13）即可求得阻垢劑的平均藥齡T。

四、鍋爐所加阻垢劑的平均藥齡測算

根據式（8）、（13）及表2的數據可算出鍋爐加入阻垢劑的實際平均藥齡：

將式（14）結果代入式（11）得：

由上述計算可得，目前該鍋爐所加阻垢劑的實際平均藥齡為12h左右。

五、調整平均藥齡所提出的具體建議

試驗數據表明，阻垢劑的濃度和其維持碳酸鹽的過飽和度的程度及時間有關。在一定濃度范圍內，阻垢劑濃度越高，所能維持的過飽和度越大，所能維持一定過飽和度的時間也就越長，即誘導期也就越長。經過試驗測定，一定濃度下的有機膦酸鹽類阻垢劑的誘導期一般在16-24h左右。而根據式（14）、（15）計算的實際平均藥齡分別為12h左右，鍋爐所加藥劑的實際平均藥齡小于其結晶誘導期，因此，需通過調整鍋爐供水系統的運行工況調整藥劑的平均藥齡與結晶誘導期一致或接近，使藥劑的藥效達到最佳。

由式（8）和（13）可以看出，調整平均藥齡的關鍵是調整鍋爐供水系統的工藝參數，在阻垢劑濃度一定的條件下，即加藥量已經確定，影響平均藥齡的關鍵因素是系統水容量即鍋爐容量、排污水量、鍋爐補充水量和鍋爐蒸發量這幾個因素。由于鍋爐容量為設計參數，不易改變，因此，鍋爐蒸發量與鍋爐排污量就成為兩個切實可行的調節因素。

根據平均藥齡的計算公式（8）、（13）可以看出，提高平均藥齡的主要方法為改變鍋爐排污量以及改變鍋爐蒸發量。因此，提出以下三種具體方案進行分析：

1、在確保鍋爐水質指標合格的前提下，及鍋爐蒸發量不變的前提下，改變鍋爐的排污量，具體分析結果如下表3：

根據表3數據我們可以看出：

（1）鍋爐蒸發量確定時，降低鍋爐排污水量，鍋爐的平均藥齡均有所提高。

2、在確保鍋爐水質指標合格的前提下，及鍋爐排污量不變的前提下，改變鍋爐蒸發量，具體分析結果如下表4：

根據表4數據我們可以看出：

（1）鍋爐排污量確定時，降低鍋爐蒸發量，鍋爐的平均藥齡均有所提高。

（2）調整鍋爐蒸發量對阻垢劑平均藥齡的影響幅度要大于只調整鍋爐排污量時對阻垢劑平均藥齡的影響。

3、在確保鍋爐水質指標合格的前提下，適當提升鍋爐蒸發量，適當減少鍋爐排污量，具體分析結果如下表5：

根據表5數據我們可以看出：

（1）同時降低鍋爐蒸發量及鍋爐排污水量，鍋爐的平均藥齡均有所提高。

由上述分析，我們認為，適當降低鍋爐排污量可在一定程度上提高阻垢劑的平均藥齡，從而提高阻垢劑在鍋爐中的藥效，但同時，也可根據下游用戶的使用情況，及時調整鍋爐的運行負荷，從而降低鍋爐的蒸發量也可對阻垢劑的平均藥齡產生影響。

六、結論

綜上分析，我們認為，通過調整低壓鍋爐的蒸發量和排污量可使阻垢劑的平均藥齡發生改變，并具體分析認為，適當降低鍋爐蒸發量和排污量可提高阻垢劑的平均藥齡，將阻垢劑的平均藥齡調整至接近碳酸鹽的結晶誘導期，更大程度提高阻垢劑的藥效。

參考文獻

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