工業鍋爐的防垢與節能研究

(云南省節能監察中心，昆明 650041)

0 引 言

能源消耗是企業生產的重要組成部分，降低能源消耗和環境污染是企業降本增效的一個重要途徑，也對推動地方綠色低碳發展和生態文明建設起到了積極的作用。下面就具體闡述工業鍋爐的防垢與節能。

我國中小型鍋爐數量龐大，這些中小型鍋爐的運行效率一般都較低，造成能源的巨大浪費。效率低的重要原因之一，就是在鍋爐的受熱面上經常沉積著導熱系數很低的水垢。導致鍋爐傳熱效率下降，使鍋爐熱效率降低，耗煤量增加，根據近些年來對昆明地區工業鍋爐的調查表明，大部分鍋爐結垢厚度為1～2 mm，有的達到10 mm。年耗煤大約3 000萬t。水垢平均厚度為1.5 mm。每毫米水垢約增加4.5%的耗煤量。由于結垢嚴重還造成鍋爐破壞事故。下面將分別敘述水垢的成因、特性與危害，以及除垢與節能效果的概算與試驗等問題。

1 水垢的成因與特性

1.1 水垢的成因

水垢可分為積結在受熱面的堅硬或松軟的水垢和沉積在鍋爐下部的泥垢。它的成因，主要是因為鍋爐給水中含有一定數量的鈣鎂鹽類，這些鹽類在鍋爐內部受氣壓、溫度的影響起物理和化學變化而形成水垢。具體地說，就是水中某些溶解鹽類，由于爐水溫度升高，或因溶解度降低而沉淀出來，或因分解形成難溶的鹽類。如硫酸鈣、硅酸鈣在溫度升高時，其溶解度急驟降低。重碳酸鈣和重碳酸鎂遇熱分解成難溶的碳酸鈣和氫氧化鎂的沉淀物。同時，鍋爐在連續給水、連續蒸發過程中，純凈的水變成蒸汽由鍋爐送出，使水中的鹽類留在爐內不斷濃縮，含量不斷升高，在爐水含鹽程度達到飽和狀態，甚至過飽和狀態時，一些鈣、鎂鹽類就從水中析出，生成沉淀物。這些沉淀物的一部分粘結在熱負荷較大的受熱面上，形成堅硬或松軟的水垢；另一部分則懸浮在爐水中，隨爐水循環而流動，當受熱面處水循環不良、流速降低時，則沉積在受熱面上形成二次水垢，或者沉積于流速本來就不高的鍋筒、聯箱下部，形成泥垢，隨定期排污而排除爐外。

1.2 水垢的導熱系數

人們最關心的是水垢的導熱系數，因為導熱系數的大小直接影響到鍋爐的效率，甚至嚴重危及鍋爐的安全運行或縮短鍋爐的使用壽命。水垢的成分相當復雜，有碳酸鹽、硅酸鹽及其混合物等。它們的形態也各不一樣，有的堅硬，有的松軟，有的呈粉末狀，有的顯鱗片狀。但是，無論何種水垢，它的導熱系數都比金屬低得多，一般為0.058～5.8(瓦/米·℃)。金屬鋼管的導熱系數比水垢的導熱系數大6～1000倍。但是，上述給出的水垢導熱系數的范圍太寬，要比較準確地確定水垢厚度與鍋爐熱效率下降的關系，必須知道水垢導熱系數的確切數值。中國科學院力學所曾對蒸汽鍋爐上的10根試件的導熱系數進行了測定，其值在0.05至0.28(瓦/米·℃)之間， 同時，還測定了水垢導熱系數隨溫度變化的情況：如圖1所示。

圖1 水垢導熱系數與溫度的關系

在200 ℃以下范圍內，基本是一個常數，不隨溫度而變化。對鍋爐樣品同時作了成分分析，水垢中所含SiO2的成分占12～15%，接近硅垢。根據一些水垢導熱系數的資料表明，SiO2是導致水垢導熱系數下降的主要原因。表1所列的水垢成分與導熱系數的數據，可作為分析計算除垢節能效果的參考。

表1各類水垢的特性

我國中小型鍋爐水垢成分，因各地水質和對鍋爐用水的處理方法不同而有顯著差別。計算除垢的節能效果時，應該首先分析水垢成分，再根據表1給出的水垢類型，確定合理的導熱系數。

2 水垢的危害

工業鍋爐受熱面內部無論積存何種性質的水垢都是有害的。其危害性有以下幾點：

(1)增加鍋爐的煤耗量,當鍋爐內部表面結有水垢時，增加了傳熱的阻力。為了保持受熱面的蒸發程度，就要多供給熱量，增加鍋爐的煤耗量。

(2)降低受熱面的金屬強度,鋼材的機械強度隨溫度的升高而降低，當鍋爐受熱面內表面結有導熱性差的水垢時，受熱面不能很快被爐水冷卻，則易產生鋼材局部過熱、變形、龜裂甚至爆破事故。

(3)降低鍋爐的利用率,由于水垢的生成，需要定期清除水垢或處理事故，勢必造成停產，給工業生產帶來直接影響。

(4)縮短鍋爐使用壽命,水垢的生成導致熱交換管工作溫度的升高，使鍋爐管火側的氧化加劇，使用壽命縮短。同時，不嚴格的化學清洗或機械除垢都會使鍋爐管遭到損壞，以致縮短鍋爐使用壽命。

(5)增加了燃煤對大氣的污染,由于水垢的生成，使鍋爐熱效率下降，導致排煙熱損失增加。與無垢鍋爐相比，它要排放出更多的煙塵，二氧化硫以及其他有害物質，使大氣受到更加嚴重的污染。水垢的存在，對大氣污染將造成更嚴重的后果。

3 除垢的節能效果概算

為評價中小型鍋爐除垢、防垢的節能效果，并為正確的技術經濟評價提供依據，下面從鍋爐的熱平衡入手，研究水垢在熱平衡中對哪些量產生影響，提出以下合理的假設和數學模型，并給出簡易可行的概算方法。

3.1 鍋爐的熱效率

鍋爐在穩定熱力狀態下的熱平衡方程，對于每公斤燃料有：

Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

(1)

或用輸入熱量的百分率表示：

100%=q1+q2+q3+q4+q5+q6

(2)

其中，q1=(Q1/Qr)×100%；q2=(Q2/Qr)×100%。

式中，Qr為輸入鍋爐的熱量[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q1為鍋爐有效利用熱量[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q2為排煙熱損失[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q3為化學不完全燃燒熱損失[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q4為機械不完全燃燒熱損失[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q5為外部冷卻的散熱損失[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q6為灰渣的物理熱損失[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]。

鍋爐效率是鍋爐的有效利用熱量占輸入熱量的百分比：

ηgL=q1=(Q1/Qr)×100%

(3)

或寫成：

ηgL=q1=100-(q2+q3+q4+q5+q6)%

(4)

現對方程(1)中各項進行分析：

輸入鍋爐的熱量Qr由燃料的低位發熱量和燃燒帶入的物理熱(即用外來熱量加熱空氣時，相應于每公斤燃料所帶來的熱量以及用蒸汽霧化重油時蒸汽帶入鍋爐中的熱量)構成。

機械未完全燃燒熱損失Q4是鍋爐的主要熱損失之一，通常僅次于排煙損失。影響這項損失的主要原因有燃料性質、過量空氣系數、燃燒方式、爐膛結構、爐膛熱負荷以及運行情況等。

化學不完全燃燒熱損失Q3主要是由于化學反應不完全，使煙氣中含有一氧化碳、氫、甲烷等可燃氣體造成的熱損失。它與過量空氣系數、爐膛溫度、燃料與空氣混合情況等因素有關。一般Q3比Q4、Q2要小得多。

排煙熱損失Q2是鍋爐熱損失中最大的一項。排煙溫度升高時，排煙熱損失增加。燃料的性質也直接影響到排煙熱損失。爐膛燃燒所用的過量空氣系數以及沿煙氣行程各處煙道的漏風都會影響排煙熱損失。尤其是所有傳熱面的效率降低導致傳熱量的減少，更使排煙溫度升高，排煙熱損失增加。

灰渣的物理熱損失Q6與鍋爐的排渣率、爐渣的平均比熱及溫度有關。

上述各項熱損失主要是由于在鍋爐內燃燒和傳熱不良引起的。燃燒效率、傳熱效率和鍋爐效率也可直觀地定義為：

燃燒效率=1-(不完全燃燒熱損失+煙氣中未燃部分熱損失)/燃料的燃燒熱

傳熱效率=(鍋爐蒸汽的有效熱-給水的濕熱)/(燃料的燃燒熱-不完全燃燒熱損失-煙氣中未燃部分熱損失)

3.2 水垢對鍋爐熱效率影響的概算方法

從上述熱平衡看出，水垢沉積在受熱面內壁時，由于水垢的導熱系數為鋼鐵的1/6～1/1000，增加了從煙氣到水蒸汽的傳熱熱阻，導致換熱器(水冷壁、過熱器、省煤器)效率下降，而使鍋爐的有效利用熱量減少，排煙熱損失增加。若用相對百分比的概念來分析水垢對中小型鍋爐效率下降的影響，則更直觀、形象。

我們假設：

(1)水垢的生成與由于燃燒的不完全而導致的鍋爐效率下降無關。也就是燃燒效率不變。

1.3 觀察指標 分析兩組患者術中出血量、手術時間、術后排氣時間、術后拔管時間、術后腹腔引流量、進食時間、住院時間。于手術前后抽取兩組患者5 ml的空腹靜脈血，以轉速3 000 r/min離心15 min。分離血清后，提取上清液，使用酶法檢測血清膽紅素(total bilirubin，TBIL)、間接膽紅素(indirect bilirubin，IBIL)水平。采取干化學法檢測堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、淀粉酶(amylase，AMY)水平。

(2)與水垢生成無關的熱損失不變，即鍋爐的外部冷卻熱損失及灰渣的物理熱損失不變。

(3)鍋爐在穩定熱力狀態下工作。

(4)假定無水垢時，構成鍋爐整體的各部分換熱器的效率為100%。

(5)大型電廠鍋爐有嚴格的水處理設備，一般不存在結垢問題。對于此種類型鍋爐，由爐膛直接輻射而得到的蒸汽有效熱比由燃燒后產生的高溫煙氣的對流和輻射使鍋爐得到的蒸汽有效熱要小得多。所以假定鍋爐蒸汽有效熱完全是由對流受熱面得到的。

(6)中小型工業鍋爐有的沒有省煤器，有的省煤器獲得的有效熱所占的比例很小。因此，可以忽略水垢對省煤器傳熱效率的影響。

這樣水垢導致鍋爐效率下降的問題就變成為水垢導致換熱器效率下降的問題了。由傳熱方程式、熱平衡方程式等可以推導得到下列方程式，它便于概算水垢導致中小型鍋爐效率下降和耗煤率的增加。

(5)

(6)

(7)

t1S″=t2+t(t1′-t2)e-KsF/CP1

(8)

(9)

式中，Q，Qs為無垢與有垢時單位時間由煙氣傳給水蒸汽的熱量[千卡/時]或[焦耳/時]；K，Ks為無垢與有垢時由煙氣到蒸汽(或水)的總傳熱系數[千卡/時]或[焦耳/時]；t1，t1S為無垢與有垢時煙氣的平均溫度[℃]；t1′，t1S′為無垢與有垢時煙氣的進口溫度[℃]；t1″，t1S″為無垢與有垢時煙氣的出口溫度[℃]；t2為鍋爐蒸汽溫度[℃]；α1為煙氣對管壁的放熱系數[千卡/米2·時·℃]或[瓦/米2·℃]；δSg為水垢的厚度[毫米]；λSg為水垢的導熱系數[千卡/米·時·℃]或[瓦/米·℃]；ε為煙管的灰污系數[米2·時 ·℃/千卡]或[米2·℃/瓦]；F為換熱面積[米2]；G為煙氣的質量流量[公斤/時]；CP1為煙氣的比熱[千卡/公斤 ·℃]或[焦耳/公斤·℃]；ΔB為結垢后鍋爐每小時耗煤增加量[公斤/時]；B為無垢時鍋爐每小時耗煤量[公斤/時]；ηs為有垢時鍋爐的熱效率[%]。

從方程(8)、(5)可以看到,對于煙氣流量大,而換熱面積小的中小型鍋爐,由于溫壓上升而得到回收的熱量可以忽略不計。即:

當t1S-t2≈t1-t2時

(10)

根據水垢的成分,確定其導熱系數,α1值可取平均數分別為：汽鍋管束為20～40(千卡/米2·時)，過熱器為20～25(千卡/米2·時)，省煤器為12～20(千卡/米2·時)。對于ε可按如下取值:當燃用氣體燃燒時，ε=0，燃用重油時，ε=0.006(米2·時 ·℃/千卡)，燃用不結渣煤時，ε=0.005～0.007(米2·時 ·℃/千卡)。再把鍋爐水垢的平均厚度等參數代入方程(6)，則可概算出鍋爐效率下降的相對值。然后由方程(9)可以概算出結垢的鍋爐燃料的相對增加率。較精確一點的概算，則按方程(5)來計算。臥式內燃鏈條鍋爐燃料增加率與水垢厚度的關系如圖2所示，曲線表明隨著水垢厚度的增加其燃料消耗的增加率成直線上升。

圖2 臥式內燃鏈條鍋爐λSg=0.58[瓦/米·℃]水垢厚度與燃料損失的關系

4 除垢的節能效果試驗

4.1 鍋爐熱效率的簡易測定

經過除垢后的鍋爐，人們會感到它比清洗前好燒了。也就是鍋爐達到額定工況所需的時間縮短了，耗煤量也減少了?；蛘邿瑯佣嗟拿?，則比清洗前出力增加了。這些現象都說明除垢的節能效果，經過熱效率試驗，得到科學數據，才能較準確的確定除垢的節能效果。我們從方程(9)可以知道，只要測定鍋爐在化學清洗前后的熱效率，就可以得到除垢前比除垢后燃料消耗的增加率。若已知鍋爐出廠時的額定效率，則除垢后的效率試驗也是檢驗除垢是否徹底的一種手段。

從前述方程(1)(2)(3)知道，鍋爐在運行中其熱量的收支是平衡的。鍋爐熱平衡的形式可直觀地用文字表示：

燃料燃燒放出的全部熱量=產生蒸汽所用的熱量

+各種熱損失的總和

為了便于比較各種鍋爐的熱效率，在計算熱平衡與熱效率時，均以每公斤燃料量為計算基礎。即在每公斤燃料發熱量為100%熱量基礎上，衡量產生蒸汽所用的熱量，各種損失所消耗的熱量，各占燃料發熱量的百分比值，這就是方程式(4)所表達的意思。

直接測出鍋爐有效利用熱量(即產生蒸汽所利用的熱量)、每小時耗煤量和煤的低位發熱量，通過計算得出的效率，稱為鍋爐的正平衡熱效率。反之，直接測出和計算出鍋爐的各項熱損失，所得出的效率稱為鍋爐的反平衡熱效率。正、反平衡兩種熱效率的測定方法各有優缺點。正平衡的方法使用儀器較少，試驗簡單，但誤差較大，且不能根據測定的數據針對性地采取措施，來提高熱效率。而反平衡法所用計量器具、各種儀表較多，但能夠根據各項熱損失的多少，提出相應采取的措施，以提高鍋爐效率。對于中小型工業鍋爐，一般采用正平衡的方法求得鍋爐的效率。

正平衡效率可采用下式計算：

小型鍋爐蒸發量D的測定，一般采用測量鍋爐給水量的辦法。對于間斷給水的鍋爐，可采用兩個水箱交替使用的辦法，最后根據水箱的耗水量，得出鍋爐的實際蒸發量。對于連續給水的鍋爐，應根據鍋爐的容量，在給水入口處安裝水流表或在蒸汽出口處安裝蒸汽流量計。為了使給水量與蒸發量一致，應注意給水管路及閥門不應有任何泄漏，連續排污閥與定期排污閥應關閉嚴密，不進行排污。在試驗前應認真校驗水流量表與蒸汽流量計，其誤差不超過±0.5%～2%，才可使用。

蒸汽熱焓i″的測定：對于無過熱器鍋爐，應根據鍋爐壓力，由飽和蒸汽性質表查出；對于有過熱器鍋爐應根據試驗期間鍋爐壓力與過熱蒸汽溫度，由過熱蒸汽表查出。

汽化潛熱γ可根據鍋爐工作壓力，由飽和蒸汽性質表查出。

蒸汽濕度ω。即無過熱器鍋爐蒸汽中所含水分的重量百分數。工業鍋爐常用的測量濕度的方法是，利用對蒸汽的采樣進行堿度化驗，當飽和蒸汽中不包含有水分時(即為干飽和蒸汽)，則采樣中就沒有堿性反應。若含有水分時，則采樣就出現堿性反應。堿度越大，蒸汽濕度越大。蒸汽濕度值可由下式計算：

蒸汽濕度=(蒸汽堿度/爐水堿度)×100%

在實測蒸汽濕度時，要注意在靠近鍋爐主汽閥的位置裝設蒸汽取樣器。采樣時間一般應為15～20分鐘一次。若試驗期間負荷變化太大，為提高其平均值的準確性，則應適當縮短采樣時間。如沒有條件安裝取樣器的大水容量鍋爐，也可選用表2中的經驗值。對于蒸汽空隙較小，蒸發量較大的鍋爐，蒸汽濕度較高。

耗煤量B是在試驗期間鍋爐每小時的平均耗煤量。具體測量時，應在試驗開始時，稱量并記錄所用煤量，直到試驗結束。然后求出每小時的平均耗煤量。

為了測量準確，在實驗前,應由專人將煤倉儲量，爐排燃燒情況，

表2幾種鍋爐蒸汽濕度參考表

煤層厚度，清爐后多長時間開始試驗等情況一一作好記錄。并要求在試驗結束前，以上各項內容均應與試驗開始時的水平基本一致，以免由于基本情況出入較大使耗煤量產生誤差。試驗時間越長，這種由于基本情況的出入帶來的誤差影響就會越小。

煤的低位發熱量QD，是通過一定重量煤的燃燒，用測熱器量出。一般是用氧彈式測量。也可以根據煤質成分經過計算。求出煤的低位發熱量。在用測熱器或分析煤質成分時，均需對煤進行采樣，煤樣一定要具有代表性。

4.2 熱效率試驗中的注意事項

除垢前后進行正平衡熱效率試驗時,應注意以下幾點：

試驗前，應進行人員的組織，講清試驗的目的、意義及具體要求，使每個具體參加試驗的人員明確自己的責任。為保證試驗的準確性及人員的熟練操作，可在正式試驗前進行預演。試驗開始時間應在冷爐生火48小時后。試驗前應正式帶動較穩定負荷2小時以上，且在整個試驗中，負荷穩定、波動范圍不應超過±10%。

試驗前應做好排污，沖洗水位表、吹灰等工作，所有工作儀表都要進行標定。試驗期間不應再進行上述工作。試驗開始與結束時，煤倉儲煤量、煤層厚度、燃燒狀況、清爐及試驗開始與結束時間、水位高低、壓力大小等均應保持一致，以保證試驗的準確性。試驗期間要正確記錄各種數據，記錄時應在同一時間內進行，一般以間隔20～30分鐘記錄一次為宜。試驗期間除應記錄各種必要數據外，在有條件時應記錄排煙溫度、爐膛溫度、灰渣及飛灰含炭量、省煤器前后煙溫、 水溫、煙氣的分析結果等數據，以便進行綜合分析。除垢前后的熱效率試驗，應在同一煤種，同一壓力下進行，以便對比試驗結果，保證試驗的可靠性。被試驗鍋爐的爐墻應保證嚴密，以免造成大量冷空氣入爐，形成較大的空氣過剩系數，影響熱效率。除垢前后的熱效率試驗中，要求燃燒情況良好，并保證除垢前后盡可能一致，以準確測定水垢對鍋爐熱效率的影響。

5 工業鍋爐防垢方法的選擇

要保證鍋爐長期維持較高的熱交換效率，做到合理消耗燃料和隨時處于安全狀態下工作，就必須搞好鍋爐的水處理工作，做到鍋爐防垢。目前鍋爐防垢技術主要由化學除垢、磁場防垢、超聲波防垢、聲學防垢、物理方法協同防垢等等。(化學除垢僅僅只是一種水處理的輔助性工作)

鍋爐用水質量的好壞，直接影響著它們的安全經濟運行。沒有可靠的、有效的防垢措施的鍋爐，根據國家技術監督部門的有關規定，是不允許投入運行的。

鍋爐的種類繁多，參數不同，結構各異。不同類型的鍋爐對給水水質有不同的要求；不同的防垢方法和設備適用于不同的原水水質和制備不同質量的鍋爐用水。由于我國地域廣闊、水源水質各不相同以及設備、各使用單位的人員素質和技術管理水平的差異，因此，鍋爐防垢方法的選擇，也應根據各地區、各單位和水源的具體情況進行分析和探討，因爐、因水、因地制宜，不能一概而論。既要考慮技術的先進性、運行的經濟性和設備的可靠性，又要根據鍋爐的結構、參數、水源水質及給水的水質指標，選擇適當的防垢方法和設備。相同類型的鍋爐，在不同的地區，可以采用不同的防垢方法和設備；不同類型的鍋爐在同一地區、使用同一水源時，也可以采用相同的防垢方法和設備。作為鍋爐房管理人員，對這些問題必須要有明確的認識，掌握其中的相互關系，才能恰當地選擇適用的鍋爐防垢方法和設備。

6 結束語

總而言之，鍋爐防垢是關系到鍋爐設備安全、經濟運行的重要工作，尤其在節約能源方面關系極大。鍋爐水質處理效果如何，在很大程度上取決于防垢處理的普及和提高。因此，各地企業主管部門、鍋爐安全監察部門及各有關部門應互相支持并配合搞好鍋爐的防垢節能工作。