锅炉的合理排污及水垢的形成与危害

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摘要：锅炉是电力，石油，冶金，纺织及城市建设等行业不可缺少的设备，它是一种投资大，技术含量高的通用设备，其设计，制造，安装，运行和检修涉及多种学科，国家设有专业监督机构对其各个环节进行全面的监督与管理。就其运行工作来说，锅炉作为能耗大户，不论其容量大小参数高低，锅炉的安全，经济，稳定运转已经成为各个工矿企业开展生产，节能降耗的重要任务。本文介绍了锅炉排污的方式方法及探讨了合理排污对运行工作的意义，总结了锅炉水在炉内加热，蒸发，浓缩中生成水垢的过程和其构成和分类及对锅炉的危害。对从事相关工作的人员有一定的借鉴作用。

关键词：工业锅炉；排污；水垢；浓缩。

中图分类号：TK22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（c）-0000-00

随着经济的发展和社会的进步，锅炉早已成为国民经济建设中不可缺少的设备，并且在相当长的将来仍然是经济建设中的基础行业。做为能耗大户和环境污染的大户，其燃料消耗量在任何一个国家或地区所占的比例都是最大的，做为能源主要组成部分的煤，油和天然气等不可再生的常规燃料的储量越来越少。因此锅炉的安全经济稳定运行通常是企业内部实施节能降耗措施的重要保证，本文就运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讨。

1 排污的作用

总所周知，排污是每个锅炉运行操作中一件必不可少的工序。这就好比人吃了食物，经过消化后，必须排泄糟粕一样；也犹如煤经过燃烧利用其热量而排除炉渣一样，但这只是一个简单的类比。锅炉排污的关键是要解决炉水浓缩后残留下来的杂质污物带来的问题，以保证炉水质量在国家标准的允许范围内，确保锅炉设备的安全，经济，可靠运行。而炉水浓缩是一种复杂的物理，化学过程。当含有矿物质的水（尽管经过化学处理）进入锅炉后，水受高温加热而剧烈蒸发，由管道送到各个用户，而矿物质类就留在锅炉中，炉水就逐渐变浓，以致成为高浓度的矿物质水。当矿物质在炉水中达到一定限度时（称饱和）就不会再溶解了（国家标准20T/H蒸汽锅炉炉水含盐量≤3500PPM）。如果再有矿物质和盐类进入就会在锅炉内形成水垢，这些矿物质和盐类由于炉水上下温差和水循环的作用易于处在水层上部，形成高浓度的表面水。所以，一般来说锅炉结垢上部要比下部严重。因此控制炉水的浓缩过程是防止锅炉受热面结垢的基本方法之一。以上是从浓缩角度来说明水垢析出的原因。可用浓缩倍率C来表示浓缩程度，C=D/Q （C―蒸发倍率，D―蒸发量，Q―锅炉水容积）。

另一方面从矿物质本身特性来说：气压和温度对矿物质本身的最大溶解离子积（每种物质阴，阳离子量的乘积）也有明显的影响。当离子积达到其最大溶解离子积以后，将有沉淀反比析出。大多数盐类的溶解度是随着水温的升高而增大的，而有些盐类（如Mg（OH）2 CaSO4 等）的最大溶度积却和水温成反比，这是应引起高度重视的。并且当水温达到沸腾而蒸发时，即使易容的钠盐（Na2SO4 ，Na2CO3）也会析出沉淀形成水垢。以上是从炉水浓缩和升温两个方面说明了水中矿物质的存在方式的变化。

要解决以上问题除了为锅炉提供合格的软化水以外还需要对锅炉进行排污，排污分定期排污和连续排污两种。这两种方式分别处于锅炉的底部和顶部，因为底部和顶部最容易集结杂质或是炉水浓度最高的部位。

2 排污的合理性评价

首先，从操作上说明一下定期排污问题。定期排污管开设在下集箱或下锅筒底部，主要是排除锅水中的水渣（松散状的沉淀物），也可以排除盐分。排污阀门和管道都是处于高温高压和大量污物的工作环境之中，承受着腐蚀和冲刷。定期排污要使用快速且直通的阀门（如直通球阀，斜式球型阀，快速齿条阀）。供热公司一般都用两个直通球阀；也有采用一只快速阀配一只慢速阀，但在这种情况下安装位置要正确，应将慢速阀安装在第二的位置上（从锅炉向离开方向算起）。操作上有保护第一道阀门和保护第二道阀门两种方法，均符合有关规程要求，但本文认为保护第二道阀门的方法明显优于保护第一道阀门的方法，原因不在此累述。在实际操作中也是按照保护第二道阀门实行的。排污时间上，下汽包排污最长不超过30秒；联箱排污一般8-10秒，在水质正常的情况下，每班排一次就可以了。

连续排污，顾名思义就是保持排污阀门长期开启的，排除锅水中的盐分杂质，以降低炉水的碱度，氯根和悬浮物，防止汽水共腾现象的发生和炉水对汽包壁的腐蚀。由于上锅筒蒸发面处的炉水盐分最高，所以连续排污就设在上锅筒，且排污管与锅筒纵向中心线平行，其排污位置应处于正常水位线下80―100毫米处，即吸污管上端距锅炉正常水位80―100毫米。这样既保证锅炉水位波动时排污仍能不中断，又不会排走蒸汽。阀门开度大小由化验员根据炉水质量分析情况通知司炉工进行调节。连续排污阀门应采用一个截止阀（做为全开全关用）配一只硬质合金钢或不锈钢材质的针型阀（做为调节用），供热公司用球阀和截止阀匹配，也基本上满足上面的要求。

其次，合理的排污率是经过科学的计算和实践检验来确定的，也就是进行锅炉的热化学实验。见图1所示。它的要求就是在炉水质量达到了国家要求的标准后，保持炉水的盐类浓度不变。直观的说就是给水带进锅炉多少盐（碱）量，就要通过排污排走多少盐（碱）量。为便于分析，在实际热化学试验中可用炉水碱度代表含盐（碱）量。

D―蒸发量 a―给水含碱浓度

Dp―排污量 a’―蒸汽含碱浓度

D+Dp―给水量 A―排污水含碱浓度

∮=排污率（∮=Dp/D）

图1 蒸发、排污、给水示意图

根据锅内酸碱进出量平衡的原则

（D+Dp）×a=D×a’+DpA 引入∮=Dp/D

可得（1+∮）×a=a’ +∮A

事实上，蒸汽所能带走的盐碱量是微乎其微的，可以忽略不计，即a’ ≈0。得出∮=a/（A-a）。从中可知，如果想在炉水水质达到国家标准并维持这个标准，排污率是随着给水碱度的增大而增大的。国家标准的碱度值是6-24mmol/L，一般工业锅炉的排污率在10%以下。在给水方面供热公司有深井水和城市自来水两种水源，由于自来水的价格因素（不断涨价），为降低生产成本采用增加深井水用量的做法，并且本地区深井水硬度较低，一般不超过2mmol/L，而自来水硬度在4.5―5.5mmlo/L之间，这样就延长了离子交换器的再生周期，减少了再生用盐的消耗也减少了再生过程中的用水消耗，降低了软化水制作成本。但是深井水碱度较自来水高，易造成过大的排污量。经过不断测试和计算，采用深井水占到总用水量1/2到2/3的措施，排污率得到了有效控制但与理想中的结果尚有一定距离，而给水的碱度在现有的水处理设备中是不能消除的，计划以后通过将一部分Na离子交换器改造成H离子交换器，两者串联使用进一步降低给水碱度，减少排污。

定期排污水量是按几何尺寸计算得到的，通常采用公式：排污水量Dp=dlh?。（d―上汽包内径 l―上汽包长度 h―水位变化量 r―水重度）。关于定期排污量，下汽包排污掌握水位变化量h为2―4mm，下部各联箱排污掌握h为1―2mm。对于定期排污一般讲控制好排污时间即可，如何掌握前面已经介绍了，如果排污过多易引起水循环恶化而造成事故。定期排污的关键点在于要将所有排污点均匀拍到不能遗漏并不能同时两点或多点排污。实际上锅炉正常运行时，由于炉水不断循环，泥沙和水渣并不能完全沉淀下来，一些水渣和沉淀物会被水流带动不易沉积在锅炉底部，所以应该在锅炉低负荷运转时进行定期排污，如果能在锅炉热备用时进行定期排污效果会更好。

3 水垢的形成与危害

排污率过高会造成能源的白白浪费。而排污率过小，达不到国家要求的炉水质量标准则会形成水垢，危害极大。水垢的形成原理前面已经讲过，它的产生过程是比较直观的。水被加热成汽泡，汽泡附着在高温的管壁内，汽泡逐渐吸收热量而增大后脱离管壁，离开锅炉送入用户，而汽泡表面的矿物质则不会随着汽泡脱离管壁而是留在了原处形成水垢，并随着时间逐渐累积。水垢的按成分主要分成碳酸盐水垢，硫酸盐水垢，硅酸盐水垢和混合水垢，其中硅酸盐水垢最为坚硬且导热系数最低。

水垢的平均导热系数在0.05―0.7大卡/米・时・度的范围内变化，金属钢管的导热系数是30―50大卡/米・时・度，两者相差70―500倍。这么大的传热能力差距会造成下列危害。详见表1所示。

水垢种类 水垢特性 导热系数

（大卡/米・时・度）

含有油质水垢 坚硬 0.1

硅酸盐水垢（含SiO220-25%或更高） 坚硬 0，05-0.2

无定形碳酸盐水垢

（CaCO2，MgCO3） 软 0.2-1.0

硫酸盐水垢

（CaSO4+MgSo4>50%） 无定形粉末状变坚硬状态 0.5-5.0

混合水垢 坚硬 0.7

表1 各类水垢的导热特性

3.1大量浪费燃料

锅炉受热面内的炉水是通过管壁从高温烟气中吸收热能而倍加热，沸腾，蒸发成水蒸气。如果内壁被水垢覆盖，那么燃料传给炉水的热量就大大减少，不能被吸收的热量将随着高温烟气白白的跑掉了。这就是为什么结垢严重的锅炉尽管耗煤量不少而负荷仅为正常负荷的60-70%的主要原因。粗略估计，炉管结垢2毫米厚将增加燃料消耗量6-10%（大部分工业锅炉均有1毫米左右的水垢），根据TSG G5003―2008《锅炉化学清洗规则》，锅炉受热面被水垢覆盖80%以上且水垢平均厚度达到1毫米以上可以进行锅炉清洗，一般工业锅炉掌握水垢超过2毫米应该清洗。

3.2危及锅炉安全运行，影响锅炉寿命

水垢造成金属壁热阻增大，使管子得不到内部炉水的冷却而管子外壁又处在近1000℃的高温烟气的加热之下，加剧了金属的高温氧化腐蚀，使管壁厚度迅速减薄。另一方面，高温条件下金属强度迅速降低。供热公司锅炉的炉管温度极限为450℃，即在承受450℃以下的温度时钢管的机械性能可以保持不变，当超过这个温度极限管子就会过热鼓包，变形，破裂身子爆破。根据试验得到，碳素钢管在560℃时，其抗拉强度可从40kg/mm2下降到10kg/mm2。尽管公司锅炉的蒸汽温度为180-190℃，但如果炉管内部结垢，其存在会使金属壁温明显上升，炉管外壁的温度是很难预料的。所以不论锅炉压力，温度各种参数高低，水垢的危害都是巨大的。据统计，由结垢引发的锅炉事故占锅炉事故总数的65%。

3.3增大检修

由于锅炉结垢，必然导致运行周期缩短而检修时间增加，随之带来人力物力的消耗。不论是机械除垢还是化学清洗都给检修人员带来不安全因素。

4 结语

以上结合天津滨海供热公司的部分锅炉和水质情况分析了合理排污与经济性的关系，并总结了合理排污的措施及炉内水垢的形成和给正常生产带来的危害。所以做好锅炉给水处理及运行中的排污工作对设备的安全经济稳定运行有着极其重要的意义。

参考文献

【1】 丁崇功 寇广孝 ，《工业锅炉设备》 机械工业出版社 2009年2月

【2】 沈祥智 吴金星 《工业及电厂锅炉节能技术》化学工业出版社 2013年3月

【3】 丁明舫 崔百成 陆其虎 薛继承 时静茹 《锅炉技术问答》中国电力出版社 2004年1月

【4】 TSG G5003-2008 《锅炉化学清洗规则》

作者简介：程更生（1967―），男，天津人， 89年毕业于东南大学动力系工程热物理专业。