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淺談鍋爐中水垢的危害及其預防

鍋爐是工農業生產和人民生活中廣泛使用的特種設備，是生產蒸氣或熱水的熱工設備之一，其傳能介質原料是水。鍋爐用水水質的好壞，對其安全運行及能源消耗有很大的影響。當鍋爐用水不合要求時，鍋爐受熱面就會結生水垢，因而不僅浪費大量的燃料，還會危及鍋爐安全運行。據有關資料介紹，目前全國有近40萬余臺鍋爐，在每年的事故統計中，因水質不良，水垢嚴重引起的事故超過事故總數的20%；由于結生水垢，每年要浪費燃料達千萬噸，并造成幾億元的經濟損失。本文試圖對鍋爐水垢的危害及其預防作一介紹，以引起鍋爐使用單位的高度重視。   
一、
水垢的形成及性質      
水垢的形成是一個復雜的物理化學過程，其原因有內因和外因兩個方面。一是水中有鈣、鎂離子及其它重金屬離子存在，是水垢形成的根本原因也叫內因；二是固態物質從過飽和的爐水中沉淀析出并粘附在金屬受熱面上，是水垢形成的外因。當含有鈣、鎂等鹽類雜質的水進入鍋爐后，吸收高溫煙氣傳給的熱量，鈣、鎂鹽類雜質便會發生化學反應，生成難溶物質析出。隨著爐水的不斷蒸發逐漸濃縮，當達到一定濃度時，析出物就會成為固體沉淀析出，附著在鍋筒、水冷壁管等受熱面的內壁上，形成一層“膜”，阻礙熱量傳遞，這層“膜”稱之為水垢。      水垢的組成或成分是比較復雜的，通常都不是一種單一化合物，而是以一種化學成分為主，并同時含有其它化學成分。按其水垢的化學成分，一般可分為碳酸鹽水垢、硫酸鹽水垢、硅酸鹽水垢、氧化鐵水垢、含油水垢、混合水垢及泥垢等幾種。      水垢是一種導熱性能極差的物質，僅為鍋爐鋼材的十分之一到數百分之一（鋼材的導熱系數為46．5～58．2w/m．k），是“百害之源”。在各種水垢中，硅酸鹽水垢最為堅硬，導熱性能非常小，容易附著在鍋爐受熱面最強的蒸發面上，是危害最大的一種水垢。     
二、
水垢對鍋爐安全、經濟運行的危害      
1 、降低鍋爐熱效率，浪費大量燃料。鍋爐結生水垢后，受熱面的傳熱性能變差，燃料燃燒時所放出的熱量不能迅速傳遞給爐水，因而大量熱量被煙氣帶走，造成排煙溫度升高，增加排煙熱損失，使鍋爐熱效率降低。在這種情況下，要想保住鍋爐額定參數，就必須更多地向爐膛投加燃料，并加大鼓風和引風來強化燃燒。其結果是使大量未完全燃燒的物質排出煙囪，無形中增加了燃料消耗。大家知道，鍋爐爐膛容積和爐排面積是一定的，無論投加多少燃料，燃料燃燒是受到限制的，因而鍋爐的熱效率也就不可能提高。鍋爐中水垢結生得越厚，熱效率就越低，燃料消耗就越大。實驗數據表明，當結生水垢達1.5毫米時，就要多消耗6%的燃料；為5毫米時，燃料消耗就要達到15%；為8毫米時，燃料消耗量則增至34%。就我國目前40余萬臺鍋爐來看，如果僅一部分鍋爐結有不同程度的水垢的話，所浪費的燃料也是十分驚人的。      
2、 引起金屬過熱，強度降低，危及安全。鍋爐受熱面使用的鋼材，一般均為碳素鋼，在使用過程中，允許金屬壁溫在450℃以下。鍋爐在正常運行時，金屬壁溫一般在280℃以下。當鍋爐受熱面無垢時，金屬受熱后能很快將熱量傳遞給水，此時兩者的溫差約為30℃。但是，如果受熱面結生水垢，情況就不大一樣了。例如，當工作壓力為1．25Mpa的鍋爐受熱面結有1毫米厚水垢時（混合水垢），金屬壁與爐水溫差就會達到200℃左右。也就是說此時金屬壁溫在鋼材允許溫度之內。但當水垢是3毫米時，金屬壁溫則上升到580℃，遠遠超過了鋼材的允許溫度。因而，這時鋼材的抗拉強度就會由原來的3．92Mpa下降到0．98Mpa，鍋爐受壓元件就會在內壓作用下發生過熱鼓皰、變形、泄漏，甚至爆炸。另外，金屬壁溫的升高會使金屬伸長，如1米長的爐管，每升高100℃，伸長1.2毫米，這對于沒有伸縮余量的受熱面來說，就會引起爐管的龜裂。實測數據表明，金屬壁溫是隨著水垢厚度增加而增加的，水垢越厚，金屬壁溫就越高，因而事故發生的機率就越大。      
3、 破壞水循環。鍋爐水循環有自然水循環和強迫水循環兩種形式。前者是靠上升管和下降管的汽水比重不同產生的壓力差而進行的水循環。后者主要是依靠水泵的機械動力的作用而迫使循環的。無論是哪一種循環形式，都是經過設計計算的，也就是說保證有足夠的流通截面積。當爐管內壁結生水垢后，會使得管內流通截面積減少，流動阻力增大，破壞了正常的水循環，使得向火面的金屬壁溫升高。當管路安全被水垢堵死后，水循環則完全停止，金屬壁溫則更高，長期下去就易因過燒發生爆管事故。水冷壁管是均勻布置在爐膛內的，吸收的是輻射熱。在離聯箱400毫米左右的向火面高溫區，如果結生水垢，就最易發生鼓皰、泄漏、彎曲、爆破等事故。      
4、 增加檢修量，浪費大量資金。鍋爐一旦結垢，就必須要清除，這樣才能保證鍋爐安全經濟運行。因此，清除水垢就必須要采用化學藥劑，如酸、堿等。水垢結生得越厚，消耗的藥劑就越多，投入的資金也就越多。例如，1T/H型鍋爐若平均結垢3毫米，除一次垢就需藥劑0.5噸，加上人工費，就需資金2500元左右。按照鍋爐噸位的不同，噸位增加，所需藥劑就增加三分之一，資金也相應增加。一般鍋筒內結垢，消除略方便，但若管內結垢，消除就相當困難。不僅如此，若發生爆管事故，換上一節新管時，焊接很不方便。鍋筒鼓皰挖補時，要求高，時間長，施工更為困難。一次大的鼓皰挖補修復，就要耗費資金1至2萬元左右。總之，無論是化學除垢還是購買材料修理，都要花費大量的人力、物力和財力。      
5 、縮短鍋爐使用壽命。一般鍋爐使用壽命，在正常使用條件下，能夠連續運行20年左右。但為什么現在大部分使用單位的鍋爐沒有達到這一壽命呢？其原因是多方面的，其中之一就有水垢的影響。鍋筒發生鼓皰，挖補修復后，應該對其適當降壓使用，以確保安全。這樣一來，對于要求蒸汽壓力較高的單位來說，就不得不更換新的鍋爐。有些單位也會因蒸汽壓力過低而影響產品質量，甚至出現次品，直接影響經濟效益。有些鍋爐因鼓皰面積過大且變形嚴重而不得不作報廢處理；有的鍋爐雖然可以修復，但因修理費用過高，無價值，也不得不報廢。當酸洗方法不當或酸洗頻繁也會影響鍋爐的使用壽命。另外，因為水垢中含有鹵素的離子，在高溫下對鐵有腐蝕作用，會使金屬內壁變脆，并不斷地向金屬壁的深處發展，造成金屬的腐蝕，縮短鍋爐使用壽命。     
三、
水垢的預防      
要保證鍋爐不結垢或薄垢運行，就要加強鍋爐給水處理，這是保證鍋爐安全和經濟運行的重要環節。預防水垢生成，通常采用下列方法來預防：      
1、
鍋外水處理。這種方法適用于各種的鍋爐。目前鍋外水處理效果可靠的有石灰+純堿軟化法，是向已經澄清的水中加入適量的生石灰和純堿達到軟化目的。石灰──純堿軟化法有冷法和熱法兩種。冷法是在室溫下進行，使水中殘余硬度降至1．5～2毫克當量/升。熱法是將水溫加熱到20～80℃，使水中殘余硬度降至0．3～0．4毫克當量/升。因此，應盡量采用熱法，以提高軟化效果。離子交換軟化法主要是依靠鈉離子交換器中的交換樹脂進行軟化處理。由于交換樹脂吸附能力強，能將游離在水中的鈣、鎂離子吸附，從而使鍋爐給水硬度達到合格標準。離子交換劑有無機和有機兩大類。無機交換樹脂只能進行表面交換，軟化效果差，使用較少。而有機交換樹脂的特點是顆粒核心結構疏松，交換反應在顆粒表面和內部同時可進行，軟化效果好，故使用較多。      
2、 鍋內水處理。此法主要是向爐水中加入化學藥品，與爐水中形成水垢的鈣、鎂鹽形成疏松的沉渣，然后用排污的方法將沉渣排出爐外，起到防止（或減少）鍋爐結垢的作用。爐內加藥水處理一般用于小型低壓火管鍋爐。鍋內水處理常用的藥品有：磷酸三鈉、碳酸鈉（純堿）、氫氧化鈉（火堿、也稱燒堿）及有機膠體（栲膠）等。加藥時，應首先將各種藥品配制成溶液，然后再加入鍋爐內。通常磷酸三鈉的溶液濃度為5～8%，碳酸鈉的溶液濃度不大于5%，氫氧化鈉的濃度不大于1～2%。加藥方法有定期和連續加藥兩種。定期加藥主要靠加藥罐進行加藥；連續加藥則在給水設備前，將藥連續加入給水中。對于蒸汽鍋爐，最好采用連續加藥法，這樣可使爐內保持藥液的均勻。凡采用鍋內水處理的，應加強鍋爐排污，使已形成的泥渣、泥垢等排出爐外，收到較好效果。      以上雖然介紹兩種水處理方法，但筆者認為，水處理工作是否落實到實處，關鍵在于管理。如果有了水處理設備而不用，等于沒有進行水處理。因而，這就需要各使用單位領導樹立“安全第一，預防為主”的思想，真正認識到水處理工作的重要性。要嚴格按GB1576-85《低壓鍋爐水質標準》辦事，對于1T/H型以上的鍋爐，應配備專職水處理操作工和化驗人員，并建立健全水處理崗位和化驗崗位責任制。各水處理操作工應忠于職守，認真操作；化驗人員應定期抽檢水質情況，及時向水處理操作工通報，使其及時得以調整，確保水質的合格。對2T/H型以下鍋爐，凡配備水處理操作工有困難的，應該對司爐工進行培訓，然后采取兼職的辦法。各使用單位的鍋爐房管理人員，要經常檢查水處理設備運行情況，發現損壞應及時修理；交換樹脂流失要及時補充；失效的交換樹脂要及時更換。只有這樣，才能防止水垢的生成，保證鍋爐的安全經濟運行。

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