鍋爐水質(zhì)管理的重要性及天津市鍋爐水質(zhì)現(xiàn)狀分析

劉宏臣 范姜玲 韋 晨 張 旭

(天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 300192)

提到鍋爐的安全運(yùn)行，人們更多地想到的是如何提高鍋爐的質(zhì)量、如何加強(qiáng)鍋爐的運(yùn)行管理；而提到鍋爐的節(jié)能運(yùn)行，人們則往往想到的是如何通過(guò)改善鍋爐結(jié)構(gòu)、使用節(jié)能產(chǎn)品提高鍋爐的熱效率?？陀^地說(shuō)，上述解決方案的確對(duì)保障鍋爐安全、高效運(yùn)行起到了良好地作用，但筆者認(rèn)為，加強(qiáng)鍋爐水質(zhì)管理則是保障鍋爐安全運(yùn)行、提高鍋爐效率的一個(gè)良方。

1 鍋爐水質(zhì)管理的重要性

水質(zhì)管理失控，特別是由此引起的水垢是鍋爐的“百害之源”，主要體現(xiàn)在：

1.1 嚴(yán)重影響鍋爐安全運(yùn)行

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，鍋爐因水垢引起的事故占鍋爐事故總數(shù)的20%以上[1]，不但造成設(shè)備損失，也威脅著人身安全。具體表現(xiàn)有：

●1.1.1 導(dǎo)致事故

2010年7月，天津市某加工廠一臺(tái)LSG0.3-0.4-AⅡ型立式橫水管鍋爐發(fā)生爆炸事故，造成一人死亡。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)鍋爐下腳圈內(nèi)大量積渣，積渣高度達(dá)到300mm，鍋爐橫水管內(nèi)同樣覆蓋大量水垢。調(diào)查結(jié)果表明，事發(fā)前，事故單位對(duì)鍋爐水質(zhì)的管理嚴(yán)重失控：水處理設(shè)備一直沒(méi)有投用，而是直接使用硬度達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的2.25倍的深井水作為鍋爐的給水；在鍋水管理方面，由于投堿量和排污均不足，使得同工況的另一臺(tái)鍋爐中溶解固形物超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值1.5倍，總堿度和酚酞堿度分別為0.94mmol/L和0.27mmol/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的下限8mmol/L和6mmol/L。水質(zhì)管理的嚴(yán)重失控導(dǎo)致鍋爐內(nèi)結(jié)生了大量水垢，由于水垢的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)低于鋼材，因此造成爐膽局部發(fā)生了超溫現(xiàn)象，并進(jìn)一步導(dǎo)致爐膽彈性模量下降，加上事故發(fā)生時(shí)鍋爐處于相對(duì)較高的壓力條件下，兩者共同作用，造成了爐膽失穩(wěn)變形，并最終在爐排剛性支撐位置產(chǎn)生撕裂，造成了爆炸[2]。

●1.1.2 降低金屬的機(jī)械強(qiáng)度

由于熱傳導(dǎo)性能差，水垢會(huì)使金屬表面溫度急劇升高，當(dāng)q=175×103W/m時(shí)，lmm厚水垢使壁溫升高約180℃，3mm厚水垢使壁溫升高約350℃。金屬壁溫的升高會(huì)使金屬機(jī)械強(qiáng)度降低，并在鍋爐內(nèi)壓的共同作用下造成鍋筒下部過(guò)熱鼓包，水冷壁管變形、鼓包甚至爆管。

●1.1.3 堵塞管路，影響鍋爐正常的水循環(huán)

水垢會(huì)減小受熱管內(nèi)部流通截面，增加管內(nèi)水循環(huán)的流動(dòng)阻力，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致管路完全堵塞，從而破壞鍋爐水循環(huán)的正常工作，使管子燒壞造成事故發(fā)生。

●1.1.4 造成鍋爐腐蝕

正常情況下，由于水的存在，鍋爐金屬構(gòu)件都會(huì)或多或少的發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，這些金屬腐蝕產(chǎn)物被鍋水?dāng)y帶到鍋爐受熱面上后，容易與其他雜質(zhì)結(jié)成水垢，含有高價(jià)鐵的水垢，容易引起與水垢接觸的金屬鐵腐蝕，而鐵的腐蝕產(chǎn)物又容易重新結(jié)成水垢。此外，在鍋爐運(yùn)行中，鍋水可能從水垢的孔隙中滲入垢層并很快被蒸干，從而使鍋爐水在垢層高度濃縮，各種雜質(zhì)的濃度變得很高。若水中含有游離氫氧化鈉時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沉積物下的爐水pH值升高，當(dāng)pH值＞13時(shí)，就很容易使設(shè)備發(fā)生堿性腐蝕；當(dāng)給水含有氯化物時(shí)，那么沉積物下就會(huì)發(fā)生酸性腐蝕。這三種腐蝕都會(huì)與結(jié)垢相互促進(jìn)，形成惡性循環(huán)，從而導(dǎo)致鍋爐構(gòu)件的迅速損壞。

1.2 影響鍋爐熱效率

水垢對(duì)鍋爐熱效率的影響主要體現(xiàn)在其導(dǎo)熱系數(shù)小。水垢因其化學(xué)成分和特征不同，其熱導(dǎo)率差別很大，但總體來(lái)說(shuō)，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為鋼板傳熱系數(shù)(47～58W/m·℃)的數(shù)十分之一到數(shù)百分之一，見表1，熱導(dǎo)系數(shù)低直接造成了如下影響。

表1 各種水垢的導(dǎo)熱系數(shù)[3]

(續(xù)表)

●1.2.1 增加燃料的消耗

當(dāng)鍋爐結(jié)有水垢時(shí)，會(huì)降低設(shè)備的傳熱效率。假設(shè)水垢的導(dǎo)熱系數(shù)約1.2W/m·℃，鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)為48W/m·℃，則1mm厚的水垢熱阻相當(dāng)于40mm厚的鋼板熱阻。水垢不僅影響傳熱，幾毫米厚的水垢會(huì)使傳熱效率下降一半，為保證鍋爐的出力，就必須提高火側(cè)的溫度，從而屬使熱損失增加，造成大量燃料的浪費(fèi)。對(duì)于一臺(tái)4t/h鍋爐，燃用Ⅱ類煙煤，燃料消耗量約740kg/h，如果積有1.5mm厚的水垢，則每小時(shí)浪費(fèi)燃料約22.2kg，全年運(yùn)行6000h，則浪費(fèi)133.2t煤。有文獻(xiàn)指出，鍋爐結(jié)1mm厚的垢多耗煤5%～8%，鍋爐效率降低1%～2%[4]，也有文獻(xiàn)直接給出了水垢的厚度與燃料損失對(duì)比表(見表2)。

表2 水垢的厚度與燃料損失對(duì)比[5]

●1.2.2 降低鍋爐出力

當(dāng)鍋爐結(jié)有水垢時(shí)，火側(cè)的熱能不能很快傳遞給爐水，同時(shí)水循環(huán)管路結(jié)垢也會(huì)減少流通面積，從而導(dǎo)致鍋爐出力降低。

1.3 水垢的其它影響

由于水垢人工清除難度很大，因此往往要采用專用的煮爐藥劑或進(jìn)行化學(xué)清洗才能清除，可見水垢除了會(huì)導(dǎo)致鍋爐出現(xiàn)泄漏、裂紋、變形、腐蝕等問(wèn)題外，還會(huì)導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行、維護(hù)和檢修過(guò)程中大量的人力、物力、財(cái)力的額外開銷。

從上述分析不難看出，水質(zhì)管理對(duì)保障鍋爐安全、提高鍋爐熱效率的作用不可忽略，正如美國(guó)統(tǒng)計(jì)資料所介紹的，水處理的基建和運(yùn)行費(fèi)用，占各項(xiàng)節(jié)約費(fèi)用的四分之一，可以說(shuō)對(duì)鍋爐進(jìn)行水處理，從全局講是“一本萬(wàn)利”的事。

2 天津市鍋爐水質(zhì)現(xiàn)狀

2.1 宏觀情況

劉宏臣[6]等人在對(duì)21438份鍋爐定期檢驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行分析后得出，在9大類外部檢驗(yàn)缺陷中，水處理方面的問(wèn)題以19.3%的缺陷率高居榜首(見圖1)，其中化驗(yàn)記錄及項(xiàng)目和汽水品質(zhì)及化驗(yàn)數(shù)據(jù)分別占到水處理問(wèn)題的49.4%和42.8%；在8大類內(nèi)部檢驗(yàn)缺陷中，出現(xiàn)水垢缺陷的設(shè)備占了設(shè)備總量的18.9%，而出現(xiàn)腐蝕、變形、裂縫等其它七類缺陷的設(shè)備在設(shè)備總量中所占的比例則都在5%以下(見圖2)。

對(duì)天津特檢院2009年11月至2014年8月間出具的20330份水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告的統(tǒng)計(jì)表明，水質(zhì)的總體合格率只有不足85%，雖然經(jīng)過(guò)本市監(jiān)察機(jī)構(gòu)和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的共同努力，鍋爐的月平均水質(zhì)合格率由2009年11月的17.4%提高到了95%左右(見圖3)，但從設(shè)備總量上看，天津至少還有500余臺(tái)鍋爐的水處理是不達(dá)標(biāo)的，這一數(shù)據(jù)足以讓筆者等人不安。

圖1 各大類統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目平均缺陷率

圖2 鍋爐本體上8大類缺陷的出現(xiàn)率

圖3 水質(zhì)報(bào)告合格率統(tǒng)計(jì)圖

2.2 常見水質(zhì)指標(biāo)分析

工業(yè)鍋爐的水質(zhì)指標(biāo)[7]按水的類型分為原水、給水、鍋水、回水四大類指標(biāo)；從具體項(xiàng)目上又分為溶解固形物、pH值、全堿度、酚酞堿度、氯化物、總硬度、含油量、相對(duì)堿度、濁度、全鐵、電導(dǎo)率、磷酸根、亞硫酸根、溶解氧等多個(gè)指標(biāo)；對(duì)于具體的鍋爐來(lái)講，其水質(zhì)指標(biāo)因鍋爐種類、壓力等級(jí)、循環(huán)方式、給水類型等因素的不同而有所不同，這里不再贅述。

對(duì)水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告中給水和鍋水兩大類12個(gè)指標(biāo)的適用報(bào)告數(shù)和合格情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在全部12個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中，給水的pH值、全鐵含量、油含量、濁度、硬度和鍋水的pH值等6項(xiàng)指標(biāo)適用的設(shè)備數(shù)最多，應(yīng)引起足夠的重視。而鍋水pH值、酚酞堿度、總堿度、溶解固形物和給水電導(dǎo)率、硬度等6個(gè)指標(biāo)不但是直接影響鍋爐結(jié)垢的因素，其合格率也相對(duì)較低，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示鍋水的pH、酚酞堿度、總堿度的合格率都只有92%左右，給水硬度的合格率只有93%左右，給水電導(dǎo)率和鍋水溶解固形物的合格率都只有95%左右，應(yīng)作為鍋爐水質(zhì)日常管理的重點(diǎn)，見圖4。

圖4 鍋爐水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告分析指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況

●2.2.1 總硬度

硬度按水中陰離子存在的情況分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度兩種，總硬度是指水中含有鈣、鎂離子的總和，即碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度之和[1]。

在蒸汽鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，純水變?yōu)檎羝慑仩t送出，而給水中所含的鹽類則留在鍋爐內(nèi)，因此，鍋水中的鹽濃度會(huì)不斷升高。同時(shí)由于硫酸鈣和碳酸鈣在水中均為微溶物，且其溶解度隨溫度的升高而明顯降低(硫酸鈣在25℃時(shí)溶解度為2028mg／L，在100℃時(shí)為1620mg／L；碳酸鈣的溶解度在常溫下約為14mg／L，在315℃的高溫下僅為4mg／L[4])，因此隨著溫度上升，這些物質(zhì)很容易達(dá)到飽和甚至過(guò)飽和狀態(tài)，并析出一些鈣鎂鹽類，形成沉積物。此外，在爐水中的濃度相對(duì)偏高的二氧化硅、碳酸氫鈣和碳酸氫鎂等可溶性重碳酸鹽的受熱分解、蒸汽鍋爐給水及熱水鍋爐回水中的泥沙沉積等都會(huì)產(chǎn)生難溶性的沉積物，如果這些沉積物不能及時(shí)排出爐外，就會(huì)在鍋爐部件表面沉淀，形成水垢。由此可見，控制鍋爐給水硬度是控制鍋爐水垢生成的最有效措施。

表3所示為給水硬度實(shí)測(cè)值的統(tǒng)計(jì)表，從表3中可以看出，雖然適用的36份中壓鍋爐水質(zhì)報(bào)告的給水硬度值都符合≤0.005的標(biāo)準(zhǔn)，但數(shù)量最多的低壓蒸汽和汽水兩用鍋爐給水硬度值的不合格率都達(dá)到7%左右，鍋內(nèi)加藥處理的鍋爐給水硬度因標(biāo)準(zhǔn)值放寬不合格率較鍋外處理的低，但仍有超過(guò)3%的不合格率，可見給水硬度的控制是所有鍋爐必須加強(qiáng)的一項(xiàng)工作。

表3 給水硬度實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表

(續(xù)表)

●2.2.2 溶解固形物和氯化物

溶解固形物[1]是指溶解于水中的各種鹽類。在105℃～110℃不揮發(fā)性鹽類含量的總和值越大，說(shuō)明水質(zhì)越差。溶解固形物是判斷水質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)， 當(dāng)鍋爐給水中溶解固形物值過(guò)高時(shí)，易造成鍋爐汽、水共騰和鍋爐腐蝕。

氯化物[1]是指水中氯離子的含量，鍋爐水中氯化物含量越少，水質(zhì)就越好。

國(guó)家對(duì)氯離子的檢測(cè)并沒(méi)含量上的具體規(guī)定，而是對(duì)溶解固形物含量進(jìn)行了明確的規(guī)定。然而在實(shí)際的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，對(duì)溶解固形物的分析比較復(fù)雜，所涉及的分析儀器和設(shè)備較多，而且分析結(jié)果的產(chǎn)生周期長(zhǎng)。相比溶解固形物而言，氯化物具有檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，在爐內(nèi)的高溫作用下不易分解、揮發(fā)、沉淀，能夠穩(wěn)定的存在于鍋爐水中，且由于氯化物在鍋爐內(nèi)濃縮的情況與同等條件下鍋爐水中溶解固形物存在較為明顯的比例關(guān)系，即在原水水質(zhì)較為穩(wěn)定的情況下，爐水溶解固形物與氯離子的比值為常數(shù)，因此，在實(shí)際的檢測(cè)中，多通過(guò)測(cè)量氯離子的濃度，然后利用爐水溶解固形物與氯離子的比例關(guān)系來(lái)推定溶解固形物的濃度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二者之間的指標(biāo)轉(zhuǎn)化[8]。

表4 鍋水溶解固形物實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表

(續(xù)表)

表4所示為鍋水溶解固形物實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表，從中可以看出，適用報(bào)告中的鍋水溶解固形物不合格率都在4%左右，鍋內(nèi)投藥的蒸汽鍋爐和汽水兩水鍋爐則達(dá)到了6.5%以上，可見鍋水溶解固形物控制是所有蒸汽和汽水兩用鍋爐必須加強(qiáng)的一項(xiàng)工作。

●2.2.3 給水電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是用來(lái)衡量鍋爐水或蒸汽的純凈程度常用方法[9]。經(jīng)給水進(jìn)入鍋爐中的各種鹽會(huì)因鍋爐蒸發(fā)過(guò)程的濃縮作用而富集，并可能形成各種水垢，因此必須嚴(yán)格控制給水的含鹽量。工廠測(cè)定水中含鹽量的方法通常是蒸干法，但這種方法耗時(shí)長(zhǎng)，不利于快速測(cè)定?？紤]到水中溶解的鹽類大都是強(qiáng)電介質(zhì)，它們?cè)谒卸茧婋x成了能夠?qū)щ姷碾x子，離子濃度越高，電導(dǎo)率越大，所以水的電導(dǎo)率可反映出含鹽量的多少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率間接測(cè)定含鹽量的目的。

根據(jù)GB/T 1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》的規(guī)定，給水電導(dǎo)率是額定蒸汽壓力p在1.0＜p＜3.8MPa范圍內(nèi)的自然循環(huán)蒸汽鍋爐和汽水兩用鍋爐必須要分析的一個(gè)重要指標(biāo)，其中當(dāng)1.0＜p≤1.6MPa且使用軟化水作為鍋爐給水時(shí)要求其電導(dǎo)率小于等于550，使用除鹽水作為給水時(shí)要求其電導(dǎo)率小于110，當(dāng)1.6＜p≤2.5MPa，且使用軟化水作為給水時(shí)要求其電導(dǎo)率小于等于500。

從表5可以看出，額定蒸汽壓力在1.0～1.6MPa范圍內(nèi)的鍋爐，其給水不合格率最高，達(dá)到7.75%，不合格數(shù)量占到給水電導(dǎo)率不合格總數(shù)的99.1%，可見加強(qiáng)對(duì)這類鍋爐的給水電導(dǎo)率的控制是提高給水合格率的重中之重。

表5 給水電導(dǎo)率實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表

(續(xù)表)

●2.2.4 pH值

pH值是表示水酸堿性強(qiáng)弱的一項(xiàng)指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)值的確定是根據(jù)pH值對(duì)水中其他雜質(zhì)的存在形態(tài)和各種水質(zhì)控制過(guò)程以及水對(duì)金屬的腐蝕程度有密切的關(guān)系而確定的，是最重要的水質(zhì)指標(biāo)之一[1]，與鍋水總堿度、酚酞堿度關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，并對(duì)水垢的形成有著直接的影響，因此國(guó)家工業(yè)鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)給水和鍋水的pH值都提出了明確的要求。但由于在實(shí)際的鍋爐運(yùn)行管理中給水的pH值控制難度較小，且在圖4所示的四個(gè)合格率較低的鍋水指標(biāo)中，鍋水總堿度、酚酞堿度均與pH值有較大的關(guān)聯(lián)性，因此，本文只對(duì)鍋水的pH值指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

表6所示為鍋水pH值實(shí)測(cè)值的統(tǒng)計(jì)表，從表中可以看出，不合格率最高的是標(biāo)準(zhǔn)要求值在9～12的，但其適用范圍較小，相比較起來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)要求值在9～11的鍋爐其鍋水pH值不合格數(shù)更高，查詢GB/T 1576—2008可知，只有熱水鍋爐和額定工作壓力p為2.5＜p＜3.8MPa，且使用除鹽水的自然循環(huán)蒸汽鍋爐或汽水兩用鍋爐鍋水的pH值要求范圍才為9～11，又對(duì)所統(tǒng)計(jì)的報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，采用這一標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)告中，熱水鍋爐占99.5%以上，所以可以認(rèn)為，熱水鍋爐鍋水pH值不合格是造成鍋水pH值總體不合格率偏高的原因。同時(shí)，從表6還可以看出，實(shí)際測(cè)試結(jié)果中部分鍋水pH值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差值較大，最低只有0.72，最高則達(dá)到了13.82，熱水鍋爐低于標(biāo)準(zhǔn)值下限的達(dá)到333臺(tái)次，占適用的報(bào)告總數(shù)的3.4%，高于標(biāo)準(zhǔn)值上限的達(dá)到702臺(tái)，占適用的報(bào)告總數(shù)的7.2%，可見急需對(duì)熱水鍋爐鍋水pH值的控制情況進(jìn)行嚴(yán)格管理。

表6 鍋水pH值實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

通過(guò)前述分析不難得出如下結(jié)論：

1)加強(qiáng)水質(zhì)管理對(duì)保障鍋爐安全高效運(yùn)行非常重要。

2)水質(zhì)問(wèn)題是現(xiàn)階段鍋爐日常監(jiān)察管理中出現(xiàn)頻率最高的問(wèn)題。

3)控制鍋爐給水硬度是控制鍋爐水垢生成的最有效措施之一。

4)鍋水溶解固形物控制是所有蒸汽和汽水兩用鍋爐必須加強(qiáng)的一項(xiàng)工作。

5)加強(qiáng)對(duì)額定蒸汽壓力在1.0～1.6MPa范圍內(nèi)的鍋爐的給水電導(dǎo)率的控制是提高給水合格率的重中之重。

6)對(duì)熱水鍋爐鍋水pH值的控制情況需要進(jìn)行嚴(yán)格管理。

[1]周艷方.水質(zhì)不良對(duì)鍋爐的影響[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)，2011,(16):47.

[2]天津市寶坻區(qū)大口屯鎮(zhèn)7.22鍋爐爆炸事故調(diào)查報(bào)告，天津市寶坻區(qū)大口屯鎮(zhèn)7.22事故調(diào)查組，2010.8

[3]王保衛(wèi),瞿玉華.淺談鍋爐水垢與燃料消耗[J].工業(yè)鍋爐，1996，(45)：46-49.

[4]高艷春，郭維，鄭綠茵.工業(yè)小型鍋爐中鈣垢的形成及控制研究[J].江西化工，2009，(01)：11-13.

[5]高海宏.重視排污 節(jié)約能源[J].節(jié)能與環(huán)保，2005，(02)：47-48.

[6]劉宏臣，張旭，毛富杰，等.從檢驗(yàn)報(bào)告統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看鍋爐管理和檢驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2008，24(08)：1-8.

[7]GB/T 1576-2008 工業(yè)鍋爐水質(zhì)[S].

[8]文華.鍋爐水質(zhì)常測(cè)項(xiàng)目的意義與處理意見[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，(31)：79.

[9]龐承新，張麗霞，陸琳心，等.鍋爐用水中電導(dǎo)率與含鹽量關(guān)系的研究[J].廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，25(04)：61-65.