淺析熱水鍋爐結垢的危害與措施

    鍋爐是工農業生產和人民生活中廣泛使用的特種設備，是生產蒸汽或熱水的設備之一，其傳能介質是水。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，鍋爐受熱面就會產生水垢，因而不僅浪費大量的燃料，還會危及鍋爐的安全運行。

一、熱水鍋爐結垢的機理

什么叫鍋爐結垢？水在鍋內受熱沸騰蒸發后，為水中雜質提供了化學反應和不斷濃縮的條件。當這些雜質在鍋水中達到飽和時，就有固體物質產生。產生的固體物質，如果懸浮在鍋水中就稱為水渣；如果附著在受熱面上，則稱為水垢。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。隨著爐水的不斷蒸發逐漸濃縮，當達到需要的濃度時，析出物就會成為固體沉淀析出，附著在鍋爐受熱面上，形成一層“膜”，阻礙熱量傳遞，這層“膜”被稱之為水垢。

二、鍋爐結垢的危害

（1）鍋爐結垢對傳熱過程的影響

在鍋爐受熱面不結水垢的情況下，其傳熱較好，此時單壁導熱的熱量可按下式計算。

c

式中：H —— 受熱面積  m²

      　t　—— 壁厚  m

         t_b—— 相應壁溫  ℃

         Q —— 傳熱量  kj/h

例如：δ=0.008m, t_b1=350℃, t_b2=315℃,傳過的熱量為：

若受熱面結水垢，其傳熱情況如果1（a），此時傳熱量Q按下式計算：

——分別為鋼材和水垢的厚度m；

——分別為鋼材和水垢的導熱系數；

如果水垢0.001m，則其傳熱量將下降為

由上面的實例可見，我們對比結垢前后的傳熱量與的數值（積灰情況相同），傳熱量顯著下降，如需保持同樣的傳熱量，則要增加燃料量，就要浪費能源，與倡導的節能政策相違背，而且此時熱阻增加，壁溫將升高為：

通過鍋爐結垢前后壁溫的比較，溫度相差95℃。鍋爐受熱面使用的鋼材，一般為碳素鋼，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95℃。但是，結了水垢的鍋爐，由于傳熱性能變差，燃料燃燒的熱量不能迅速地傳遞給鍋水，致使爐膛和煙氣的溫度升高。因此，受熱面兩側的溫差增大，金屬壁溫升高，強度降低，如果金屬受熱面溫度超過鋼材的允許溫度，這時鋼材的抗拉強度就會下降，鍋爐在內、外在條件下，發生過熱鼓包、變形、泄漏、爆管等嚴重事故。

鍋爐水垢的種類很多，其導熱系數相差很大，如硅酸鹽水垢的較小，為0.3~0.84，其溫升更大，危險性更大，碳酸鹽水垢較大，為3.1~21，鍋爐結垢后，使受熱面的傳熱性能變差，燃料燃燒所放的熱量不能及時傳遞到鍋水中，大量的熱量被煙氣帶走，造成排煙溫度過高，排煙若損失增加，鍋爐熱效率降低，為保持鍋爐額定參數，就多投加燃料，浪費燃料（水垢1.5mm時，燃料量增加6%； 5mm時，燃料增加15%； 8mm時，則增加34%。），使金屬過熱還會引起水循環破壞，腐蝕，化學情況浪費人力、物力縮短鍋爐壽命等一系列惡果，應盡量做到無垢或薄垢運行才能實現節省能源。

（2）鍋爐結垢對鍋爐腐蝕的影響—垢下腐蝕

鍋爐水中結垢懸浮物、膠體、無機鹽等雜質在鍋爐受熱面上飽和析出沉淀，形成泥渣、水垢，如果泥渣、水垢中含有高價鐵，隨便受熱面溫度升高，使滲透在沉淀物下面的鍋水急劇蒸發濃縮，導致各種雜質濃度升高所造成的腐蝕稱為垢下腐蝕。產生垢下腐蝕有以下幾種情況。

1、垢下腐蝕的電化學腐蝕。

當在鍋爐受熱面產生的水垢、水渣等沉淀物中含有氧化鐵和氧化銅等雜質時，這些氧化鐵、氧化銅電位高，成為陰極；而金屬壁面電位低，成為陽極。陽極的鐵離子不斷溶于爐水中，與氧化鐵和氧化銅反應生成新的高價氧化鐵。

   同時，當爐水濃縮時，可造成爐水的濃度差，這時管壁之間，管壁與管內沉積物之間，可形成濃差電池作用加速垢下腐蝕。

      2、垢下腐蝕的堿性腐蝕

當鍋爐受熱面表面有附著有水垢或水渣等沉淀物時，因其傳熱性能遠遠差于金屬受熱面，所以沉淀物下的金屬受熱面壁溫升高，使沉積物與金屬壁面之間的鍋水濃縮，且不易與沉積物之外的鍋水均勻混合，當鍋水中含有游離的(NaOH)時，當鍋水的PH值大于13時，金屬壁面的氧化保護膜被NaOH溶解，電化學腐蝕加劇，形成堿腐蝕。

反應產物能夠溶解于高PH值溶液中。

      當金屬壁面的保護膜被溶解后，金屬就被裸露在水垢下的高PH值鍋水中，會發生反應：反應生成的與爐水中的生成如下反應：

      由于不穩定，容易進一步和水中的作用生成腐蝕產物

　　當鍋水中含有氯化鎂和氯化鈣，在沉淀物下的氯化鎂、氯化鈣與鍋水發生反應形成氫氧化鎂、氫氧化鈣以及鹽酸，使PH值降低，可直接與受熱面鋼板發生反應

       如果鍋爐受熱面有堅硬、致密水垢存在，通過上式反應產生的氫不能擴散出去，則會滲入鋼材與碳鋼中的碳化鐵發生反應，造成鋼材脫碳，使金相組織發生變化，會形成微小晶間裂紋。

4、防止發生垢下腐蝕的措施

      通過上述對垢下腐蝕掌握了解總結出以下兩點就能防止發生垢下腐蝕。

1）  新爐煮洗能使鍋爐受熱面形成保護膜

新爐的煮洗不僅可以清除鍋內的氧化鐵等雜質，還可以在金屬表面形成一層具有耐蝕性的保護膜，反應機理如下：

在金屬表面形成的保護膜，其厚度只有幾微米。

2）  在日常運行中的管理

要防止氧化鐵垢下腐蝕，關鍵是不使金屬表面形成氧化鐵垢，鍋爐停爐、檢修期間，應及時煮爐和清除鍋爐內各種水垢及腐蝕產物，并做好鍋爐設備保養。

三、水垢的預防（在這項中可提到某些優化系統）

為了防止鍋爐水垢的產生，一般采取鍋爐內水處理和鍋爐外水處理的方法。

1）鍋爐內水處理是向鍋爐內投加一些化學藥劑，使其也鍋爐內的（主要是鈣、鎂鹽類物質）發生化學或物理變化，而生成松軟的水渣，并通過排污的方法達到預防鍋爐結垢的目的。

2）鍋爐外水處理是利用離子交換軟化設備將含有雜質的水軟化后，達到鍋爐用水的水質要求后再進入鍋爐，達到預防鍋爐結垢的目的。

四、水垢的清除

1）  機械除垢法

2）  酸洗除垢法

3）  堿煮除垢法