工业锅炉水处理及节能监管

张晶晶，赵辉

(杭州市特种设备检测研究院，浙江 杭州 310003)

工业锅炉水处理及节能监管

张晶晶，赵辉

(杭州市特种设备检测研究院，浙江 杭州 310003)

工业锅炉水处理不当会造成热量损失，浪费能源。为了节约能源，本文从锅炉结垢、冷凝水回收及过量排污等方面着手，对水垢形成机理及水垢形成数学模型构建进行了研究，对冷凝水排放造成的热损失及给水水质不良而过量排污导致的热损失进行了分析，总结出可以从防止结垢以提高锅炉热效率，回收凝结水以提高热利用率，减少和回收排污热以减少排污热损失等三方面提出节能措施。最后对做好水处理工作及节能监管提出了相应的对策。

工业锅炉；水处理；节能；监管；水垢

0 前言

据相关文献显示,截至2008年底，全国共有锅炉57万多台，其中链条锅炉是中国工业锅炉燃烧设备的主要方式，约占中国工业锅炉产量台数的60%，固定炉排锅炉约占30%[1]。我国工业锅炉量大面广，平均容量小，且以燃煤为主，工业用煤 80%用于工业锅炉燃烧，年耗煤量达3.5～4亿tce标准煤[2]。我国工业锅炉实际运行热效率只有65%左右，而工业发达国家的燃煤工业锅炉运行热效率平均为80%～85%[3-4]。以上数据，既说明我国能源综合利用水平与世界先进国家相比有明显差距，也说明工业锅炉的节能潜力巨大。《中国国民经济和社会发展十一五规划纲要》将工业锅炉技术进步列为节能工作的重要内容；国家发改委制定的《节能中长期专项规划》中，已将燃煤工业锅炉(窑炉)改造列为“十一五”十大重点节能工程之首[5]。

工业锅炉炉水担负着传递能量的重要作用，水处理不当将造成锅炉的热损失，热损失主要由以下三个方面组成：(1)锅炉结垢造成的燃料浪费；(2)锅炉冷凝水排放造成的热损失；(3)锅炉给水水质不良而过量排污导致的热损失。因此，工业锅炉水处理节能研究及监管措施应围绕以上热损失展开，即：防止结垢以提高锅炉热效率；回收凝结水以提高热利用率；减少排污量和回收排污热以减少排污热损失。

1 锅炉结垢造成的燃料浪费

水垢对锅炉的安全运行危害很大，而且还导致浪费大量的燃料，其根源是水垢的导热性能太差。表1所示为钢材和各种类型水垢导热系数的对比。由表1可知，钢材的导热系数比水垢大很多，最高可达1 000多倍。

表1钢材和各类型水垢导热系数的对比

名称 导热系数λ/W·m-1·℃-1水垢特性钢材 46．40～69．60-氧化铁垢 0．116～0．232坚硬硅酸盐水垢0．058～0．232坚硬硫酸钙水垢0．58～2．90坚硬和致密碳酸钙水垢0．58～6．96结晶型硬垢，非晶型软垢

图1 不同厚度下水垢种类与锅炉热损失关系

水垢严重阻碍传热，热量不能迅速传递到炉水中，造成排烟温度升高，燃料大量浪费。图1所示为在不同厚度的情况下，水垢种类与热损失的关系。由图可见当水垢厚度达1 mm时，几种水垢导致的热损失达到了7%～10%。据统计，目前我国有工业锅炉54万多台，2006年全国工业锅炉共耗煤约6亿多t[6]，按水垢平均多消耗5%燃料计，我国每年因工业锅炉结垢导致多耗燃煤3 000～4 000万t。

1.1 水垢形成机理研究

虽然水垢在工业锅炉内随处可见(如图2所示)，但从锅水中析出形成污垢的过程和机理一直不确定，相关研究也较少[7-9]，这样就影响到采用有效方法抑制结垢或除垢。因此，要进一步加深对水垢生成基本规律的认识，把握多种因素对水垢形成的影响。

图2 工业锅炉常见结垢部位

为了系统研究工业锅炉结垢的形成规律，本文建立锅水结垢模拟试验平台。试验平台由电加热系统、泵压系统、测温系统和测厚系统组成。试验采集锅炉中的高硬度循环水来研究结垢规律。试验台采用电加热带缠绕在特制水冷壁管外表面加热，模拟锅内高温，促使高硬度循环水在较短时间内在加热表面沉淀结垢。高硬度水在水泵的推动下循环，可在较短的时间内实现水垢的形成，以便开展实验研究。通过测量管表面温度变化，计算内壁沉淀水垢的热阻变化，进而测算管内表面水垢形成的规律。

图3 锅炉管壁结垢试验平台

1.2 水垢形成机理数学模型构建

目前关于锅炉水垢形成机理数学模型的研究比较零散，涉及水垢的研究范围也很窄(水垢热导率因其化学成分和存在状态特征的不同，而有很大差别，就是同一种水垢，疏松多孔的也比致密坚硬的水垢热导率要小得多)，并未形成完整的研究体系。因此建立水垢形成机理数学模型势在必行。

边界层的厚度与锅水在锅内的流动状态有关。流体力学理论认为，雷诺数Re≤2 230时，流体在管内呈层流状态；当雷诺数Re≥4 000时，流体在管内呈湍流状态。只有形成湍流状态，才能获得较薄的边界层，才能达到强化传热、降低边界层温度的目的。而要使雷诺数Re≥4 000，则要保证一定的锅水流速。

图4所示为锅水在锅内流动受热简化模型。根据边界层传热理论[10]，可得到二维、稳态、无内热源的边界膜层换热微分方程组为

连续性方程

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

换热方程

(4)

式中x——平行于壁面方向;

y——垂直于壁面方向；

u、v——x、y方向的速度分量；

ρ——流体的密度；

p——动水压强；

α——热扩散率；

t——温度；

h——表面传热系数；

λ——导热系数；

Δt——温差。

根据上述方程组，在已知锅水主体温度及物性参数下，可以求出边界膜层的换热系数，从而可求得边界膜层的最高膜温t3。

基于结垢过程是反应动力学控制，即结垢速度主要与结垢反应温度T(锅水的膜温t3)有关，可得出结垢速度为

(5)

式中V——结垢速度；

C1——结垢母体浓度；

n——反应级数；

A——指前因子；

E——活化能；

R——通用气体常数；

T——结垢反应温度。

根据结垢速度可以确定锅水结垢厚度与时间的关系。通过水垢形成机理数学模型的建立，能够得到水垢形成理论数据，为有效抑制结垢或除垢等技术的研究提供理论依据。

图4 锅水在锅内流动受热简化模型

2 锅炉冷凝水排放造成的热损失

图5 各类型锅炉冷凝水排放造成损失情况

图5所示为近三年对各类型锅炉能效测试，得出的各类型锅炉冷凝水排放造成损失情况。由该图可知，凝汽式发电厂和供热式发电厂水汽循环损失较为正常，工业蒸汽锅炉水汽循环损失较大，平均冷凝水回收利用率仅为20%。若按工业蒸汽锅炉总量50万台计，每台锅炉平均蒸发量为3 t/h，年平均运行250天，平均冷凝水回水温度90℃，补给水温度20℃，温差为70℃。每年冷凝水排放的热损失为7 227万tce标准煤。工业蒸汽锅炉冷凝水回收利用率若提高至80%，则每年可节约5 425万tce标准煤。因此，工业锅炉冷凝水回收节能潜力巨大。

图6 各类型锅炉排污率情况

3 锅炉过量排污所导致的热消耗

图6所示为近三年对各类型锅炉能效测试，得出的各类型锅炉排污率的情况。由图可知，工业锅炉平均排污率最高，为l5%。工业锅炉和以软化水为补给水的供热式自备电厂锅炉平均排污率均超过了有关技术规定。若工业锅炉排污率能控制在5%左右，则每年可节约1 162万tce标准煤。因此，工业锅炉排污节能潜力巨大，同样减排工作十分艰巨。

4 工业锅炉水处理不当原因

4.1 结垢速率较高原因

(1)水处理设备选型不当或存在缺陷；

(2)水处理设备操作不当；

(3)没有定期进行水质化验并及时调整水质；

(4)水源水质恶化，原有水处理设备出水水质达不到要求；

(5)水处理作业人员素质较差；

(6)使用单位和相关部门对水处理重视不够；

(7)监管不到位，水质检测不合格没有处罚处理依据等。

4.2 冷凝水回收率较低原因

(1)没有设计冷凝水回收装置；

(2)业主不愿意增加冷凝水回收装置的投入；

(3)没有采取相应的水处理措施，导致冷凝水不合格，而无法回收利用；

(4)由于蒸汽系统和冷凝水系统存在着CO2腐蚀，当回水再使用时，由于铁离子对测定硬度有干扰，误将硬度合格的回水判定为不合格而排放掉；

(5)回收装置设计不合理，热能没有有效利用等。

4.3 排污率过高原因

(1)水处理系统设计时没有根据水源水质选择水处理方式，导致给水溶解固形物较高；

(2)近年来枯水季节水源受海水倒灌的影响，水源水质逐年劣化，锅炉排污率有不断上升之势；

(3)水处理设备选择不当或操作失误，再生废液进入锅炉；

(4)锅炉产生的蒸汽用于生产后冷凝水回收率普遍较低，不能有效降低给水溶解固形物；

(5)使用单位没有按要求化验水质，盲目排污；

(6)水处理作业人员通常错误采用增大排污的方式，以达到降低锅水碱度和pH值等。

5 做好水处理及节能监管工作

5.1 结垢速率较高的对策

减少锅炉结垢应本着“预防为主，除垢为辅，防除结合”的原则。减少锅炉结垢应设三道“防火墙”。即：提高水处理作业人员和管理人员的素质，同时还必须加大检测和监督力度；因炉因水合理选择水处理方式，确保锅炉水质合格；锅炉水垢超标时，锅炉应停运进行化学清洗。

5.2 冷凝水回收率低的对策

(1)制定冷凝水回收技术规范，使设计单位有章可循，设计时尽可能的有效利用冷凝水的热能；

(2)对冷凝水回收利用的经济效益进行大力宣传和普及教育；

(3)加强水汽循环系统处理措施，提高冷凝水回收率；

(4)对可能造成冷凝水的污染物进行化验监督;

(5)加强科研，提高防止冷凝水被生产工艺介质污染的手段；

(6)“对症下药”，减缓蒸汽管道、换热设备、回水管道等腐蚀；

(7)推广使用先进的冷凝水回收工艺和装置。

5.3 排污率过高的对策

(1)制定工业锅炉水处理设计技术规范，设计时尽可能降低给水中的溶解固形物；

(2)改善补给水水质，水源水质较差或海水倒灌严重的地区，锅外水处理应尽量采用反渗透、电去离子软化等能够降低补给水溶解固形物的设备；

(3)提高冷凝水的回收率；

(4)科学排污，根据分析化验结果，控制排污量，即有效降低锅水溶解固形物，又要防止过量排污造成能量的浪费：

(5)防止再生残液进入锅炉，软化器再生后应彻底将再生残液清洗干净，淘汰容易造成再生残液漏进锅炉的水处理设备；

(6)锅水碱度pH超标时，应加降碱性药剂调节处理。

6 结论

综上所述，锅炉结垢、冷凝水回收率低、排污率过高等均对锅炉热效率有较大影响，工业锅炉水处理节能应从这三个方面着手。特种设备监察机构和检验检测机构应加强水质监督和水处理设备的检验工作，进一步加强使用单位水处理工作规范性；同时，使用单位应提高水处理人员节能意识和作业水平，为实现工业锅炉节能、安全运行做出贡献。

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ApplicationResearchonWaterTreatmentandEnergyEfficiencySupervisionofIndustrialBoiler

ZHANGJing-jing,ZHAOHui

(HangzhouSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Hangzhou310003,China)

Industrial boiler water treatment can cause loss of heat and waste of energy. In order to save energy, this article studied the formation mechanism of scale,the mathematical model of scale formation,heat loss caused by the no recovery condensed water and the poor quality of water which leads to excessive sewage. So we can improve the thermal efficiency of the boiler by preventing fouling and improve the thermal utilization by recovering condensed water.We can also reduce the sewage heat loss by reduction and recycling of sewage heat . Finally, the corresponding countermeasures for water treatment and energy conservation supervision are put forward.

industrial boiler;water treatment;energy efficiency;supervision;scale

2014-04-29修订稿日期2014-07-02

浙江省质监系统重大科研计划项目(20110108)。

张晶晶(1983～)，女,工程硕士研究生，研究方向为锅炉介质分析与节能措施。

TK229

A

1002-6339 (2014) 06-0548-05