电加热热水锅炉合理水质参数的探讨

刘 伟，赵尔冰，徐 斌，乔 宁

（1. 北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室，北京 100029；2. 北京市朝阳区特种设备检测所，北京 100122）

电加热热水锅炉合理水质参数的探讨

刘 伟1，赵尔冰2，徐 斌1，乔 宁1

（1. 北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室，北京 100029；2. 北京市朝阳区特种设备检测所，北京 100122）

利用小型电加热锅炉，根据GB1576—2008《工业锅炉用水水质》的要求调配了不同水质的锅炉给水，设计了4因素3水平的正交实验，选择锅炉循环热水的硬度、pH、温度、流速4种水质参数，并对其与锅炉腐蚀和结垢的关联性进行了研究。实验结果表明，水质参数对腐蚀的影响大小顺序为：温度＞pH＞流速＞硬度，在pH保持碱度的环境中，温度越低、pH越高、流速越大、硬度越低，锅炉的腐蚀速率越低；水质参数对结垢的影响大小顺序为：硬度＞温度＞流速＞pH，在pH保持碱性的环境中，硬度越低、温度越低、pH越高、流速越大，锅炉的结垢越少。其中，硬度对锅炉水结垢的影响最大，为确保锅炉安全运行，建议降低锅炉给水硬度小于等于0.3 mmol/L。

热水锅炉；正交实验；水质参数

热水锅炉作为重要的热能设备，在工业生产和民用采暖中发挥着重要作用。热水锅炉的传能介质是水，用水水质对安全运行和能耗大小均有重要影响［1］。为此，我国先后于1996年、2001年、2008年出台了《工业锅炉用水水质》标准［2］，针对热水锅炉的特点制定了相应的水质参数范围。然而，随着我国能源结构的调整和环保要求的进一步提高，工业生产和城市供暖所用锅炉的燃料逐步被天然气、电和油取代，早期根据燃煤锅炉所制定的热水锅炉水质标准已不再适合现行的燃气锅炉和电加热锅炉，有必要根据实际运行情况进行修正。

锅炉水质处理方法包括两种：锅外水处理和锅内水处理［3］。热水锅炉运行温度低、浓缩倍率小且热水锅炉与换热系统属于一套整体，用水在大系统进行循环，因此水中几乎不允许存在水渣，故通常热水锅炉的水质处理方法以锅外水处理为主［4］。据统计，由于水处理不当，我国三分之一的热水锅炉腐蚀结垢严重，使用寿命仅为设计寿命的三分之一到二分之一，一般热水锅炉在使用两年后就会出现明显的腐蚀结垢现象［5］。

本工作以电加热热水锅炉为研究对象，考察了水质参数对锅炉腐蚀和结垢的影响，进而确定了合理的水质参数控制范围，提高了锅炉使用寿命，保障了锅炉的安全运行。

1 实验部分

1.1 原料和仪器

锅炉给水：由北京化工大学的锅炉房软化水与自来水进行配制。

电加热热水锅炉：定制，北京凯达桑泰电热公司；721S型可见分光光度仪、SJ-4A型实验室pH计：上海精密科学仪器有限公司；2500VB2+PC型X射线衍射仪：日本理学株式会社。

1.2 工艺流程

电加热热水锅炉的工艺流程见图1。

图1 电加热热水锅炉的工艺流程Fig.1 Process fow chart of electric heating hot water boiler.

1.3 腐蚀速率的测定

将标准腐蚀试片（20#钢）用无水乙醇脱脂、丙酮擦拭后，在一系列水砂纸（240-320-600-1 000-2 000号）上依次打磨至镜面，使用无水乙醇擦拭，吹干后称重，测量表面积，置于干燥器中备用。将3片标准腐蚀试片完全浸没悬挂于锅水中。停炉后取出试片，将试片表面腐蚀产物去除，干燥至恒重，按式（1）计算试片的腐蚀速率，取平均值。

式中，VL为金属的腐蚀速率，mm/a；m0为腐蚀前试片的质量，g；m1为腐蚀后试片的质量，g；S为试片的表面积，m2；ρ为试片密度，g/cm3；t为浸泡时间，h。

1.4 污垢热阻的测定

污垢热阻是表示换热设备传热面上因沉积物而导致传热效率下降程度的数值，即换热面上沉积物所产生的传热阻力。本工作以污垢热阻表示锅炉结垢情况。

假定传热面上污垢的存在对壁面与流体的对流传热系数的影响可以忽略，可推导得到平均污垢热阻［6］为：

式中，Rf为平均污垢热阻，m2·K/W；Uf和Uc分别为传热面有污垢存在及清洁时的总传热系数，W/（m2·K），可通过测量所要求部位的壁温来表示。假定传热面只有一侧有污垢存在，则有：

式中，Rw为测温点至传热面表面间的壁面热阻，m2·K/W；Rhc和Rhf为传热面清洁时和有污垢存在时流体黏性底层的对流热阻，m2·K/W；Twc和Twf为传热面清洁时和有污垢存在时测温点处的温度，K；Tb为流体主体温度，K；q为平均热负荷，W/ m2。若在结垢过程中，q和Tb均保持不变，且同样假定传热面上污垢的存在对壁面与流体的对流传热系数的影响可以忽略，即Rhc=Rhf，则两式相减有：

式中，h为水的比焓，J/kg；W为水的流量，kg/s；A为传热面积，m2。传热面的污垢热阻可通过测量清洁状态和结垢状态下的壁温和热流而被间接测量出来［7］。

1.5 实验方法

以定制的电加热热水锅炉为研究对象，按要求配制锅炉给水（硬度由北京化工大学锅炉房软化水和自来水进行调制，pH由向锅炉给水中加入NaOH进行配制），开炉，挂入腐蚀试片，控制一定的锅炉出水温度及锅水流速，每隔30 s锅炉自动记录加热管壁面温度和锅炉出入口温度。实验时长为10 d，停炉后取出挂片，计算腐蚀速率和平均污垢热阻。

2 结果与讨论

2.1 锅炉水质参数的选取和水平的确定

热水锅炉水质参数有很多，包括pH、硬度、碱度、电导率、溶解固形物、温度、流速等。这些水质参数均对锅炉的腐蚀和结垢有或多或少的影响。对于多因素影响的结果，若采用单因素分析法进行实验，工作量过大，难以完成。为简化实验，设计了正交实验进行水质参数的优化，因pH与碱度存在相关关系（pH反映了锅水中［H+］的含量，而碱度指锅水中能接受［H+］的物质的量），只选择pH作为正交因素之一。此外，锅水中的盐含量，即水中的［OH-］，［CO32-］，［HCO3

-］，［Na+］，［Ca2+］等主要离子的含量可以用硬度、碱度、电导率和溶解固形物这4种参数表达，本工作选取硬度作为正交因素之一。最终确立了4种水质参数作为正交因素，即pH、硬度、温度和流速，设计了4因素3水平正交实验，考察了水质参数与锅炉腐蚀和结垢的关系。根据国家标准［2］的要求，热水锅炉给水pH=7～11、硬度小于等于0.6 mmol/L，以此作为正交实验最高水平值；北京化工大学锅炉房经锅外处理后的水pH=8、硬度为0.03 mmol/L，以此作为最低水平值。温度和流速的水平值则由定制热水锅炉自身设计参数确定。4因素3水平正交实验设计见表1。

2.2 热水锅炉水质参数的优化

正交实验结果见表2，其中，K1～K3表示腐蚀速率均值，R1表示腐蚀速率的极差；k1～k3表示污垢热阻均值，R2表示污垢热阻的极差。

表1 4因素3水平正交实验设计Table 1 Design of orthogonal experiments with four factors and three levels

表2 正交实验结果Table 2 Results of the orthogonal experiments

2.2.1 腐蚀行为与锅炉水质参数的优化

由表2中的R1可知，影响腐蚀速率的因素按显著性排序为：温度＞pH＞流速＞硬度。4因素的腐蚀速率效应曲线见图2。由图2（a）可看出，随温度的升高，腐蚀速率增大，特别是在温度高于100 ℃后，腐蚀速率迅速上升。一般说来，金属腐蚀与大多数化学反应相同，随温度的升高，腐蚀速率会成比例增加。特别是对于热水锅炉这种密闭容器，溶解氧不会随温度升高而减少，进而造成即使在水温高于沸点后腐蚀仍加剧的现象。

图2 4因素的腐蚀速率效应曲线Fig.2 Corrosion rate efect curves of the four factors.

由图2（b）可看出，随pH的升高，锅炉的腐蚀速率呈下降趋势。但pH＞10后，腐蚀速率的降幅不明显。在碱性条件下腐蚀倾向较低，主要是因为碱性条件下OH-的存在抑制了吸氧腐蚀的阴极过程。本正交实验均设定为碱性环境，pH最小为8，这种水环境下腐蚀是较轻微的。这也是温度对腐蚀的影响较pH更为显著的原因。

由图2（c）可看出，随水硬度的增加，锅炉的腐蚀速率呈上升趋势。分析其原因可能是因为锅炉给水硬度是通过软化水与自来水调制的，硬度增加说明锅水中自来水配比增加，使水中溶解氧和二氧化碳量增加，进而导致腐蚀加剧。但根据R1可知，硬度对腐蚀速率的影响不显著。

由图2（d）可看出，随流速的增加，锅炉的腐蚀速率呈下降趋势。这可能是因为随着流速的增大，氧扩散速率增大，能在钢片表面生成氧化膜，降低了腐蚀速率。

结合正交实验结果和因素效应曲线进行分析，在实际运行过程中，热水锅炉因为需要调控水质在碱性范围（锅水pH=9～11，给水pH=7～11），故锅炉在运行期间的腐蚀并不严重，最大的腐蚀速率为1.118 mm/a（水质参数pH=8、硬度0.6 mmol/ L、温度120 ℃、流速800 L/h），按腐蚀等级划分仍为“一般耐蚀性材料”，说明只要保持在国标规定水质参数范围内，锅炉耐腐蚀性能良好。相对而言，热水锅炉锅水温度越低、pH越高、硬度越低、流速越大的情况下，锅炉腐蚀速率越低。

为进一步了解热水锅炉的腐蚀机理，对收集的腐蚀产物进行XRD分析，XRD谱图见图3。由图3可见，热水锅炉腐蚀产物为具有反式尖晶石结构的Fe3O4，晶体中不存在偏铁酸根离子FeO22-。根据腐蚀产物可以判断，电加热热水锅炉的腐蚀主要表现为吸氧腐蚀，腐蚀产物Fe3O4是疏松的，没有保护性。

图3 腐蚀产物的XRD谱图Fig.3 XRD spectrum of the corrosion products.

热水锅炉因水质为碱性且除氧不彻底（或不除氧），通常会发生吸氧腐蚀，首先是铁受到溶解氧腐蚀后产生Fe2+，它在水中不稳定，容易进行二次反应，最终产物为 Fe3O4。

2.2.2 结垢行为与锅炉水质参数的优化

由表2中的R2可知，影响污垢热阻的因素按显著性排序为：硬度＞温度＞流速＞pH。4因素的污垢热阻效应曲线见图4。

图4 4因素的污垢热阻效应曲线Fig.4 Efect curves of the heat resistance of the fouling.

由图4（a）可见，随硬度的增加，热水锅炉的污垢热阻呈明显的上升趋势。这是因为钙、镁离子含量的增加，它们极易与水中的OH-和发生反应，形成沉积物。而反应主要发生在传热面上，因此表现为传热面污垢热阻增大。

由图4（b）可见，随温度的升高，热水锅炉的污垢热阻呈明显上升趋势。特别是温度未高于水的沸点时，污垢热阻升高非常明显。这可能是因为随着温度的升高，碳酸盐在水中的溶解度降低，易在传热面沉积成垢。

由图4（c）可见，随流速的增加，热水锅炉的污垢热阻呈下降趋势。这可能是因为随流速变大，加热管上不易吸附沉积物形成水垢。此外，流体对污垢层的剪切力增加，加快了垢层自表面的脱除。

由图4（d）可见，随pH的升高，热水锅炉的污垢热阻变化不明显。这可能是因为pH反映的是水中［H+］含量的多少，对结垢的影响不大。

结合正交实验结果和因素效应曲线分析，热水锅炉的水质经过锅外水处理后，硬度按GB1576—2008要求（小于等于0.6 mmol/L），在此范围内进行的正交实验中仍出现了污垢热阻较高的情况，且硬度的变化对结垢影响显著；而温度和流速对结垢也存在一定的影响。相对而言，硬度控制在0.3 mmol/L以下、温度控制在100 ℃以下、流速在1 500 L/h以上、pH=8～11范围内，热水锅炉的阻垢性能优越。

3 结论

1）采用小型电加热热水锅炉，通过设计正交实验，调整锅炉给水水质参数，探讨了热水锅炉水质与锅炉腐蚀结垢的关系。设计了4因素3水平的正交实验，实验因素和水平的选择均根据GB1576—2008对热水锅炉水质的要求以及电加热热水锅炉自身运行参数进行设定。

2）正交实验结果表明，在国家标准允许的水质范围内，锅炉的腐蚀情况较轻微。温度和pH对腐蚀速率的影响显著，而流速和硬度对腐蚀速率的影响较小。XRD表征结果显示，热水腐蚀主要为吸氧腐蚀（不除氧），其腐蚀产物是无保护性质的Fe3O4。

3）正交实验结果表明，水质参数对结垢的影响显著性顺序为：硬度＞温度＞流速＞pH。在所选择的水质参数范围内，建议适当降低硬度至小于等于0.3 mmol/L，可大大降低锅炉结垢风险。

［1］Xu Zhiming，Yang Shanrang，Guo Shiqing，et al. Costs due to utility boiler fouling in China［J］. Heat Trans—Asian Res，2005，34（2）：53 - 63.

［2］全国锅炉压力容器标准化技术委员会. GB 1576—2008工业锅炉用水水质［S］. 北京：中国标准出版社，2009.

［3］蔡祖明. 工业锅炉水质要求及处理方法［J］. 科技致富向导，2011（20）：277 - 278.

［4］孙晓霞. 热水锅炉结垢的危害与防治［J］. 科技咨询导报，2007（17）：76.

［5］李子木. 浅谈锅炉中水垢的危害及其预防［J］. 民营科技，2012（9）：110.

［6］冯殿义，范佳，孙守仁. 废热锅炉污垢热阻实时预测研究［J］. 热能动力工程，2009，24（2）：196 - 199.

［7］全贞花，陈永昌，王春明，等. 污垢热阻动态监测装置及其传热计算方法的研究［J］. 工程热物理学报，2007，28（2）：322 - 324.

（编辑 王 萍）

The reasonable water quality parameters of electric heating hot water boiler

Liu Wei1，Zhao Erbing2，Xu Bin1，Qiao Ning1
（1. State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2. Beijing Chaoyang District Special Equipment Inspection & Testing Institution，Beijing 100122，China）

The water quality parameters，namely hardness，pH value，temperature and f owrate，as well as their relations with the boiler corrosion and scaling were investigated through orthogonal experiments with four factors and three levels using a small electric heating hot water boiler according to the GB1576—2008“industrial boiler water quality” standard. It was showed that，the ef ects of the water quality parameters on the corrosion were in the order： temperature＞ pH＞ f owrate＞ hardness. In alkaline medium，low temperature，fast flowrate and low hardness led to the smaller corrosion rate. The order of the impact of the water quality parameters on the scaling was：hardness＞ temperature＞f owrate＞ pH. In alkaline medium，low hardness，low temperature，high pH and fast f owrate would lead to the smaller scaling rate. The ef ect of the hardness on the scaling of the boiler water was biggest. For safe operation，the hardness of the boiler feed water should be less than or equal to 0.3 mmol/L.

hot water boiler；orthogonal experiment；water quality parameters

1000 - 8144（2016）09 - 1031 - 06

TK 229

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.09.002

2016 - 03 - 30；［修改稿日期］2016 - 07 - 14。

刘伟（1995—），男，天津市人，硕士生，电话 15300036618，电邮 360717164@qq.com。联系人：乔宁，电话 010 -64455013，电邮 qiaoning@mail.buct.edu.cn。