关于提高燃气锅炉所加阻垢剂药效的改进措施

万昌财　刘汝超　王晓军　薛仁雨

摘 要：向锅炉水中加入阻垢剂的方式可防止锅炉内部发生腐蚀结垢问题，保证锅炉水质运行状况良好，水质化验指标基本在要求范围内。文章主要研究基于目前已确定的锅炉加药量和加药周期基础上，依据碳酸盐结晶的诱导期，测算现有药剂的平均药龄，根据计算出的平均药龄和诱导期为锅炉加药提出进一步的改进建议，提高阻垢剂的药效。

关键词：锅炉水质 最佳加药量 结晶诱导期 平均药龄

一、概况

锅炉水处理系统目前除对原水进行软化除氧外，还采用向锅炉炉水中加入阻垢剂的方式防止锅炉内部发生腐蚀结垢问题。理论研究表明，一定浓度的阻垢剂在碳酸盐过饱和溶液中可使碳酸盐结晶速度减缓延续一定时间，这一时间段称为结晶诱导期，阻垢剂在锅炉水系统中的逗留时间称为药龄，而当药剂的平均药龄与药剂在碳酸盐中的结晶诱导期一致时，药剂的效果最佳。因此文章基于已确定的锅炉加药量和加药周期基础上，计算出现有药剂在锅炉炉水中的平均药龄，依据碳酸盐结晶的诱导期，通过调整锅炉的排污量和上水量将所加药剂的实际平均药龄调整至与碳酸盐结晶诱导期的时间接近或一致，提高所加药剂的药效，进一步解决锅炉内部的结垢问题。

二、第一净化厂锅炉系统结垢机理及影响因素分析

（一）锅炉水系统结垢机理和影响因素分析

在锅炉系统中，引起结垢的因素很多，如水中残留的硬度成份和二氧化硅引起的水垢、腐蚀产物引起的金属垢和给水中混入的有机物引起的有机垢等。这些水垢的生成，因其导热系数比金属小很多（见表1所示）而使传热显著受阻，这不仅使锅炉的热效率降低，甚至影响锅炉的出力；而且在结垢部位容易引起局部过热，导致管材的机械强度降低（一旦传热面发生结垢，使传热面下金属发生局部过热时，当管内壁温度超过350℃，则金属的抗拉强度就会降低，在450℃时其抗拉强度就会减少到原来的50～60%左右），于是锅炉管内壁就会发生鼓包、破裂等事故，图1为第一净化厂锅炉内壁结垢实物图。

（二）硬度、二氧化硅等引起的结垢机理

如式（1）、（2）、（3）所示，锅炉都是以经软化后的原水作为给水，锅炉水中残存的硬度成份和二氧化硅等杂质逐渐成为过饱和溶液，处于极不稳定状态。当锅炉水在激烈沸腾或流动状态下与管壁冲刷时，锅炉水中杂质的过饱和状态遭到破坏，开始局部形成晶核，随着晶核的产生，便有很多分子（确切的说是阴、阳离子）聚集在这些晶核上，使极小的微粒逐渐长大，最后形成粗结晶体或无定性沉积物。这些沉积物或粘附在锅炉的传热面上、或悬浮在锅炉水中、或沉积在锅炉的底部；另一方面，由于锅炉水中的杂质成份会随着传热面上水的蒸发而残留在壁面上，形成一层极薄的沉积层，在连续受热的情况下，传热面上会不断的进行杂质沉积和易溶盐的溶解过程，最后就剩下那些难溶盐类物质附着在传热面上而导致结垢。

在低压锅炉中，为防止因硬度成份和二氧化硅等在炉内结垢，需要采取如下措施：

1、通过软化装置除去硬度成份；

2、使用阻垢剂、淤渣分散剂阻止垢物质的形成和沉积；

3、加强锅炉水的浓缩管理。

三、平均药龄和结晶诱导期理论介绍

锅炉所加药剂的药效取决于结晶诱导期和平均药龄（或药龄）这两个关键因素，当结晶诱导期和平均药龄相等时，药剂在这段时间内能起到最佳阻垢、分散作用。理论研究表明，阻垢、分散剂并不阻止碳酸盐的分解，阻止碳酸盐结垢的机理主要在于它们通过晶格畸变作用和分散作用来控制垢沉积。如阻垢剂在水中不仅与钙、镁离子形成稳定的螯合物，同时还能与碳酸盐晶体界面上的钙、镁离子发生螯和作用，形成的螯和物占据了晶体正常生长的晶格座位，形成不规则的小晶体，使晶体发生畸变，阻止或减缓了晶体的正常生长。

但与此同时，在未被螯和的微晶界面会有晶体继续生长，一旦生长部分逐渐把阻垢、分散剂分子复盖起来时，晶体又将以不存在阻垢剂、分散剂时的同样速度生长。试验表明，一定浓度的阻垢剂在碳酸盐过饱和溶液中可使结晶速度减缓延续一定时间，这一时间段成为结晶诱导期。在诱导期内，只有很少的微晶析出。当时间超过这一诱导期后，水中的晶体则以不存在阻垢、分散剂时同样的速度生长，因此只有当药剂的平均药龄与结晶诱导期时间相等或一致时，所加药剂的药效才是最佳的。

在锅炉水系统中，阻垢、分散剂和成垢物质是不断随补水进入系统的，同时又不断随排污排出系统。它们在系统的停留时间通常由下式来计算：

由（4）式计算出的药剂停留时间不是药龄，也不是诱导期，它表示在系统确定水容量、排污量时，某一时刻投入的药剂全部流出系统的时间。因为药剂进入锅炉水系统后，由于排污及蒸发损失的水量，药剂的浓度也逐渐降低。阻垢剂在锅炉水系统中的逗留时间称为药龄。成垢物质在药龄时间内能稳定处于系统的过饱和状态中，这时药龄等于诱导期。投加一批处理药剂后，该药剂浓度随时间降低的浓度可用式（5）计算，据此式可求得系统中药剂的药龄。

由于在工业水处理中，通常采用间歇和连续两种加药方法。对间歇加药系统，按式（5）可求得某一批药剂在系统停留时间内任一时刻的浓度，据此式算出的药剂消耗速率，能求得药剂的药龄。但对于连续加药系统，由于药剂连续加入系统中，同时又随排污不断排出，因此锅炉水水质、药剂在整个系统中的平衡是动态的。所以药剂的药龄就不能按（5）式计算。必须计算系统到达动态平衡时能维持过饱和度的药剂平均停留时间，即平均药龄。药剂的平均药龄可通过计算来确定。

平均药龄的计算推导如下：据（5）式：，当t=t1，即一天后，阻垢剂起始浓度降为：，同理求得第m天后，阻垢剂起始浓度降为：。

设每天补药一次，当t1=1天后，为保持系统中阻垢剂浓度C0，应补入浓度为，。

当运行时间t2=2天后，第一天补入浓度下降为：同理可得当t=m天時，第一天补入浓度应降为：同样可得第二天，第三天及第m-1天结束时补入浓度在运行m天后其浓度降低值：、................、。

在m天结束时补入浓度降低为：。

由于在锅炉水系统任何时间总是保持阻垢剂浓度为C0，所以在m天时可以列出下列式：

上式中每一项都有其对应药龄，等式两边都乘以对应药龄得：

把（10）式除C0得平均药龄的计算公式为：

T——阻垢剂的平均药龄，天；

tm——达到盐平衡及药剂物料平衡时的运行天数，天；

为求tm把系统中离子平衡作为系统平衡的指标，下面对锅炉水系统离子作一物料平衡：

W——系统水中离子总重量，克；

C——系统中离子浓度，mg/m3；

B——排污水量，m3/h；

M——补充水量，m3/h；

V——系统中水量，m3；

Cm——补水中离子浓度，mg/m3；

显然离子浓度随补水增加而增大，随排污减少而减小，随蒸发而增大。离子浓度变化速率可用下面的微分方程表示：

t0——系统开始运行的时间，小时；

C0——时间为t0时系统离子浓度，mg/m3；

经t时间后，当系统离子浓度达到处理要求浓缩倍数时，式（12）即为：

利用式（8）、式（13）即可求得阻垢剂的平均药龄T。

四、锅炉所加阻垢剂的平均药龄测算

根据式（8）、（13）及表2的数据可算出锅炉加入阻垢剂的实际平均药龄：

将式（14）结果代入式（11）得：

由上述计算可得，目前該锅炉所加阻垢剂的实际平均药龄为12h左右。

五、调整平均药龄所提出的具体建议

试验数据表明，阻垢剂的浓度和其维持碳酸盐的过饱和度的程度及时间有关。在一定浓度范围内，阻垢剂浓度越高，所能维持的过饱和度越大，所能维持一定过饱和度的时间也就越长，即诱导期也就越长。经过试验测定，一定浓度下的有机膦酸盐类阻垢剂的诱导期一般在16-24h左右。而根据式（14）、（15）计算的实际平均药龄分别为12h左右，锅炉所加药剂的实际平均药龄小于其结晶诱导期，因此，需通过调整锅炉供水系统的运行工况调整药剂的平均药龄与结晶诱导期一致或接近，使药剂的药效达到最佳。

由式（8）和（13）可以看出，调整平均药龄的关键是调整锅炉供水系统的工艺参数，在阻垢剂浓度一定的条件下，即加药量已经确定，影响平均药龄的关键因素是系统水容量即锅炉容量、排污水量、锅炉补充水量和锅炉蒸发量这几个因素。由于锅炉容量为设计参数，不易改变，因此，锅炉蒸发量与锅炉排污量就成为两个切实可行的调节因素。

根据平均药龄的计算公式（8）、（13）可以看出，提高平均药龄的主要方法为改变锅炉排污量以及改变锅炉蒸发量。因此，提出以下三种具体方案进行分析：

1、在确保锅炉水质指标合格的前提下，及锅炉蒸发量不变的前提下，改变锅炉的排污量，具体分析结果如下表3：

根据表3数据我们可以看出：

（1）锅炉蒸发量确定时，降低锅炉排污水量，锅炉的平均药龄均有所提高。

2、在确保锅炉水质指标合格的前提下，及锅炉排污量不变的前提下，改变锅炉蒸发量，具体分析结果如下表4：

根据表4数据我们可以看出：

（1）锅炉排污量确定时，降低锅炉蒸发量，锅炉的平均药龄均有所提高。

（2）调整锅炉蒸发量对阻垢剂平均药龄的影响幅度要大于只调整锅炉排污量时对阻垢剂平均药龄的影响。

3、在确保锅炉水质指标合格的前提下，适当提升锅炉蒸发量，适当减少锅炉排污量，具体分析结果如下表5：

根据表5数据我们可以看出：

（1）同时降低锅炉蒸发量及锅炉排污水量，锅炉的平均药龄均有所提高。

由上述分析，我们认为，适当降低锅炉排污量可在一定程度上提高阻垢剂的平均药龄，从而提高阻垢剂在锅炉中的药效，但同时，也可根据下游用户的使用情况，及时调整锅炉的运行负荷，从而降低锅炉的蒸发量也可对阻垢剂的平均药龄产生影响。

六、结论

综上分析，我们认为，通过调整低压锅炉的蒸发量和排污量可使阻垢剂的平均药龄发生改变，并具体分析认为，适当降低锅炉蒸发量和排污量可提高阻垢剂的平均药龄，将阻垢剂的平均药龄调整至接近碳酸盐的结晶诱导期，更大程度提高阻垢剂的药效。

参考文献

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