论工业锅炉经济运行的方向
绍兴市能源利用监测中心鲍启新
作者简介：鲍启新(1953-)，男，绍兴人，工程师，毕业于杭州商学院，主要从事电气技术、能源管理、能源利用检测、监测和审计等方面的工作。
摘要：本文结合作者长期从事能源利用监测和节能技术改造的实践，围绕锅炉受热面在经济运行中的地位、存在的问题及解决方法，探讨工业锅炉节能、节水、安全、绿色运行的方向，以供参考。
摘要：的规模、热效率、能耗和水环境
关键词：
长期以来，人们对工业锅炉经济运行的认识一直集中在燃烧系统产生的热量满足蒸汽负荷的需要，保持燃烧的经济性。所采取的措施还注重将蒸汽压力/温度和水位保持在一定范围内；使燃料与空气均匀接触；调节空气供给量，保持适当的燃料空气比，以适应燃料量；匹配引风量，使其与送风量成比例变化，保持炉膛负压稳定在正常值。锅炉自动控制系统的任务也由热负荷调节系统(保持汽包水位和出口蒸汽压力/温度在规定范围内)、燃烧经济性调节系统(保持最佳风煤比)、炉膛负压调节系统(保持炉膛出口负压在规定范围内)等基本功能模块完成。
而锅炉是一种在炉内燃烧煤、油、液化气等燃料释放热能，并通过传热过程将燃烧释放的热能传递给被加热介质“水”，从而产生热水或将水转化为蒸汽直接供给生产/运行所需的热能(或蒸汽由蒸汽动力机械转化为机械能，由汽轮机组转化为电能)的换热设备。燃烧系统产生的热量通过锅炉壳体、烟火管、水冷壁管、对流管束、过热器和省煤器组成的金属固体表面——“受热面”，连续或周期性地从放热介质中吸热，并将热量传递给被加热介质水，水被加热蒸发(过热)，完成能量传递和转换的过程。受热面金属物理状态和传热性能的变化直接影响换热系统的主要经济技术指标。
一、传统方法及分析
水是锅炉的热交换介质。无论是最简单的水加热，产生蒸汽，带动汽轮机和压缩机做功，还是多功能的汽电共生，热电联产，都是通过水来传递能量和做功。水是锅炉运行的基本载体，其水质是锅炉正常运行的前提。
在我国，根据国家标准《工业锅炉水质标准》，95%以上的低压锅炉给水要进行软化处理，少量要在锅炉内进行加药处理。经济体制改革后的锅炉房，低压锅炉供水大致分为三种：天然水、纯净水、软化水。
天然水是河水、湖水、井水的总称，也称地表水、地下水，称为原水或生水。水中含有悬浮物、胶体、溶解物质等不同大小的杂质。溶解物质中含有碳酸氢根、氯离子、硫酸根、重金属离子等24种离子(10种阳离子、14种阴离子)，还含有硫化氰等3种可溶性气体。如果不经处理直接进入锅炉，上述杂质在炉内高温高压的作用下，加热到沸腾、蒸发或浓缩时会发生化学反应。当它超过饱和浓度时，固体物质就会沉淀出来。析出的固体物质一部分会悬浮在锅炉水中，另一部分会迅速附着沉积在受热面的金属容器壁上，形成牢固而难以清除的水垢。
纯净水是经过沉淀、混凝、过渡处理后的原水，自来水一般是符合国家卫生标准的纯净水。治疗后，内容
软化水是在离子交换器中用树脂将原水或纯净水软化，使钙、镁离子含量降低的水(如果总硬度达到锅炉给水标准，称为锅炉软化水)；理论上，锅炉使用软化水后不会再发生硬度成分结垢的情况，但一方面，软化处理需要水质检测等严格的技术手段作为支撑，而大多数低压锅炉用户在设备配置、人员配备、操作水平、管理制度等方面都难以达到要求，且不能完全交换钙镁离子，仍有一定硬度；另一方面，即使在理想条件下，离子交换剂也不处理除钙和镁以外的其他离子；因此，软化水仍然含有成分复杂的杂质。非正常软化时，就和纯净水或者天然水差不多了。进入锅炉后，水垢仍会以不同的速度在受热面上形成。
根据绍兴市近五年的锅炉房调查，约70%的工业锅炉使用软化水，20%使用纯净水和天然水，部分1t/h的锅炉采用炉内加药。受热面最薄的水垢厚度在0.6 ~ 0.7mm之间，较厚的超过3 ~ 3 ~ 5mm。严重的结垢和管道堵塞也时有发生。
二、水质不良使受热面结垢
1.废弃燃料
它是一种锅炉换热设备，其导热系数是表征换热性能的主要经济技术指标。物体的导热系数通常用导热系数来表示。导热系数越大，物体的导热能力越强。锅炉及各种水垢的导热系数见下表：
不同钢铁尺度下的导热系数对照表
对象组成
导热系数/[w ( k)-1]
与钢相比%
硫酸铁、碳酸盐、硅酸盐、油膜煤灰
47~520.58~2.330.47~0.70.27~0.470,120.06~0.12
——约1/20 ~ 1/80，约1/80 ~ 1/100，约1/100 ~ 1/200
约1/400约1/400～1/800从表中可清楚地看出，水垢的导热系数比钢铁的导热系数小数十倍到数百倍，因此，锅炉受热面结垢后，将使受热面的总传热能力急剧下降，燃料燃烧由火焰、烟气所释放的热量不能通过锅筒或炉管按照设计思路迅速地传递给水，热量的传递改变路径，大量的热能从烟囱被烟气带走，造成排烟温度升高，排烟热损失增加，锅炉热效率降低，在这种情况下，为保持锅炉的额定参数，就必须更多地投加燃料，以提高炉膛和烟气温度，因此，造成能源的浪费。根据测定和计算，受热面结有厚度1mm导热系数为0.5/W·(㎡·K)-1的水垢时，燃料的浪费量为10%。水垢厚度变化与燃料消耗量增加之间的关系见图一。从图中可见，随着水垢厚度的增加，燃料浪费基本上呈线性加大，即能源浪费同步加大。
由于不同种类的水垢有不同的导热系数且差距较大，故在同样的结垢厚度下，能源浪费程度随水垢导热系数的下降而上升，导热系数
越小的水垢，所浪费燃料的数量越多。
一台结有普通碳酸盐水垢、厚度1mm、煤耗200T/月的燃煤炉，以煤价400元/T计算，每月需多耗的燃料费就是8000元，产生的损失是十分惊人的。
受热面的结垢不仅浪费燃料，还同时带来以下不良后果：
2. 增加电能消耗
随着转输阻力的加大、换热效率的下降，单位时间内可供输出的能量减少，要输出热负荷设备所需的数量一定之热量，只有通过延长热交换时间来补足。因此，受热面结垢后，鼔风机、引风机等辅机的工作时间加长，电力损耗上升，用电量增加的比例≥燃料的浪费数量，若结有1mm厚的水垢，电能损耗的增加量≥10%，一台4t/h燃煤锅炉，配备的风机功率一般在30kw左右，以一天工作20h计，浪费的电量≥60kwh/d。
3. 缩短设备使用寿命
由于锅炉结垢导致换热性能变坏，受热面吸收的热量不能有效地传递给炉水，由此增加的烟气热量一部分使炉膛和烟气温度升高，随烟气带走排向大气，另一部分则增加了金属的蓄热量，二驾并驱，使受热面两侧的温差增大、炉管的温度升高。
水垢的种类、厚度不同，受热面金属的升温也不同，二者的关系见图二。
当受热面温度超过某一允许范围时，称为金属过热，此时金属的机械物理性能被改变，产生受热面金属的损坏。例如，额定压力为1Mpa的锅炉，在无垢运行时的管壁温度为280℃，当结有1mm厚的硅酸盐水垢时，管壁的温度可高达680℃，此时，钢板的耐压强度从4Mpa降至1Mpa，在蒸汽压力作用下，炉管会发生鼓包、变形，甚至爆破；同时，随着温度的升高，热胀反应使金属伸长，温度每升高100℃会使1m长的炉管伸长1.2mm，对于没有伸缩余量的受热面，就会引起炉管的龟裂；此外，炉管结垢后水的流通截面减小，管内水流的循环阻力增加，破坏了正常的锅炉水循环，使水带走的热量更少，从另一方面造成炉管过热。
由于沉淀物覆盖在换热表面，阻止了设备的有效换热，使换热表面的金属长期处于高温热负荷状态下，导致金属疲劳，一般在十年左右就会因机械物理性能的下降，不能再承受过高的压力而无法继续工作，一台锅炉的寿命就因过热而缩短，需要重购更换了。
而且，受热面结垢后，还会引起沉淀物下的金属腐蚀（垢下腐蚀），垢下腐蚀会导致设备穿孔泄漏，进一步加速受热面的损坏。
这就是目前我国锅炉使用寿命普遍较低的主要原因。
4. 降低出力，影响生产
锅炉结垢后，受热面的热阻增大，传热性能变差，锅水在单位时间内从受热面吸收的热量减少，于是，单位时间内预定温度、压力的热水或蒸汽产量急剧下降，导致锅炉出力不足、蒸汽蒸发量下降，并随结垢厚度的增加而加剧；此时，为保持输出热能不变，要想达到锅炉的额定蒸发量或供热量，就需要多消耗燃料，习惯的方法是采取增加燃料投入、加快炉排转速的方法来弥补；但锅炉的炉排面积、燃烧室容积是一定的，燃烧空气量有限制，燃烧量达到设计最大值后，再多投加燃料、加快炉排速度、及加大风力均无济于事，不但不能增加燃烧生成热量，相反只会导致燃烧状况的恶化，增加燃料的化学、机械不完全燃烧等损失。
因此，结垢后的锅炉出力就会降低，往往出现蒸汽压力不足或剧烈波动等现象，影响生产的产量和质量，若是经营场所，就会出现热水不热、空调效果不好等不良反应。有不少企业，在这种情况下还以为是未端负荷的用汽量超过了锅炉的额定蒸发量，从而打算再增加一台，有的准备另购大吨位锅炉，能源的浪费和资源的损失程度，使人难以想象。
四、结垢之外的影响
钠离子交换法是目前采用最多的硬水软化法，该法除了仍要发生硬度成分结垢的不足, 还存在经钠离子交换软化处理后所得软化水的腐蚀性增强、含盐量增加及环境污染等缺点。
在25℃、80℃温度下的腐蚀性试验中，锅炉钢在自来水中的腐蚀速度明显低于软化水和去离子水，这是因为自来水中含有天然阴极性缓蚀剂碳酸氢钙, 当在钢表面同阴极反应产物氢氧根离子相遇时,即生成碳酸钙沉淀而覆盖于阴极表面，阴极过程被抑制,钢的腐蚀速度较小。软化后的水中，原有的能抑制腐蚀的碳酸氢钙随着硬度成分的除去也被除去了，因而腐蚀性增加了；同时,腐蚀产物覆盖于金属表面而结成垢的情况变得严重，使锅炉增加了腐蚀产物的排污，从另一方面增加了热量损失。
离子交换法的另一缺点是必须排放再生废液，图3是普通钠离子交换系统的一般工艺流程，这些装置在制备软化水的每一个周期中都不可避免地产生盐液制备系统排污、反洗水排污、再生废盐水排污、冲洗水排污：
这些排污向来被视作是正常的和没有危害的，但是，在人类面临水资源枯竭和水环境污染的今天来看，这些废水的排放使水体中钠离子的含量上升，造成人们被动吃盐而导致患病，危害众多，其排放在一些国家早已受到限制，在美国去年已禁止使用。
并且，上述离子交换工艺浪费了大量的水资源：我国工业软水的原水单位消耗定额为1.2～1.4m3/ m3，实际消耗大约在1.3～1.7m3/ m3之间，即锅炉每使用1 m3软化水，需要额外消耗0.3～0.7m3的原水，并变成含盐污水排放，水资源的浪费和对环境的污染是比较惊人的。
一种习惯性的认识是,原水经过钠离子交换软化之后,水中的硬度成分除去了,因而可以降低锅炉的排污率。
实际上，通过钠离子交换后的软化水，原水中的碳酸盐硬度转变为碳酸氢钠，即水的碱度不变；但由于1mol（Na+）量比1mol（1/2Ca2+和1/2Mg2+）的量大，所以软化水中的含盐量（与溶解固形物近似相等）不仅没有降低，反而比原水略有提高。因此，采用钠离子交换后的软化水不仅不能起到降低锅炉排污率的作用，反而使排污率有所增加。
综上，锅炉结垢的危害是十分严重的，且其危害往往是一个积累过程，需经过一定的时间才能出现。上述危害一旦发现，巳经形成了相当严重的局面，造成了巨额的资源浪费和经济损失。
同时，目前采用最多的钠离子交换水处理法不仅妨碍着工业锅炉的经济运行，而且存在浪费水资源、污染环境等问题。
五、改变现状之实践
为解决工业锅炉结垢和腐蚀带来的问题，笔者从1999年开始查询国内外文献、资料及最新技术动态，经充分考证，2003年5月选定了国家“八五”科技攻关、“九五”重点推广计划项目BF-30a锅炉防腐阻垢技术，在本地进行试点实验及推广应用，取得了明显的效果。
这是根据工业锅炉腐蚀和结垢规律，利用“螯合、晶格畸变、分散”等作用原理首创发明的，水平为国际领先。螯合，是指用螯合剂与水中离子成份形成稳定的水溶性螯合物，使给水中引入的硬度成分呈溶解状，将致垢阳离子封锁在分子内使其在锅水中呈溶解状态，无法与致垢阴离子结合成垢；晶体畸变是指阻垢剂吸附于结晶上并占据晶体正常生长的晶格位置，使碳酸钙的结晶类型发生变化，即晶体发生畸变而抑制晶体的生长；分散，是通过物理和化学作用改变粒子表面原来的电荷形态，在粒子表面形成双电层，在静电作用下粒子相互排斥，避免粒子的结合长大沉积，使随给水带入或在锅炉中生成的固体粒子分散在水中，不沉积于传热面和流动缓慢的部位，并从固体上非常缓慢、温和地溶解原有水垢，使金属表面恢复洁净状态。
同时，它改变了自来水、软化水、去离子水对钢表面已形成的保护膜逐渐发生破坏而使金属处于活化腐蚀的状态，使钢表面的保护膜更趋完整，并使钢的自腐蚀电位剧烈正移，强烈地抑制了钢腐蚀的阳极过程和阴极过程，在锅炉金属表面生成某种保护性薄膜，是钢在水中的优良混合性缓蚀剂，有效地解决了钢的动态腐蚀问题。
此项目于1997年通过化工部的科技成果鉴定和工业化鉴定，1998年获化工部技术发明三等奖，1999年被国家科技部列为《国家级科技成果重点推广计划》项目，2000年被国家知识产权局授予发明专利权，2002年被认定为《北京市高新技术转化项目》，2003年获中国锅炉水处理协会注册并报国家质量技术监督总局审查备案，2004年4月，国家锅炉压力容器检测研究中心（原锅炉局）和中国锅炉水处理协会在北京召开专题会议向全国推广。
引进这一技术成果后，首先进行了本地适应性对比实验，在绍兴市银泰大酒店使用30天后，原结0.6～0.7mm左右的灰白色水垢厚度普遍减薄，很多地方露出了金属的表面，（图4、5）：
图4：2003年5月29日的火管外壁照片， 图5：6月29日攝，原结水垢厚度普遍减薄，
二条痕迹为刮出的标记 很多地方完全溶解，露出了金属的表面
接着在其他单位进行了应用：大众棉织有限公司2t/h炉原水垢厚度＞2mm，使用51天见到明显的减薄；聚成漂染有限公司6吨燃煤水管炉，供水为兰亭地表水，原每年结垢厚约2～3毫米，多年来均定期采用机械加人工的方法除垢，使用117天后基本无垢，受热面清楚可见；嵊州白云涂布纸厂2台4t炉、1台2t炉原结垢2㎜多，使用2个多月，老垢己基本上溶解完毕。绍兴海港大酒店水垢厚度3㎜左右，使用90天打开，溶解下来的老垢杂质，在裝水产品的泡沬箱里扒出了十多箱，60%以上露出了金属面（图6）：
经绍兴地区20多家企业五年左右的使用，工业锅炉的结垢、腐蚀问题均得到了很好的解决，它的确切效果，使锅炉用户从不相信到相信，由不了解到了解，变不知道为知道，在市场经济环境下受到了偏爱。
此技术不结新垢、温和溶解已结老垢的基本功能引发产生以下经济、社会综合效益：1.换热效率提高并时刻处在最佳状态、燃料消耗动态最少；2.蒸汽量逐渐恢复至额定值，生产及质量得到保证；3.免离子交换用水，减少鼓、引风机电耗；4.受热面金属温度恢复正常，机械物理性能保持稳定，腐蚀延缓，维修量减少，锅炉使用年限可成倍延长；5.不需用离子交换器，不需给水水质化验，只需用试纸测锅水PH值，使用简便，节省人工、树脂、材料；6.消除了离子交换系统的盐水排放，燃烧废气排放减少，保护环境，维护人体健康。
它的应用，使工业锅炉在性质上改变了运行状况，从整体上提高了系统经济技术性能指标。
六、结论：
水是工业的血液，锅炉是工业的心脏，水处理则是为心脏提供合格血液，保证锅炉安全、经济运行的首要手段。
由于锅炉水处理技术水平的限制等原因，目前我国工业锅炉普遍存在的结垢、腐蚀问题，轻者浪费燃料，降低出力，继而损坏设备、发生安全事故，使锅炉运行成本及维护费用上升，工作寿命缩短，安全性下降，是工业锅炉经济运行需解决的核心问题。
近年来，世界上以安全和节能为发展战略的锅炉水处理技术获得了长足的进步，我国的锅炉水处理技术亦有了很大提高和发展，但还存在着种种问题，与发达国家相比还有较大差距。目前，我国锅炉的水处理普遍做法是重视锅外，轻视锅内，而发达国家对锅内处理十分重视，对低、中、高压锅炉均采用防腐阻垢剂或离子交换-锅内加药法，象我国这样单独采用离子交换法的锅炉非常少见，忽视锅内处理引发结垢，是目前我国锅炉能源利用效率、使用寿命普遍低于发达国家，锅炉事故率普遍高于发达国家的重要原因之一。
BF-30a锅炉水处理技术，突破了其他水处理方法长期存在的换热面结垢和腐蚀两个难题，经在国内8年/数万台、本地五年/数十台锅炉上的应用，防腐阻垢效果优异，兼具节燃料、节水、节电、安全、绿色且使用方便的特点，经济、资源、环境效益显著，对工业锅炉、热交换系统的节约资源、安全运行、保护环境、延长使用寿命和提升行业技术水平具有重大意义，是工业锅炉经济运行的方向。
