摘要：锅炉是工农业生产和人民生活中广泛使用的特种设备，是生产蒸气或热水的热工设备之一，其传能介质原料是水。锅炉用水水质的好坏，对其安全运行及能源消耗有很大的影响。当锅炉用水不合要求时，锅炉受热面就会结生水垢，不仅浪费大量的燃料，还会危及锅炉安全运行。本文对锅炉运行中产生的水垢进行了分析，并介绍了水垢的形成、种类、危害、预防和处理。
关键词：锅炉；水垢产生；危害；处理措施
锅炉在我国得到了普遍的应用，但在使用的过程中容易出现水垢，导致锅炉的寿命降低，并且增加了燃料的使用量。此外，锅炉作为人们生产生活中必不可少的一种设备,对人们起着极其重要的作用,而作为其工作介质水的运行状况将直接影响人们生产生活的正常进程。锅炉在使用过程中极易产生水垢,水垢堆积不但会损坏锅炉,还会造成资源能源的浪费。因此,必须加强对锅炉水垢处理的研究,维持锅炉的正常运行,同时达到节能降耗的目的。
一、水垢的形成原因
水垢的形成是一个复杂的过程，在锅炉使用中一些易溶盐类进入锅内后，随着加热的过程受热分解成固相晶粒，附着于锅炉受热面上结为水垢。水中还存在着一些溶解度低的物质，如CaSO4、CaSO3等，随温度的升高，溶解度降低，因此非常容易在受热面温度最高的部位沉积为水垢。而一些溶解度较大的盐类，在锅内和其它盐类相互反应，生成了难溶的化合物。蒸汽锅炉使用中，锅水不断地蒸发、浓缩，水中溶解盐的浓度不断增大，当达到饱和时，在蒸发面上析出晶核，或以原有的水垢晶粒为结晶核心，生成水垢。在锅炉停用时，若保护不当，金属表面遭受腐蚀，腐蚀产物进入锅内后，附着在受热面上就软化为金属氧化物，沉积在受热面上。洁净的锅炉受热面，由于金属的离子化，使金属表面带负电荷，而一些结垢的物质，常带正电荷。这样由于静电吸引作用，使结垢物质沉积在金属表面而生成水垢。还有一些会被忽视的水渣转化成二次水垢，水渣粘附性较强，如排污不及时，很容易粘附在受热面上转化成水垢。
二、水垢的种类
水垢通常并非一种单一的化合物，而是由许多化合物组成的混合物。水垢的化学组分虽然比较复杂，但往往以某种组分为主，因此可按水垢的化学组分分成钙镁水垢、硅酸盐水垢、氧化铁垢和铜垢等。
1、钙、镁水垢。在钙镁水垢中，以钙镁盐类为主，有时可达90％以上，按其化学组分又可分为碳酸钙水垢(CaC03)，硫酸钙水垢(CaS04、CaS04•2H20)、硅酸钙(CaSi03)、镁垢[Mg(OH)2、Mg3(P04)2。
2、硅酸盐水垢。硅酸盐水垢大部分是铁、铝的硅酸化合物，含有40％～50％的SiO2，25％～30％的铁、铝的氧化物以及10％～20％的Na203钙镁化合物一般只有百分之几。
3、氧化铁垢。氧化铁垢的外观呈咖啡色，内层呈黑色或灰色，垢的下面尚有少量白色盐类的沉积物。其主要化学组分是铁的氧化物，有时高达70％～90％，另外还有少量金属铜、铜的氧化物以及一些钙、镁、硅和磷的盐类。
4、铜垢。当热力设备的含铜部件(如高、低压加热器)遭受腐蚀时，铜的腐蚀产物便随给水带入锅炉内部，而形成铜垢。在这种垢中，金属铜的含量比较高，可占20％以上，而且沿垢层厚分布非常不均匀，表面部分高达70％～90％，靠近锅炉炉管深处只有10％-20％。
5、磷酸盐铁垢。磷酸盐铁垢的化学成分主要是磷酸亚铁钠(NaFePO4)和磷酸亚铁，一般灰白色或接近白色。这种水垢通常发生在分段蒸发锅炉的盐段水冷壁上，并均匀地分布在整个炉管内。敲击时，很容易脱落。磷酸盐铁垢一旦发生，发展速度很快，短时间就可能发生爆管事故。
三、锅炉结垢现状
锅炉水质国家标准中只要求给水硬度小于、等于0.03mmol/L，这种水也含有一定量的残余硬度。一些企业由于水处理作业人员配备率低，设备运行管理水平差等原因，水处理设备长期处于失控运行状态，以上两方面导致锅炉结垢腐蚀率很高。沿海的每年枯水期(一般每年持续3-4个月)发生海水倒灌的地区和高硬度、高碱度水地区，一级软化器出水无法除去全部硬度，也造成了锅炉结垢严重。水垢平均厚度达到1.5mm时，锅炉效率平均会降低5%。锅炉工作压力越高，水垢的导热率越低;水垢越厚，燃料浪费越大。少数企业采用反渗透出水作为锅炉补给水，相对于软化水作为补给水，在降低锅炉结垢方面是一个很大改进。但是，由于这些企业缺少熟悉反渗透装置运行的技术人员，日常维护管理较差，往往发生反渗透运行一段时间后膜结垢、堵塞严重，脱盐率下降很快，经常出现反渗透出水硬度超标现象。
四、水垢的危害
人们称水垢是锅炉的“百害之源”，究其原因是由于水垢的导热性能太差，仅为锅炉传热钢材的数十分之一到数百分之一。
1、水垢会降低锅炉热效率，浪费燃料。锅炉结水垢后，受热面的传热性能变差，燃料燃烧时所释放出的热量不能迅速传递给炉水，因而大量热量被烟气带走，造成排烟温度 升高，根据排烟热损失 计算，排烟热损失会显著增加，使锅炉热效率 降低。在这种情况下，要想使锅炉正常参数运行，就必须增加燃料，加大鼓风和引风来强化燃烧。但结果会使气体未燃烧损失q3显著增加，无形中增加了燃料消耗，使锅炉热效率 再次降低。在固定的炉膛容积和炉排面积下，燃料无论投加多少，燃烧都是受到限制的，热效率也得不到有效提高。因此，水垢的厚度直接影响到锅炉的节能运行。有相关试验数据表明，当结生水垢达1mm时，增加能耗5％～6％，所浪费的燃料也是十分惊人的。
2、水垢越厚，热导率越差，会破坏水循环。管内流通截面积减少，流动阻力增大，金属壁温升高，长期下去就易因过烧发生爆管事故。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆锅炉火侧的温度就越高，引起金属过热，强度降低，锅炉受热面结1mm水垢时，金属壁与炉水温差就会达到200℃左右，水垢增加，温差会随之增加，当温度超过金属所能承受的允许温度时，就会导致锅炉钢材过热鼓疱、变形、泄漏，甚至爆炸，严重危害企业的安全运行。
3、在锅炉运行中，锅水从水垢的孔隙中渗入垢层，并很快蒸发，导致锅水各种杂质浓度升高，pH值升高，发生碱性腐蚀，当给水带入氯化物时，那么沉积物下就会发生酸性腐蚀，而结垢和腐蚀又会相互促进。
4、锅炉结垢后，采用化学清洗不仅增加成本，废渣废液对环境也有巨大的影响，若引起泄漏、裂纹、折损、变形、腐蚀等问题，不仅降低了锅炉使用寿命，还要耗费大量人财物力去检修，增加了使用成本。
五、水垢的预防
要保证锅炉不结垢或薄垢运行，就要加强锅炉给水处理，这是保证锅炉安全和经济运行的重要环节。预防水垢的生成，通常采用以下方法。
1、锅外水处理。这种方法适用于各种锅炉。离子交换法是目前锅炉给水软化处理最为广泛采用的方法。所谓离子交换，是用具有交换离子能力的交换剂和水中相应的产生硬度的离子进行交换，达到软化水的目的。目前小型工业锅炉，常用的离子交换器有顺流再生式、逆流再生式和浮动床等，来去除水中离子态杂质。这种方法，必须定时进行水质检测，定时进行树脂塔的切换与再生，并检验再生效果。同时，根据锅炉的使用情况，配置符合系统交换能力的离子交换设备，因树脂存在氧化、老化、流失等因素，更需要定期更换或补充树脂。新购的树脂使用前应作预处理，对于钠型树脂可用10％盐水浸泡18-20h，然后按操作程序洗至出水合格即可投用。树脂保存时应保持湿态，避免高温和阳光暴晒，避免铁质和有机物的污染。树脂一旦失水干燥，严禁直接放入水中。必须先用饱和盐水浸泡十几个小时，然后再逐渐稀释。由于交换树脂吸附能力强，能将游离在水中的钙、镁离子吸附，从而使锅炉给水硬度达到合格标准。离子交换剂有无机和有机两大类。无机交换树脂只能进行表面交换，软化效果差，使用较少。而有机交换树脂的特点是颗粒核心结构疏松，交换反应在颗粒表面和内部同时可进行，软化效果好，故使用较多。
2、锅内水处理。此法主要是向炉水中加入化学药品，与炉水中形成水垢的钙、镁盐，形成疏松的沉渣，然后用排污的方法，将沉渣排出炉外。起到防止(或减少)锅炉结垢的作用。锅内水处理常用的药品有：磷酸三钠、碳酸钠、氢氧化钠及有机胶体等。加药时，应首先将各种药品配制成溶液，然后再加入锅炉内。通常磷酸三钠的溶液浓度为5％～8％，碳酸钠的溶液浓度不大于5％，氢氧化钠的浓度不大于1％～2％。加药方法有定期和连续加药两种。定期加药主要靠加药罐进行加药；连续加药则在给水设备前，将药连续加入给水中。对于蒸汽锅炉，最好采用连续加药法，这样可使炉内保持药液的均匀。凡采用锅内水处理的，应加强锅炉排污，使已形成的泥渣、泥垢等排出炉外，收到较好效果。
3、科学排污。锅炉的排污工作是确保锅炉水质达到国家标准的重要措施，是实现锅炉水处理目的的重要手段，为做到科学排污，一定要根据科学计算出来的排污量，做到勤排、少排、均衡排污。另外，锅炉排污时还应该注意把握最佳时机，如低水位时尽量利用表面排污装置排除锅内的盐分和碱度，在低负荷或者用热设备停用时，要尽量利用最低点排污装置快速排出水渣、泥垢等，保证以最小的热损耗取得最优的排污效果。
六、水垢的处理
锅炉水垢随着使用的时间而不断增加，能耗也会随着增加，严重时甚至损坏锅炉导致安全事故的发生，因此当锅炉受热面被水垢覆盖80％以上，并且水垢平均厚度达到1mm以上，或者有严重锈蚀的情况下时，及时对锅炉进行除垢清洗。目前常用除垢方法主要分为化学清洗和物理清洗两大类。
1、化学清洗。采用化学药剂与垢层进行化学反应，并通过溶解、剥离、气掀等作用，清除锅炉水汽系统中的各种水垢、腐蚀产物、沉积物等，使金属表面清洁，并形成良好的钝化保护膜。化学清洗主要分为酸洗和碱洗两大类。
1）酸洗。采用酸类药剂(包括无机酸和有机酸)作清洗剂的清洗方法，是目前清除水垢，清洁锅炉受热面最有效的常用方法。不仅安全可靠不损伤锅炉，而且除垢后能在金属表面形成保护膜，提高锅炉运行的安全性和经济性。酸既能除垢，又会腐蚀金属，因此为使金属避免腐蚀，须在酸液中加缓蚀剂，以防止金属腐蚀。由于盐酸清洗相对费用较低目前被广泛使用，也有采用新技术，如用柠檬酸、柠檬酸氨和氨基磺酸等方法，也有的用特殊的有机酸和表面活性剂等。
2）碱洗。碱洗是一种以碱性药剂为主要清洗剂的化学清洗方法，清洗成本低，应用广泛，操作较简单。锅炉点火带压碱洗也称碱煮或煮炉。高压以上新安装锅炉的化学清洗，必须先进行碱洗，除去油污后再进行酸洗。碱洗比较简单，费用低，但水垢需要长时间才能疏软、龟裂和剥离。
2、物理清洗。物理清洗是指借助各种机械外力和能量使污垢粉碎、分解并剥离下来，以达到清洗的目的。可使用手锤、铲刀、刮刀、金属刷子、洗管器等工具，用人力直接从锅炉壁上除去水垢。这种方法操作简单，易于实行，但劳动强度大，费时长，易受锅炉结构型式的限制，除垢时锅炉壁易受机械损伤。常用的物理清洗方法主要有高压水力射流清洗、Pig清洗、干冰清洗、超声波清洗、电厂除垢设备以及机械疏管等。清洗后，应当采取有效措施清除锅内残留垢渣，确保锅内所有的管子畅通无阻，另外如果清洗前已经堵塞的管子，清洗后仍然无法畅通，必须对其进行更换。
七、结语
锅炉是工业生产和生活中被广泛使用的热能供应设备。然而，在使用的过程中，水垢的处理成了使用者难以解决的问题，新投入使用的锅炉没用多久就出现水垢，既影响锅炉的使用效率，又不利于节能，除起水垢来还非常麻烦，浪费人力物力。
参考文献：
[1]刘焱.锅炉形成水垢原因及其处理措施[J].中国新技术新产品，2016．
[2]姚继贤.工业锅炉防垢除垢技术[M].北京：原子能出版社，2016．
[3]张德孝.锅炉水垢的清洗[J].清洗世界，2017．
论文作者:梁炜
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/21
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