電加熱熱水鍋爐合理水質(zhì)參數(shù)的探討

劉 偉，趙爾冰，徐 斌，喬 寧

（1. 北京化工大學(xué) 化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2. 北京市朝陽區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所，北京 100122）

電加熱熱水鍋爐合理水質(zhì)參數(shù)的探討

劉 偉1，趙爾冰2，徐 斌1，喬 寧1

（1. 北京化工大學(xué) 化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2. 北京市朝陽區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所，北京 100122）

利用小型電加熱鍋爐，根據(jù)GB1576—2008《工業(yè)鍋爐用水水質(zhì)》的要求調(diào)配了不同水質(zhì)的鍋爐給水，設(shè)計(jì)了4因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，選擇鍋爐循環(huán)熱水的硬度、pH、溫度、流速4種水質(zhì)參數(shù)，并對(duì)其與鍋爐腐蝕和結(jié)垢的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水質(zhì)參數(shù)對(duì)腐蝕的影響大小順序?yàn)椋簻囟龋緋H＞流速＞硬度，在pH保持堿度的環(huán)境中，溫度越低、pH越高、流速越大、硬度越低，鍋爐的腐蝕速率越低；水質(zhì)參數(shù)對(duì)結(jié)垢的影響大小順序?yàn)椋河捕龋緶囟龋玖魉伲緋H，在pH保持堿性的環(huán)境中，硬度越低、溫度越低、pH越高、流速越大，鍋爐的結(jié)垢越少。其中，硬度對(duì)鍋爐水結(jié)垢的影響最大，為確保鍋爐安全運(yùn)行，建議降低鍋爐給水硬度小于等于0.3 mmol/L。

熱水鍋爐；正交實(shí)驗(yàn)；水質(zhì)參數(shù)

熱水鍋爐作為重要的熱能設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)和民用采暖中發(fā)揮著重要作用。熱水鍋爐的傳能介質(zhì)是水，用水水質(zhì)對(duì)安全運(yùn)行和能耗大小均有重要影響［1］。為此，我國先后于1996年、2001年、2008年出臺(tái)了《工業(yè)鍋爐用水水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)［2］，針對(duì)熱水鍋爐的特點(diǎn)制定了相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)范圍。然而，隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，工業(yè)生產(chǎn)和城市供暖所用鍋爐的燃料逐步被天然氣、電和油取代，早期根據(jù)燃煤鍋爐所制定的熱水鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)已不再適合現(xiàn)行的燃?xì)忮仩t和電加熱鍋爐，有必要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行修正。

鍋爐水質(zhì)處理方法包括兩種：鍋外水處理和鍋內(nèi)水處理［3］。熱水鍋爐運(yùn)行溫度低、濃縮倍率小且熱水鍋爐與換熱系統(tǒng)屬于一套整體，用水在大系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，因此水中幾乎不允許存在水渣，故通常熱水鍋爐的水質(zhì)處理方法以鍋外水處理為主［4］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于水處理不當(dāng)，我國三分之一的熱水鍋爐腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重，使用壽命僅為設(shè)計(jì)壽命的三分之一到二分之一，一般熱水鍋爐在使用兩年后就會(huì)出現(xiàn)明顯的腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象［5］。

本工作以電加熱熱水鍋爐為研究對(duì)象，考察了水質(zhì)參數(shù)對(duì)鍋爐腐蝕和結(jié)垢的影響，進(jìn)而確定了合理的水質(zhì)參數(shù)控制范圍，提高了鍋爐使用壽命，保障了鍋爐的安全運(yùn)行。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和儀器

鍋爐給水：由北京化工大學(xué)的鍋爐房軟化水與自來水進(jìn)行配制。

電加熱熱水鍋爐：定制，北京凱達(dá)桑泰電熱公司；721S型可見分光光度儀、SJ-4A型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；2500VB2+PC型X射線衍射儀：日本理學(xué)株式會(huì)社。

1.2 工藝流程

電加熱熱水鍋爐的工藝流程見圖1。

圖1 電加熱熱水鍋爐的工藝流程Fig.1 Process fow chart of electric heating hot water boiler.

1.3 腐蝕速率的測(cè)定

將標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片（20#鋼）用無水乙醇脫脂、丙酮擦拭后，在一系列水砂紙（240-320-600-1 000-2 000號(hào)）上依次打磨至鏡面，使用無水乙醇擦拭，吹干后稱重，測(cè)量表面積，置于干燥器中備用。將3片標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片完全浸沒懸掛于鍋水中。停爐后取出試片，將試片表面腐蝕產(chǎn)物去除，干燥至恒重，按式（1）計(jì)算試片的腐蝕速率，取平均值。

式中，VL為金屬的腐蝕速率，mm/a；m0為腐蝕前試片的質(zhì)量，g；m1為腐蝕后試片的質(zhì)量，g；S為試片的表面積，m2；ρ為試片密度，g/cm3；t為浸泡時(shí)間，h。

1.4 污垢熱阻的測(cè)定

污垢熱阻是表示換熱設(shè)備傳熱面上因沉積物而導(dǎo)致傳熱效率下降程度的數(shù)值，即換熱面上沉積物所產(chǎn)生的傳熱阻力。本工作以污垢熱阻表示鍋爐結(jié)垢情況。

假定傳熱面上污垢的存在對(duì)壁面與流體的對(duì)流傳熱系數(shù)的影響可以忽略，可推導(dǎo)得到平均污垢熱阻［6］為：

式中，Rf為平均污垢熱阻，m2·K/W；Uf和Uc分別為傳熱面有污垢存在及清潔時(shí)的總傳熱系數(shù)，W/（m2·K），可通過測(cè)量所要求部位的壁溫來表示。假定傳熱面只有一側(cè)有污垢存在，則有：

式中，Rw為測(cè)溫點(diǎn)至傳熱面表面間的壁面熱阻，m2·K/W；Rhc和Rhf為傳熱面清潔時(shí)和有污垢存在時(shí)流體黏性底層的對(duì)流熱阻，m2·K/W；Twc和Twf為傳熱面清潔時(shí)和有污垢存在時(shí)測(cè)溫點(diǎn)處的溫度，K；Tb為流體主體溫度，K；q為平均熱負(fù)荷，W/ m2。若在結(jié)垢過程中，q和Tb均保持不變，且同樣假定傳熱面上污垢的存在對(duì)壁面與流體的對(duì)流傳熱系數(shù)的影響可以忽略，即Rhc=Rhf，則兩式相減有：

式中，h為水的比焓，J/kg；W為水的流量，kg/s；A為傳熱面積，m2。傳熱面的污垢熱阻可通過測(cè)量清潔狀態(tài)和結(jié)垢狀態(tài)下的壁溫和熱流而被間接測(cè)量出來［7］。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

以定制的電加熱熱水鍋爐為研究對(duì)象，按要求配制鍋爐給水（硬度由北京化工大學(xué)鍋爐房軟化水和自來水進(jìn)行調(diào)制，pH由向鍋爐給水中加入NaOH進(jìn)行配制），開爐，掛入腐蝕試片，控制一定的鍋爐出水溫度及鍋水流速，每隔30 s鍋爐自動(dòng)記錄加熱管壁面溫度和鍋爐出入口溫度。實(shí)驗(yàn)時(shí)長為10 d，停爐后取出掛片，計(jì)算腐蝕速率和平均污垢熱阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍋爐水質(zhì)參數(shù)的選取和水平的確定

熱水鍋爐水質(zhì)參數(shù)有很多，包括pH、硬度、堿度、電導(dǎo)率、溶解固形物、溫度、流速等。這些水質(zhì)參數(shù)均對(duì)鍋爐的腐蝕和結(jié)垢有或多或少的影響。對(duì)于多因素影響的結(jié)果，若采用單因素分析法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，工作量過大，難以完成。為簡化實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的優(yōu)化，因pH與堿度存在相關(guān)關(guān)系（pH反映了鍋水中［H+］的含量，而堿度指鍋水中能接受［H+］的物質(zhì)的量），只選擇pH作為正交因素之一。此外，鍋水中的鹽含量，即水中的［OH-］，［CO32-］，［HCO3

-］，［Na+］，［Ca2+］等主要離子的含量可以用硬度、堿度、電導(dǎo)率和溶解固形物這4種參數(shù)表達(dá)，本工作選取硬度作為正交因素之一。最終確立了4種水質(zhì)參數(shù)作為正交因素，即pH、硬度、溫度和流速，設(shè)計(jì)了4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，考察了水質(zhì)參數(shù)與鍋爐腐蝕和結(jié)垢的關(guān)系。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)［2］的要求，熱水鍋爐給水pH=7～11、硬度小于等于0.6 mmol/L，以此作為正交實(shí)驗(yàn)最高水平值；北京化工大學(xué)鍋爐房經(jīng)鍋外處理后的水pH=8、硬度為0.03 mmol/L，以此作為最低水平值。溫度和流速的水平值則由定制熱水鍋爐自身設(shè)計(jì)參數(shù)確定。4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

2.2 熱水鍋爐水質(zhì)參數(shù)的優(yōu)化

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，其中，K1～K3表示腐蝕速率均值，R1表示腐蝕速率的極差；k1～k3表示污垢熱阻均值，R2表示污垢熱阻的極差。

表1 4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design of orthogonal experiments with four factors and three levels

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of the orthogonal experiments

2.2.1 腐蝕行為與鍋爐水質(zhì)參數(shù)的優(yōu)化

由表2中的R1可知，影響腐蝕速率的因素按顯著性排序?yàn)椋簻囟龋緋H＞流速＞硬度。4因素的腐蝕速率效應(yīng)曲線見圖2。由圖2（a）可看出，隨溫度的升高，腐蝕速率增大，特別是在溫度高于100 ℃后，腐蝕速率迅速上升。一般說來，金屬腐蝕與大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)相同，隨溫度的升高，腐蝕速率會(huì)成比例增加。特別是對(duì)于熱水鍋爐這種密閉容器，溶解氧不會(huì)隨溫度升高而減少，進(jìn)而造成即使在水溫高于沸點(diǎn)后腐蝕仍加劇的現(xiàn)象。

圖2 4因素的腐蝕速率效應(yīng)曲線Fig.2 Corrosion rate efect curves of the four factors.

由圖2（b）可看出，隨pH的升高，鍋爐的腐蝕速率呈下降趨勢(shì)。但pH＞10后，腐蝕速率的降幅不明顯。在堿性條件下腐蝕傾向較低，主要是因?yàn)閴A性條件下OH-的存在抑制了吸氧腐蝕的陰極過程。本正交實(shí)驗(yàn)均設(shè)定為堿性環(huán)境，pH最小為8，這種水環(huán)境下腐蝕是較輕微的。這也是溫度對(duì)腐蝕的影響較pH更為顯著的原因。

由圖2（c）可看出，隨水硬度的增加，鍋爐的腐蝕速率呈上升趨勢(shì)。分析其原因可能是因?yàn)殄仩t給水硬度是通過軟化水與自來水調(diào)制的，硬度增加說明鍋水中自來水配比增加，使水中溶解氧和二氧化碳量增加，進(jìn)而導(dǎo)致腐蝕加劇。但根據(jù)R1可知，硬度對(duì)腐蝕速率的影響不顯著。

由圖2（d）可看出，隨流速的增加，鍋爐的腐蝕速率呈下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)殡S著流速的增大，氧擴(kuò)散速率增大，能在鋼片表面生成氧化膜，降低了腐蝕速率。

結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和因素效應(yīng)曲線進(jìn)行分析，在實(shí)際運(yùn)行過程中，熱水鍋爐因?yàn)樾枰{(diào)控水質(zhì)在堿性范圍（鍋水pH=9～11，給水pH=7～11），故鍋爐在運(yùn)行期間的腐蝕并不嚴(yán)重，最大的腐蝕速率為1.118 mm/a（水質(zhì)參數(shù)pH=8、硬度0.6 mmol/ L、溫度120 ℃、流速800 L/h），按腐蝕等級(jí)劃分仍為“一般耐蝕性材料”，說明只要保持在國標(biāo)規(guī)定水質(zhì)參數(shù)范圍內(nèi)，鍋爐耐腐蝕性能良好。相對(duì)而言，熱水鍋爐鍋水溫度越低、pH越高、硬度越低、流速越大的情況下，鍋爐腐蝕速率越低。

為進(jìn)一步了解熱水鍋爐的腐蝕機(jī)理，對(duì)收集的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析，XRD譜圖見圖3。由圖3可見，熱水鍋爐腐蝕產(chǎn)物為具有反式尖晶石結(jié)構(gòu)的Fe3O4，晶體中不存在偏鐵酸根離子FeO22-。根據(jù)腐蝕產(chǎn)物可以判斷，電加熱熱水鍋爐的腐蝕主要表現(xiàn)為吸氧腐蝕，腐蝕產(chǎn)物Fe3O4是疏松的，沒有保護(hù)性。

圖3 腐蝕產(chǎn)物的XRD譜圖Fig.3 XRD spectrum of the corrosion products.

熱水鍋爐因水質(zhì)為堿性且除氧不徹底（或不除氧），通常會(huì)發(fā)生吸氧腐蝕，首先是鐵受到溶解氧腐蝕后產(chǎn)生Fe2+，它在水中不穩(wěn)定，容易進(jìn)行二次反應(yīng)，最終產(chǎn)物為 Fe3O4。

2.2.2 結(jié)垢行為與鍋爐水質(zhì)參數(shù)的優(yōu)化

由表2中的R2可知，影響污垢熱阻的因素按顯著性排序?yàn)椋河捕龋緶囟龋玖魉伲緋H。4因素的污垢熱阻效應(yīng)曲線見圖4。

圖4 4因素的污垢熱阻效應(yīng)曲線Fig.4 Efect curves of the heat resistance of the fouling.

由圖4（a）可見，隨硬度的增加，熱水鍋爐的污垢熱阻呈明顯的上升趨勢(shì)。這是因?yàn)殁}、鎂離子含量的增加，它們極易與水中的OH-和發(fā)生反應(yīng)，形成沉積物。而反應(yīng)主要發(fā)生在傳熱面上，因此表現(xiàn)為傳熱面污垢熱阻增大。

由圖4（b）可見，隨溫度的升高，熱水鍋爐的污垢熱阻呈明顯上升趨勢(shì)。特別是溫度未高于水的沸點(diǎn)時(shí)，污垢熱阻升高非常明顯。這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，碳酸鹽在水中的溶解度降低，易在傳熱面沉積成垢。

由圖4（c）可見，隨流速的增加，熱水鍋爐的污垢熱阻呈下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)殡S流速變大，加熱管上不易吸附沉積物形成水垢。此外，流體對(duì)污垢層的剪切力增加，加快了垢層自表面的脫除。

由圖4（d）可見，隨pH的升高，熱水鍋爐的污垢熱阻變化不明顯。這可能是因?yàn)閜H反映的是水中［H+］含量的多少，對(duì)結(jié)垢的影響不大。

結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和因素效應(yīng)曲線分析，熱水鍋爐的水質(zhì)經(jīng)過鍋外水處理后，硬度按GB1576—2008要求（小于等于0.6 mmol/L），在此范圍內(nèi)進(jìn)行的正交實(shí)驗(yàn)中仍出現(xiàn)了污垢熱阻較高的情況，且硬度的變化對(duì)結(jié)垢影響顯著；而溫度和流速對(duì)結(jié)垢也存在一定的影響。相對(duì)而言，硬度控制在0.3 mmol/L以下、溫度控制在100 ℃以下、流速在1 500 L/h以上、pH=8～11范圍內(nèi)，熱水鍋爐的阻垢性能優(yōu)越。

3 結(jié)論

1）采用小型電加熱熱水鍋爐，通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，調(diào)整鍋爐給水水質(zhì)參數(shù)，探討了熱水鍋爐水質(zhì)與鍋爐腐蝕結(jié)垢的關(guān)系。設(shè)計(jì)了4因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素和水平的選擇均根據(jù)GB1576—2008對(duì)熱水鍋爐水質(zhì)的要求以及電加熱熱水鍋爐自身運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

2）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在國家標(biāo)準(zhǔn)允許的水質(zhì)范圍內(nèi)，鍋爐的腐蝕情況較輕微。溫度和pH對(duì)腐蝕速率的影響顯著，而流速和硬度對(duì)腐蝕速率的影響較小。XRD表征結(jié)果顯示，熱水腐蝕主要為吸氧腐蝕（不除氧），其腐蝕產(chǎn)物是無保護(hù)性質(zhì)的Fe3O4。

3）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水質(zhì)參數(shù)對(duì)結(jié)垢的影響顯著性順序?yàn)椋河捕龋緶囟龋玖魉伲緋H。在所選擇的水質(zhì)參數(shù)范圍內(nèi)，建議適當(dāng)降低硬度至小于等于0.3 mmol/L，可大大降低鍋爐結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。

［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］全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB 1576—2008工業(yè)鍋爐用水水質(zhì)［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［3］蔡祖明. 工業(yè)鍋爐水質(zhì)要求及處理方法［J］. 科技致富向?qū)В?011（20）：277 - 278.

［4］孫曉霞. 熱水鍋爐結(jié)垢的危害與防治［J］. 科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007（17）：76.

［5］李子木. 淺談鍋爐中水垢的危害及其預(yù)防［J］. 民營科技，2012（9）：110.

［6］馮殿義，范佳，孫守仁. 廢熱鍋爐污垢熱阻實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)研究［J］. 熱能動(dòng)力工程，2009，24（2）：196 - 199.

［7］全貞花，陳永昌，王春明，等. 污垢熱阻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置及其傳熱計(jì)算方法的研究［J］. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28（2）：322 - 324.

（編輯 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。

劉偉（1995—），男，天津市人，碩士生，電話 15300036618，電郵 360717164@qq.com。聯(lián)系人：喬寧，電話 010 -64455013，電郵 qiaoning@mail.buct.edu.cn。