(云南省节能监察中心，昆明 650041)

0 引 言

能源消耗是企业生产的重要组成部分，降低能源消耗和环境污染是企业降本增效的一个重要途径，也对推动地方绿色低碳发展和生态文明建设起到了积极的作用。下面就具体阐述工业锅炉的防垢与节能。

我国中小型锅炉数量庞大，这些中小型锅炉的运行效率一般都较低，造成能源的巨大浪费。效率低的重要原因之一，就是在锅炉的受热面上经常沉积着导热系数很低的水垢。导致锅炉传热效率下降，使锅炉热效率降低，耗煤量增加，根据近些年来对昆明地区工业锅炉的调查表明，大部分锅炉结垢厚度为1～2 mm，有的达到10 mm。年耗煤大约3 000万t。水垢平均厚度为1.5 mm。每毫米水垢约增加4.5%的耗煤量。由于结垢严重还造成锅炉破坏事故。下面将分别叙述水垢的成因、特性与危害，以及除垢与节能效果的概算与试验等问题。

1 水垢的成因与特性

1.1 水垢的成因

水垢可分为积结在受热面的坚硬或松软的水垢和沉积在锅炉下部的泥垢。它的成因，主要是因为锅炉给水中含有一定数量的钙镁盐类，这些盐类在锅炉内部受气压、温度的影响起物理和化学变化而形成水垢。具体地说，就是水中某些溶解盐类，由于炉水温度升高，或因溶解度降低而沉淀出来，或因分解形成难溶的盐类。如硫酸钙、硅酸钙在温度升高时，其溶解度急骤降低。重碳酸钙和重碳酸镁遇热分解成难溶的碳酸钙和氢氧化镁的沉淀物。同时，锅炉在连续给水、连续蒸发过程中，纯净的水变成蒸汽由锅炉送出，使水中的盐类留在炉内不断浓缩，含量不断升高，在炉水含盐程度达到饱和状态，甚至过饱和状态时，一些钙、镁盐类就从水中析出，生成沉淀物。这些沉淀物的一部分粘结在热负荷较大的受热面上，形成坚硬或松软的水垢；另一部分则悬浮在炉水中，随炉水循环而流动，当受热面处水循环不良、流速降低时，则沉积在受热面上形成二次水垢，或者沉积于流速本来就不高的锅筒、联箱下部，形成泥垢，随定期排污而排除炉外。

1.2 水垢的导热系数

人们最关心的是水垢的导热系数，因为导热系数的大小直接影响到锅炉的效率，甚至严重危及锅炉的安全运行或缩短锅炉的使用寿命。水垢的成分相当复杂，有碳酸盐、硅酸盐及其混合物等。它们的形态也各不一样，有的坚硬，有的松软，有的呈粉末状，有的显鳞片状。但是，无论何种水垢，它的导热系数都比金属低得多，一般为0.058～5.8(瓦/米·℃)。金属钢管的导热系数比水垢的导热系数大6～1000倍。但是，上述给出的水垢导热系数的范围太宽，要比较准确地确定水垢厚度与锅炉热效率下降的关系，必须知道水垢导热系数的确切数值。中国科学院力学所曾对蒸汽锅炉上的10根试件的导热系数进行了测定，其值在0.05至0.28(瓦/米·℃)之间， 同时，还测定了水垢导热系数随温度变化的情况：如图1所示。

图1 水垢导热系数与温度的关系

在200 ℃以下范围内，基本是一个常数，不随温度而变化。对锅炉样品同时作了成分分析，水垢中所含SiO2的成分占12～15%，接近硅垢。根据一些水垢导热系数的资料表明，SiO2是导致水垢导热系数下降的主要原因。表1所列的水垢成分与导热系数的数据，可作为分析计算除垢节能效果的参考。

表1各类水垢的特性

我国中小型锅炉水垢成分，因各地水质和对锅炉用水的处理方法不同而有显著差别。计算除垢的节能效果时，应该首先分析水垢成分，再根据表1给出的水垢类型，确定合理的导热系数。

2 水垢的危害

工业锅炉受热面内部无论积存何种性质的水垢都是有害的。其危害性有以下几点：

(1)增加锅炉的煤耗量,当锅炉内部表面结有水垢时，增加了传热的阻力。为了保持受热面的蒸发程度，就要多供给热量，增加锅炉的煤耗量。

(2)降低受热面的金属强度,钢材的机械强度随温度的升高而降低，当锅炉受热面内表面结有导热性差的水垢时，受热面不能很快被炉水冷却，则易产生钢材局部过热、变形、龟裂甚至爆破事故。

(3)降低锅炉的利用率,由于水垢的生成，需要定期清除水垢或处理事故，势必造成停产，给工业生产带来直接影响。

(4)缩短锅炉使用寿命,水垢的生成导致热交换管工作温度的升高，使锅炉管火侧的氧化加剧，使用寿命缩短。同时，不严格的化学清洗或机械除垢都会使锅炉管遭到损坏，以致缩短锅炉使用寿命。

(5)增加了燃煤对大气的污染,由于水垢的生成，使锅炉热效率下降，导致排烟热损失增加。与无垢锅炉相比，它要排放出更多的烟尘，二氧化硫以及其他有害物质，使大气受到更加严重的污染。水垢的存在，对大气污染将造成更严重的后果。

3 除垢的节能效果概算

为评价中小型锅炉除垢、防垢的节能效果，并为正确的技术经济评价提供依据，下面从锅炉的热平衡入手，研究水垢在热平衡中对哪些量产生影响，提出以下合理的假设和数学模型，并给出简易可行的概算方法。

3.1 锅炉的热效率

锅炉在稳定热力状态下的热平衡方程，对于每公斤燃料有：

Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

(1)

或用输入热量的百分率表示：

100%=q1+q2+q3+q4+q5+q6

(2)

其中，q1=(Q1/Qr)×100%；q2=(Q2/Qr)×100%。

式中，Qr为输入锅炉的热量[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q1为锅炉有效利用热量[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q2为排烟热损失[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q3为化学不完全燃烧热损失[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q4为机械不完全燃烧热损失[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q5为外部冷却的散热损失[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]；Q6为灰渣的物理热损失[千卡/公斤]或[焦耳/公斤]。

锅炉效率是锅炉的有效利用热量占输入热量的百分比：

ηgL=q1=(Q1/Qr)×100%

(3)

或写成：

ηgL=q1=100-(q2+q3+q4+q5+q6)%

(4)

现对方程(1)中各项进行分析：

输入锅炉的热量Qr由燃料的低位发热量和燃烧带入的物理热(即用外来热量加热空气时，相应于每公斤燃料所带来的热量以及用蒸汽雾化重油时蒸汽带入锅炉中的热量)构成。

机械未完全燃烧热损失Q4是锅炉的主要热损失之一，通常仅次于排烟损失。影响这项损失的主要原因有燃料性质、过量空气系数、燃烧方式、炉膛结构、炉膛热负荷以及运行情况等。

化学不完全燃烧热损失Q3主要是由于化学反应不完全，使烟气中含有一氧化碳、氢、甲烷等可燃气体造成的热损失。它与过量空气系数、炉膛温度、燃料与空气混合情况等因素有关。一般Q3比Q4、Q2要小得多。

排烟热损失Q2是锅炉热损失中最大的一项。排烟温度升高时，排烟热损失增加。燃料的性质也直接影响到排烟热损失。炉膛燃烧所用的过量空气系数以及沿烟气行程各处烟道的漏风都会影响排烟热损失。尤其是所有传热面的效率降低导致传热量的减少，更使排烟温度升高，排烟热损失增加。

灰渣的物理热损失Q6与锅炉的排渣率、炉渣的平均比热及温度有关。

上述各项热损失主要是由于在锅炉内燃烧和传热不良引起的。燃烧效率、传热效率和锅炉效率也可直观地定义为：

燃烧效率=1-(不完全燃烧热损失+烟气中未燃部分热损失)/燃料的燃烧热

传热效率=(锅炉蒸汽的有效热-给水的湿热)/(燃料的燃烧热-不完全燃烧热损失-烟气中未燃部分热损失)

3.2 水垢对锅炉热效率影响的概算方法

从上述热平衡看出，水垢沉积在受热面内壁时，由于水垢的导热系数为钢铁的1/6～1/1000，增加了从烟气到水蒸汽的传热热阻，导致换热器(水冷壁、过热器、省煤器)效率下降，而使锅炉的有效利用热量减少，排烟热损失增加。若用相对百分比的概念来分析水垢对中小型锅炉效率下降的影响，则更直观、形象。

我们假设：

(1)水垢的生成与由于燃烧的不完全而导致的锅炉效率下降无关。也就是燃烧效率不变。

1.3 观察指标 分析两组患者术中出血量、手术时间、术后排气时间、术后拔管时间、术后腹腔引流量、进食时间、住院时间。于手术前后抽取两组患者5 ml的空腹静脉血，以转速3 000 r/min离心15 min。分离血清后，提取上清液，使用酶法检测血清胆红素(total bilirubin，TBIL)、间接胆红素(indirect bilirubin，IBIL)水平。采取干化学法检测碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、淀粉酶(amylase，AMY)水平。

(2)与水垢生成无关的热损失不变，即锅炉的外部冷却热损失及灰渣的物理热损失不变。

(3)锅炉在稳定热力状态下工作。

(4)假定无水垢时，构成锅炉整体的各部分换热器的效率为100%。

(5)大型电厂锅炉有严格的水处理设备，一般不存在结垢问题。对于此种类型锅炉，由炉膛直接辐射而得到的蒸汽有效热比由燃烧后产生的高温烟气的对流和辐射使锅炉得到的蒸汽有效热要小得多。所以假定锅炉蒸汽有效热完全是由对流受热面得到的。

(6)中小型工业锅炉有的没有省煤器，有的省煤器获得的有效热所占的比例很小。因此，可以忽略水垢对省煤器传热效率的影响。

这样水垢导致锅炉效率下降的问题就变成为水垢导致换热器效率下降的问题了。由传热方程式、热平衡方程式等可以推导得到下列方程式，它便于概算水垢导致中小型锅炉效率下降和耗煤率的增加。

(5)

(6)

(7)

t1S″=t2+t(t1′-t2)e-KsF/CP1

(8)

(9)

式中，Q，Qs为无垢与有垢时单位时间由烟气传给水蒸汽的热量[千卡/时]或[焦耳/时]；K，Ks为无垢与有垢时由烟气到蒸汽(或水)的总传热系数[千卡/时]或[焦耳/时]；t1，t1S为无垢与有垢时烟气的平均温度[℃]；t1′，t1S′为无垢与有垢时烟气的进口温度[℃]；t1″，t1S″为无垢与有垢时烟气的出口温度[℃]；t2为锅炉蒸汽温度[℃]；α1为烟气对管壁的放热系数[千卡/米2·时·℃]或[瓦/米2·℃]；δSg为水垢的厚度[毫米]；λSg为水垢的导热系数[千卡/米·时·℃]或[瓦/米·℃]；ε为烟管的灰污系数[米2·时 ·℃/千卡]或[米2·℃/瓦]；F为换热面积[米2]；G为烟气的质量流量[公斤/时]；CP1为烟气的比热[千卡/公斤 ·℃]或[焦耳/公斤·℃]；ΔB为结垢后锅炉每小时耗煤增加量[公斤/时]；B为无垢时锅炉每小时耗煤量[公斤/时]；ηs为有垢时锅炉的热效率[%]。

从方程(8)、(5)可以看到,对于烟气流量大,而换热面积小的中小型锅炉,由于温压上升而得到回收的热量可以忽略不计。即:

当t1S-t2≈t1-t2时

(10)

根据水垢的成分,确定其导热系数,α1值可取平均数分别为：汽锅管束为20～40(千卡/米2·时)，过热器为20～25(千卡/米2·时)，省煤器为12～20(千卡/米2·时)。对于ε可按如下取值:当燃用气体燃烧时，ε=0，燃用重油时，ε=0.006(米2·时 ·℃/千卡)，燃用不结渣煤时，ε=0.005～0.007(米2·时 ·℃/千卡)。再把锅炉水垢的平均厚度等参数代入方程(6)，则可概算出锅炉效率下降的相对值。然后由方程(9)可以概算出结垢的锅炉燃料的相对增加率。较精确一点的概算，则按方程(5)来计算。卧式内燃链条锅炉燃料增加率与水垢厚度的关系如图2所示，曲线表明随着水垢厚度的增加其燃料消耗的增加率成直线上升。

图2 卧式内燃链条锅炉λSg=0.58[瓦/米·℃]水垢厚度与燃料损失的关系

4 除垢的节能效果试验

4.1 锅炉热效率的简易测定

经过除垢后的锅炉，人们会感到它比清洗前好烧了。也就是锅炉达到额定工况所需的时间缩短了，耗煤量也减少了。或者烧同样多的煤，则比清洗前出力增加了。这些现象都说明除垢的节能效果，经过热效率试验，得到科学数据，才能较准确的确定除垢的节能效果。我们从方程(9)可以知道，只要测定锅炉在化学清洗前后的热效率，就可以得到除垢前比除垢后燃料消耗的增加率。若已知锅炉出厂时的额定效率，则除垢后的效率试验也是检验除垢是否彻底的一种手段。

从前述方程(1)(2)(3)知道，锅炉在运行中其热量的收支是平衡的。锅炉热平衡的形式可直观地用文字表示：

燃料燃烧放出的全部热量=产生蒸汽所用的热量

+各种热损失的总和

为了便于比较各种锅炉的热效率，在计算热平衡与热效率时，均以每公斤燃料量为计算基础。即在每公斤燃料发热量为100%热量基础上，衡量产生蒸汽所用的热量，各种损失所消耗的热量，各占燃料发热量的百分比值，这就是方程式(4)所表达的意思。

直接测出锅炉有效利用热量(即产生蒸汽所利用的热量)、每小时耗煤量和煤的低位发热量，通过计算得出的效率，称为锅炉的正平衡热效率。反之，直接测出和计算出锅炉的各项热损失，所得出的效率称为锅炉的反平衡热效率。正、反平衡两种热效率的测定方法各有优缺点。正平衡的方法使用仪器较少，试验简单，但误差较大，且不能根据测定的数据针对性地采取措施，来提高热效率。而反平衡法所用计量器具、各种仪表较多，但能够根据各项热损失的多少，提出相应采取的措施，以提高锅炉效率。对于中小型工业锅炉，一般采用正平衡的方法求得锅炉的效率。

正平衡效率可采用下式计算：

小型锅炉蒸发量D的测定，一般采用测量锅炉给水量的办法。对于间断给水的锅炉，可采用两个水箱交替使用的办法，最后根据水箱的耗水量，得出锅炉的实际蒸发量。对于连续给水的锅炉，应根据锅炉的容量，在给水入口处安装水流表或在蒸汽出口处安装蒸汽流量计。为了使给水量与蒸发量一致，应注意给水管路及阀门不应有任何泄漏，连续排污阀与定期排污阀应关闭严密，不进行排污。在试验前应认真校验水流量表与蒸汽流量计，其误差不超过±0.5%～2%，才可使用。

蒸汽热焓i″的测定：对于无过热器锅炉，应根据锅炉压力，由饱和蒸汽性质表查出；对于有过热器锅炉应根据试验期间锅炉压力与过热蒸汽温度，由过热蒸汽表查出。

汽化潜热γ可根据锅炉工作压力，由饱和蒸汽性质表查出。

蒸汽湿度ω。即无过热器锅炉蒸汽中所含水分的重量百分数。工业锅炉常用的测量湿度的方法是，利用对蒸汽的采样进行碱度化验，当饱和蒸汽中不包含有水分时(即为干饱和蒸汽)，则采样中就没有碱性反应。若含有水分时，则采样就出现碱性反应。碱度越大，蒸汽湿度越大。蒸汽湿度值可由下式计算：

蒸汽湿度=(蒸汽碱度/炉水碱度)×100%

在实测蒸汽湿度时，要注意在靠近锅炉主汽阀的位置装设蒸汽取样器。采样时间一般应为15～20分钟一次。若试验期间负荷变化太大，为提高其平均值的准确性，则应适当缩短采样时间。如没有条件安装取样器的大水容量锅炉，也可选用表2中的经验值。对于蒸汽空隙较小，蒸发量较大的锅炉，蒸汽湿度较高。

耗煤量B是在试验期间锅炉每小时的平均耗煤量。具体测量时，应在试验开始时，称量并记录所用煤量，直到试验结束。然后求出每小时的平均耗煤量。

为了测量准确，在实验前,应由专人将煤仓储量，炉排燃烧情况，

表2几种锅炉蒸汽湿度参考表

煤层厚度，清炉后多长时间开始试验等情况一一作好记录。并要求在试验结束前，以上各项内容均应与试验开始时的水平基本一致，以免由于基本情况出入较大使耗煤量产生误差。试验时间越长，这种由于基本情况的出入带来的误差影响就会越小。

煤的低位发热量QD，是通过一定重量煤的燃烧，用测热器量出。一般是用氧弹式测量。也可以根据煤质成分经过计算。求出煤的低位发热量。在用测热器或分析煤质成分时，均需对煤进行采样，煤样一定要具有代表性。

4.2 热效率试验中的注意事项

除垢前后进行正平衡热效率试验时,应注意以下几点：

试验前，应进行人员的组织，讲清试验的目的、意义及具体要求，使每个具体参加试验的人员明确自己的责任。为保证试验的准确性及人员的熟练操作，可在正式试验前进行预演。试验开始时间应在冷炉生火48小时后。试验前应正式带动较稳定负荷2小时以上，且在整个试验中，负荷稳定、波动范围不应超过±10%。

试验前应做好排污，冲洗水位表、吹灰等工作，所有工作仪表都要进行标定。试验期间不应再进行上述工作。试验开始与结束时，煤仓储煤量、煤层厚度、燃烧状况、清炉及试验开始与结束时间、水位高低、压力大小等均应保持一致，以保证试验的准确性。试验期间要正确记录各种数据，记录时应在同一时间内进行，一般以间隔20～30分钟记录一次为宜。试验期间除应记录各种必要数据外，在有条件时应记录排烟温度、炉膛温度、灰渣及飞灰含炭量、省煤器前后烟温、 水温、烟气的分析结果等数据，以便进行综合分析。除垢前后的热效率试验，应在同一煤种，同一压力下进行，以便对比试验结果，保证试验的可靠性。被试验锅炉的炉墙应保证严密，以免造成大量冷空气入炉，形成较大的空气过剩系数，影响热效率。除垢前后的热效率试验中，要求燃烧情况良好，并保证除垢前后尽可能一致，以准确测定水垢对锅炉热效率的影响。

5 工业锅炉防垢方法的选择

要保证锅炉长期维持较高的热交换效率，做到合理消耗燃料和随时处于安全状态下工作，就必须搞好锅炉的水处理工作，做到锅炉防垢。目前锅炉防垢技术主要由化学除垢、磁场防垢、超声波防垢、声学防垢、物理方法协同防垢等等。(化学除垢仅仅只是一种水处理的辅助性工作)

锅炉用水质量的好坏，直接影响着它们的安全经济运行。没有可靠的、有效的防垢措施的锅炉，根据国家技术监督部门的有关规定，是不允许投入运行的。

锅炉的种类繁多，参数不同，结构各异。不同类型的锅炉对给水水质有不同的要求；不同的防垢方法和设备适用于不同的原水水质和制备不同质量的锅炉用水。由于我国地域广阔、水源水质各不相同以及设备、各使用单位的人员素质和技术管理水平的差异，因此，锅炉防垢方法的选择，也应根据各地区、各单位和水源的具体情况进行分析和探讨，因炉、因水、因地制宜，不能一概而论。既要考虑技术的先进性、运行的经济性和设备的可靠性，又要根据锅炉的结构、参数、水源水质及给水的水质指标，选择适当的防垢方法和设备。相同类型的锅炉，在不同的地区，可以采用不同的防垢方法和设备；不同类型的锅炉在同一地区、使用同一水源时，也可以采用相同的防垢方法和设备。作为锅炉房管理人员，对这些问题必须要有明确的认识，掌握其中的相互关系，才能恰当地选择适用的锅炉防垢方法和设备。

6 结束语

总而言之，锅炉防垢是关系到锅炉设备安全、经济运行的重要工作，尤其在节约能源方面关系极大。锅炉水质处理效果如何，在很大程度上取决于防垢处理的普及和提高。因此，各地企业主管部门、锅炉安全监察部门及各有关部门应互相支持并配合搞好锅炉的防垢节能工作。