張晶晶，趙輝

(杭州市特種設(shè)備檢測研究院，浙江 杭州 310003)

工業(yè)鍋爐水處理及節(jié)能監(jiān)管

張晶晶，趙輝

(杭州市特種設(shè)備檢測研究院，浙江 杭州 310003)

工業(yè)鍋爐水處理不當(dāng)會造成熱量損失，浪費(fèi)能源。為了節(jié)約能源，本文從鍋爐結(jié)垢、冷凝水回收及過量排污等方面著手，對水垢形成機(jī)理及水垢形成數(shù)學(xué)模型構(gòu)建進(jìn)行了研究，對冷凝水排放造成的熱損失及給水水質(zhì)不良而過量排污導(dǎo)致的熱損失進(jìn)行了分析，總結(jié)出可以從防止結(jié)垢以提高鍋爐熱效率，回收凝結(jié)水以提高熱利用率，減少和回收排污熱以減少排污熱損失等三方面提出節(jié)能措施。最后對做好水處理工作及節(jié)能監(jiān)管提出了相應(yīng)的對策。

工業(yè)鍋爐；水處理；節(jié)能；監(jiān)管；水垢

0 前言

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示,截至2008年底，全國共有鍋爐57萬多臺，其中鏈條鍋爐是中國工業(yè)鍋爐燃燒設(shè)備的主要方式，約占中國工業(yè)鍋爐產(chǎn)量臺數(shù)的60%，固定爐排鍋爐約占30%[1]。我國工業(yè)鍋爐量大面廣，平均容量小，且以燃煤為主，工業(yè)用煤 80%用于工業(yè)鍋爐燃燒，年耗煤量達(dá)3.5～4億tce標(biāo)準(zhǔn)煤[2]。我國工業(yè)鍋爐實(shí)際運(yùn)行熱效率只有65%左右，而工業(yè)發(fā)達(dá)國家的燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行熱效率平均為80%～85%[3-4]。以上數(shù)據(jù)，既說明我國能源綜合利用水平與世界先進(jìn)國家相比有明顯差距，也說明工業(yè)鍋爐的節(jié)能潛力巨大?！吨袊鴩窠?jīng)濟(jì)和社會發(fā)展十一五規(guī)劃綱要》將工業(yè)鍋爐技術(shù)進(jìn)步列為節(jié)能工作的重要內(nèi)容；國家發(fā)改委制定的《節(jié)能中長期專項(xiàng)規(guī)劃》中，已將燃煤工業(yè)鍋爐(窯爐)改造列為“十一五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程之首[5]。

工業(yè)鍋爐爐水擔(dān)負(fù)著傳遞能量的重要作用，水處理不當(dāng)將造成鍋爐的熱損失，熱損失主要由以下三個(gè)方面組成：(1)鍋爐結(jié)垢造成的燃料浪費(fèi)；(2)鍋爐冷凝水排放造成的熱損失；(3)鍋爐給水水質(zhì)不良而過量排污導(dǎo)致的熱損失。因此，工業(yè)鍋爐水處理節(jié)能研究及監(jiān)管措施應(yīng)圍繞以上熱損失展開，即：防止結(jié)垢以提高鍋爐熱效率；回收凝結(jié)水以提高熱利用率；減少排污量和回收排污熱以減少排污熱損失。

1 鍋爐結(jié)垢造成的燃料浪費(fèi)

水垢對鍋爐的安全運(yùn)行危害很大，而且還導(dǎo)致浪費(fèi)大量的燃料，其根源是水垢的導(dǎo)熱性能太差。表1所示為鋼材和各種類型水垢導(dǎo)熱系數(shù)的對比。由表1可知，鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)比水垢大很多，最高可達(dá)1 000多倍。

表1鋼材和各類型水垢導(dǎo)熱系數(shù)的對比

名稱 導(dǎo)熱系數(shù)λ/W·m-1·℃-1水垢特性鋼材 46．40～69．60-氧化鐵垢 0．116～0．232堅(jiān)硬硅酸鹽水垢0．058～0．232堅(jiān)硬硫酸鈣水垢0．58～2．90堅(jiān)硬和致密碳酸鈣水垢0．58～6．96結(jié)晶型硬垢，非晶型軟垢

圖1 不同厚度下水垢種類與鍋爐熱損失關(guān)系

水垢嚴(yán)重阻礙傳熱，熱量不能迅速傳遞到爐水中，造成排煙溫度升高，燃料大量浪費(fèi)。圖1所示為在不同厚度的情況下，水垢種類與熱損失的關(guān)系。由圖可見當(dāng)水垢厚度達(dá)1 mm時(shí)，幾種水垢導(dǎo)致的熱損失達(dá)到了7%～10%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國有工業(yè)鍋爐54萬多臺，2006年全國工業(yè)鍋爐共耗煤約6億多t[6]，按水垢平均多消耗5%燃料計(jì)，我國每年因工業(yè)鍋爐結(jié)垢導(dǎo)致多耗燃煤3 000～4 000萬t。

1.1 水垢形成機(jī)理研究

雖然水垢在工業(yè)鍋爐內(nèi)隨處可見(如圖2所示)，但從鍋水中析出形成污垢的過程和機(jī)理一直不確定，相關(guān)研究也較少[7-9]，這樣就影響到采用有效方法抑制結(jié)垢或除垢。因此，要進(jìn)一步加深對水垢生成基本規(guī)律的認(rèn)識，把握多種因素對水垢形成的影響。

圖2 工業(yè)鍋爐常見結(jié)垢部位

為了系統(tǒng)研究工業(yè)鍋爐結(jié)垢的形成規(guī)律，本文建立鍋水結(jié)垢模擬試驗(yàn)平臺。試驗(yàn)平臺由電加熱系統(tǒng)、泵壓系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)和測厚系統(tǒng)組成。試驗(yàn)采集鍋爐中的高硬度循環(huán)水來研究結(jié)垢規(guī)律。試驗(yàn)臺采用電加熱帶纏繞在特制水冷壁管外表面加熱，模擬鍋內(nèi)高溫，促使高硬度循環(huán)水在較短時(shí)間內(nèi)在加熱表面沉淀結(jié)垢。高硬度水在水泵的推動下循環(huán)，可在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)水垢的形成，以便開展實(shí)驗(yàn)研究。通過測量管表面溫度變化，計(jì)算內(nèi)壁沉淀水垢的熱阻變化，進(jìn)而測算管內(nèi)表面水垢形成的規(guī)律。

圖3 鍋爐管壁結(jié)垢試驗(yàn)平臺

1.2 水垢形成機(jī)理數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

目前關(guān)于鍋爐水垢形成機(jī)理數(shù)學(xué)模型的研究比較零散，涉及水垢的研究范圍也很窄(水垢熱導(dǎo)率因其化學(xué)成分和存在狀態(tài)特征的不同，而有很大差別，就是同一種水垢，疏松多孔的也比致密堅(jiān)硬的水垢熱導(dǎo)率要小得多)，并未形成完整的研究體系。因此建立水垢形成機(jī)理數(shù)學(xué)模型勢在必行。

邊界層的厚度與鍋水在鍋內(nèi)的流動狀態(tài)有關(guān)。流體力學(xué)理論認(rèn)為，雷諾數(shù)Re≤2 230時(shí)，流體在管內(nèi)呈層流狀態(tài)；當(dāng)雷諾數(shù)Re≥4 000時(shí)，流體在管內(nèi)呈湍流狀態(tài)。只有形成湍流狀態(tài)，才能獲得較薄的邊界層，才能達(dá)到強(qiáng)化傳熱、降低邊界層溫度的目的。而要使雷諾數(shù)Re≥4 000，則要保證一定的鍋水流速。

圖4所示為鍋水在鍋內(nèi)流動受熱簡化模型。根據(jù)邊界層傳熱理論[10]，可得到二維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源的邊界膜層換熱微分方程組為

連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

換熱方程

(4)

式中x——平行于壁面方向;

y——垂直于壁面方向；

u、v——x、y方向的速度分量；

ρ——流體的密度；

p——?jiǎng)铀畨簭?qiáng)；

α——熱擴(kuò)散率；

t——溫度；

h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)；

Δt——溫差。

根據(jù)上述方程組，在已知鍋水主體溫度及物性參數(shù)下，可以求出邊界膜層的換熱系數(shù)，從而可求得邊界膜層的最高膜溫t3。

基于結(jié)垢過程是反應(yīng)動力學(xué)控制，即結(jié)垢速度主要與結(jié)垢反應(yīng)溫度T(鍋水的膜溫t3)有關(guān)，可得出結(jié)垢速度為

(5)

式中V——結(jié)垢速度；

C1——結(jié)垢母體濃度；

n——反應(yīng)級數(shù)；

A——指前因子；

E——活化能；

R——通用氣體常數(shù)；

T——結(jié)垢反應(yīng)溫度。

根據(jù)結(jié)垢速度可以確定鍋水結(jié)垢厚度與時(shí)間的關(guān)系。通過水垢形成機(jī)理數(shù)學(xué)模型的建立，能夠得到水垢形成理論數(shù)據(jù)，為有效抑制結(jié)垢或除垢等技術(shù)的研究提供理論依據(jù)。

圖4 鍋水在鍋內(nèi)流動受熱簡化模型

2 鍋爐冷凝水排放造成的熱損失

圖5 各類型鍋爐冷凝水排放造成損失情況

圖5所示為近三年對各類型鍋爐能效測試，得出的各類型鍋爐冷凝水排放造成損失情況。由該圖可知，凝汽式發(fā)電廠和供熱式發(fā)電廠水汽循環(huán)損失較為正常，工業(yè)蒸汽鍋爐水汽循環(huán)損失較大，平均冷凝水回收利用率僅為20%。若按工業(yè)蒸汽鍋爐總量50萬臺計(jì)，每臺鍋爐平均蒸發(fā)量為3 t/h，年平均運(yùn)行250天，平均冷凝水回水溫度90℃，補(bǔ)給水溫度20℃，溫差為70℃。每年冷凝水排放的熱損失為7 227萬tce標(biāo)準(zhǔn)煤。工業(yè)蒸汽鍋爐冷凝水回收利用率若提高至80%，則每年可節(jié)約5 425萬tce標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，工業(yè)鍋爐冷凝水回收節(jié)能潛力巨大。

圖6 各類型鍋爐排污率情況

3 鍋爐過量排污所導(dǎo)致的熱消耗

圖6所示為近三年對各類型鍋爐能效測試，得出的各類型鍋爐排污率的情況。由圖可知，工業(yè)鍋爐平均排污率最高，為l5%。工業(yè)鍋爐和以軟化水為補(bǔ)給水的供熱式自備電廠鍋爐平均排污率均超過了有關(guān)技術(shù)規(guī)定。若工業(yè)鍋爐排污率能控制在5%左右，則每年可節(jié)約1 162萬tce標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，工業(yè)鍋爐排污節(jié)能潛力巨大，同樣減排工作十分艱巨。

4 工業(yè)鍋爐水處理不當(dāng)原因

4.1 結(jié)垢速率較高原因

(1)水處理設(shè)備選型不當(dāng)或存在缺陷；

(2)水處理設(shè)備操作不當(dāng)；

(3)沒有定期進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)并及時(shí)調(diào)整水質(zhì)；

(4)水源水質(zhì)惡化，原有水處理設(shè)備出水水質(zhì)達(dá)不到要求；

(5)水處理作業(yè)人員素質(zhì)較差；

(6)使用單位和相關(guān)部門對水處理重視不夠；

(7)監(jiān)管不到位，水質(zhì)檢測不合格沒有處罰處理依據(jù)等。

4.2 冷凝水回收率較低原因

(1)沒有設(shè)計(jì)冷凝水回收裝置；

(2)業(yè)主不愿意增加冷凝水回收裝置的投入；

(3)沒有采取相應(yīng)的水處理措施，導(dǎo)致冷凝水不合格，而無法回收利用；

(4)由于蒸汽系統(tǒng)和冷凝水系統(tǒng)存在著CO2腐蝕，當(dāng)回水再使用時(shí)，由于鐵離子對測定硬度有干擾，誤將硬度合格的回水判定為不合格而排放掉；

(5)回收裝置設(shè)計(jì)不合理，熱能沒有有效利用等。

4.3 排污率過高原因

(1)水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)沒有根據(jù)水源水質(zhì)選擇水處理方式，導(dǎo)致給水溶解固形物較高；

(2)近年來枯水季節(jié)水源受海水倒灌的影響，水源水質(zhì)逐年劣化，鍋爐排污率有不斷上升之勢；

(3)水處理設(shè)備選擇不當(dāng)或操作失誤，再生廢液進(jìn)入鍋爐；

(4)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽用于生產(chǎn)后冷凝水回收率普遍較低，不能有效降低給水溶解固形物；

(5)使用單位沒有按要求化驗(yàn)水質(zhì)，盲目排污；

(6)水處理作業(yè)人員通常錯(cuò)誤采用增大排污的方式，以達(dá)到降低鍋水堿度和pH值等。

5 做好水處理及節(jié)能監(jiān)管工作

5.1 結(jié)垢速率較高的對策

減少鍋爐結(jié)垢應(yīng)本著“預(yù)防為主，除垢為輔，防除結(jié)合”的原則。減少鍋爐結(jié)垢應(yīng)設(shè)三道“防火墻”。即：提高水處理作業(yè)人員和管理人員的素質(zhì)，同時(shí)還必須加大檢測和監(jiān)督力度；因爐因水合理選擇水處理方式，確保鍋爐水質(zhì)合格；鍋爐水垢超標(biāo)時(shí)，鍋爐應(yīng)停運(yùn)進(jìn)行化學(xué)清洗。

5.2 冷凝水回收率低的對策

(1)制定冷凝水回收技術(shù)規(guī)范，使設(shè)計(jì)單位有章可循，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的有效利用冷凝水的熱能；

(2)對冷凝水回收利用的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行大力宣傳和普及教育；

(3)加強(qiáng)水汽循環(huán)系統(tǒng)處理措施，提高冷凝水回收率；

(4)對可能造成冷凝水的污染物進(jìn)行化驗(yàn)監(jiān)督;

(5)加強(qiáng)科研，提高防止冷凝水被生產(chǎn)工藝介質(zhì)污染的手段；

(6)“對癥下藥”，減緩蒸汽管道、換熱設(shè)備、回水管道等腐蝕；

(7)推廣使用先進(jìn)的冷凝水回收工藝和裝置。

5.3 排污率過高的對策

(1)制定工業(yè)鍋爐水處理設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能降低給水中的溶解固形物；

(2)改善補(bǔ)給水水質(zhì)，水源水質(zhì)較差或海水倒灌嚴(yán)重的地區(qū)，鍋外水處理應(yīng)盡量采用反滲透、電去離子軟化等能夠降低補(bǔ)給水溶解固形物的設(shè)備；

(3)提高冷凝水的回收率；

(4)科學(xué)排污，根據(jù)分析化驗(yàn)結(jié)果，控制排污量，即有效降低鍋水溶解固形物，又要防止過量排污造成能量的浪費(fèi)：

(5)防止再生殘液進(jìn)入鍋爐，軟化器再生后應(yīng)徹底將再生殘液清洗干凈，淘汰容易造成再生殘液漏進(jìn)鍋爐的水處理設(shè)備；

(6)鍋水堿度pH超標(biāo)時(shí)，應(yīng)加降堿性藥劑調(diào)節(jié)處理。

6 結(jié)論

綜上所述，鍋爐結(jié)垢、冷凝水回收率低、排污率過高等均對鍋爐熱效率有較大影響，工業(yè)鍋爐水處理節(jié)能應(yīng)從這三個(gè)方面著手。特種設(shè)備監(jiān)察機(jī)構(gòu)和檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)督和水處理設(shè)備的檢驗(yàn)工作，進(jìn)一步加強(qiáng)使用單位水處理工作規(guī)范性；同時(shí)，使用單位應(yīng)提高水處理人員節(jié)能意識和作業(yè)水平，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐節(jié)能、安全運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。

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ApplicationResearchonWaterTreatmentandEnergyEfficiencySupervisionofIndustrialBoiler

ZHANGJing-jing,ZHAOHui

(HangzhouSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Hangzhou310003,China)

Industrial boiler water treatment can cause loss of heat and waste of energy. In order to save energy, this article studied the formation mechanism of scale,the mathematical model of scale formation,heat loss caused by the no recovery condensed water and the poor quality of water which leads to excessive sewage. So we can improve the thermal efficiency of the boiler by preventing fouling and improve the thermal utilization by recovering condensed water.We can also reduce the sewage heat loss by reduction and recycling of sewage heat . Finally, the corresponding countermeasures for water treatment and energy conservation supervision are put forward.

industrial boiler;water treatment;energy efficiency;supervision;scale

2014-04-29修訂稿日期2014-07-02

浙江省質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)重大科研計(jì)劃項(xiàng)目(20110108)。

張晶晶(1983～)，女,工程碩士研究生，研究方向?yàn)殄仩t介質(zhì)分析與節(jié)能措施。

TK229

A

1002-6339 (2014) 06-0548-05