萬(wàn)昌財(cái)　劉汝超　王曉軍　薛仁雨

摘 要：向鍋爐水中加入阻垢劑的方式可防止鍋爐內(nèi)部發(fā)生腐蝕結(jié)垢問(wèn)題，保證鍋爐水質(zhì)運(yùn)行狀況良好，水質(zhì)化驗(yàn)指標(biāo)基本在要求范圍內(nèi)。文章主要研究基于目前已確定的鍋爐加藥量和加藥周期基礎(chǔ)上，依據(jù)碳酸鹽結(jié)晶的誘導(dǎo)期，測(cè)算現(xiàn)有藥劑的平均藥齡，根據(jù)計(jì)算出的平均藥齡和誘導(dǎo)期為鍋爐加藥提出進(jìn)一步的改進(jìn)建議，提高阻垢劑的藥效。

關(guān)鍵詞：鍋爐水質(zhì) 最佳加藥量 結(jié)晶誘導(dǎo)期 平均藥齡

一、概況

鍋爐水處理系統(tǒng)目前除對(duì)原水進(jìn)行軟化除氧外，還采用向鍋爐爐水中加入阻垢劑的方式防止鍋爐內(nèi)部發(fā)生腐蝕結(jié)垢問(wèn)題。理論研究表明，一定濃度的阻垢劑在碳酸鹽過(guò)飽和溶液中可使碳酸鹽結(jié)晶速度減緩延續(xù)一定時(shí)間，這一時(shí)間段稱(chēng)為結(jié)晶誘導(dǎo)期，阻垢劑在鍋爐水系統(tǒng)中的逗留時(shí)間稱(chēng)為藥齡，而當(dāng)藥劑的平均藥齡與藥劑在碳酸鹽中的結(jié)晶誘導(dǎo)期一致時(shí)，藥劑的效果最佳。因此文章基于已確定的鍋爐加藥量和加藥周期基礎(chǔ)上，計(jì)算出現(xiàn)有藥劑在鍋爐爐水中的平均藥齡，依據(jù)碳酸鹽結(jié)晶的誘導(dǎo)期，通過(guò)調(diào)整鍋爐的排污量和上水量將所加藥劑的實(shí)際平均藥齡調(diào)整至與碳酸鹽結(jié)晶誘導(dǎo)期的時(shí)間接近或一致，提高所加藥劑的藥效，進(jìn)一步解決鍋爐內(nèi)部的結(jié)垢問(wèn)題。

二、第一凈化廠鍋爐系統(tǒng)結(jié)垢機(jī)理及影響因素分析

（一）鍋爐水系統(tǒng)結(jié)垢機(jī)理和影響因素分析

在鍋爐系統(tǒng)中，引起結(jié)垢的因素很多，如水中殘留的硬度成份和二氧化硅引起的水垢、腐蝕產(chǎn)物引起的金屬垢和給水中混入的有機(jī)物引起的有機(jī)垢等。這些水垢的生成，因其導(dǎo)熱系數(shù)比金屬小很多（見(jiàn)表1所示）而使傳熱顯著受阻，這不僅使鍋爐的熱效率降低，甚至影響鍋爐的出力；而且在結(jié)垢部位容易引起局部過(guò)熱，導(dǎo)致管材的機(jī)械強(qiáng)度降低（一旦傳熱面發(fā)生結(jié)垢，使傳熱面下金屬發(fā)生局部過(guò)熱時(shí)，當(dāng)管內(nèi)壁溫度超過(guò)350℃，則金屬的抗拉強(qiáng)度就會(huì)降低，在450℃時(shí)其抗拉強(qiáng)度就會(huì)減少到原來(lái)的50～60%左右），于是鍋爐管內(nèi)壁就會(huì)發(fā)生鼓包、破裂等事故，圖1為第一凈化廠鍋爐內(nèi)壁結(jié)垢實(shí)物圖。

（二）硬度、二氧化硅等引起的結(jié)垢機(jī)理

如式（1）、（2）、（3）所示，鍋爐都是以經(jīng)軟化后的原水作為給水，鍋爐水中殘存的硬度成份和二氧化硅等雜質(zhì)逐漸成為過(guò)飽和溶液，處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)鍋爐水在激烈沸騰或流動(dòng)狀態(tài)下與管壁沖刷時(shí)，鍋爐水中雜質(zhì)的過(guò)飽和狀態(tài)遭到破壞，開(kāi)始局部形成晶核，隨著晶核的產(chǎn)生，便有很多分子（確切的說(shuō)是陰、陽(yáng)離子）聚集在這些晶核上，使極小的微粒逐漸長(zhǎng)大，最后形成粗結(jié)晶體或無(wú)定性沉積物。這些沉積物或粘附在鍋爐的傳熱面上、或懸浮在鍋爐水中、或沉積在鍋爐的底部；另一方面，由于鍋爐水中的雜質(zhì)成份會(huì)隨著傳熱面上水的蒸發(fā)而殘留在壁面上，形成一層極薄的沉積層，在連續(xù)受熱的情況下，傳熱面上會(huì)不斷的進(jìn)行雜質(zhì)沉積和易溶鹽的溶解過(guò)程，最后就剩下那些難溶鹽類(lèi)物質(zhì)附著在傳熱面上而導(dǎo)致結(jié)垢。

在低壓鍋爐中，為防止因硬度成份和二氧化硅等在爐內(nèi)結(jié)垢，需要采取如下措施：

1、通過(guò)軟化裝置除去硬度成份；

2、使用阻垢劑、淤渣分散劑阻止垢物質(zhì)的形成和沉積；

3、加強(qiáng)鍋爐水的濃縮管理。

三、平均藥齡和結(jié)晶誘導(dǎo)期理論介紹

鍋爐所加藥劑的藥效取決于結(jié)晶誘導(dǎo)期和平均藥齡（或藥齡）這兩個(gè)關(guān)鍵因素，當(dāng)結(jié)晶誘導(dǎo)期和平均藥齡相等時(shí)，藥劑在這段時(shí)間內(nèi)能起到最佳阻垢、分散作用。理論研究表明，阻垢、分散劑并不阻止碳酸鹽的分解，阻止碳酸鹽結(jié)垢的機(jī)理主要在于它們通過(guò)晶格畸變作用和分散作用來(lái)控制垢沉積。如阻垢劑在水中不僅與鈣、鎂離子形成穩(wěn)定的螯合物，同時(shí)還能與碳酸鹽晶體界面上的鈣、鎂離子發(fā)生螯和作用，形成的螯和物占據(jù)了晶體正常生長(zhǎng)的晶格座位，形成不規(guī)則的小晶體，使晶體發(fā)生畸變，阻止或減緩了晶體的正常生長(zhǎng)。

但與此同時(shí)，在未被螯和的微晶界面會(huì)有晶體繼續(xù)生長(zhǎng)，一旦生長(zhǎng)部分逐漸把阻垢、分散劑分子復(fù)蓋起來(lái)時(shí)，晶體又將以不存在阻垢劑、分散劑時(shí)的同樣速度生長(zhǎng)。試驗(yàn)表明，一定濃度的阻垢劑在碳酸鹽過(guò)飽和溶液中可使結(jié)晶速度減緩延續(xù)一定時(shí)間，這一時(shí)間段成為結(jié)晶誘導(dǎo)期。在誘導(dǎo)期內(nèi)，只有很少的微晶析出。當(dāng)時(shí)間超過(guò)這一誘導(dǎo)期后，水中的晶體則以不存在阻垢、分散劑時(shí)同樣的速度生長(zhǎng)，因此只有當(dāng)藥劑的平均藥齡與結(jié)晶誘導(dǎo)期時(shí)間相等或一致時(shí)，所加藥劑的藥效才是最佳的。

在鍋爐水系統(tǒng)中，阻垢、分散劑和成垢物質(zhì)是不斷隨補(bǔ)水進(jìn)入系統(tǒng)的，同時(shí)又不斷隨排污排出系統(tǒng)。它們?cè)谙到y(tǒng)的停留時(shí)間通常由下式來(lái)計(jì)算：

由（4）式計(jì)算出的藥劑停留時(shí)間不是藥齡，也不是誘導(dǎo)期，它表示在系統(tǒng)確定水容量、排污量時(shí)，某一時(shí)刻投入的藥劑全部流出系統(tǒng)的時(shí)間。因?yàn)樗巹┻M(jìn)入鍋爐水系統(tǒng)后，由于排污及蒸發(fā)損失的水量，藥劑的濃度也逐漸降低。阻垢劑在鍋爐水系統(tǒng)中的逗留時(shí)間稱(chēng)為藥齡。成垢物質(zhì)在藥齡時(shí)間內(nèi)能穩(wěn)定處于系統(tǒng)的過(guò)飽和狀態(tài)中，這時(shí)藥齡等于誘導(dǎo)期。投加一批處理藥劑后，該藥劑濃度隨時(shí)間降低的濃度可用式（5）計(jì)算，據(jù)此式可求得系統(tǒng)中藥劑的藥齡。

由于在工業(yè)水處理中，通常采用間歇和連續(xù)兩種加藥方法。對(duì)間歇加藥系統(tǒng)，按式（5）可求得某一批藥劑在系統(tǒng)停留時(shí)間內(nèi)任一時(shí)刻的濃度，據(jù)此式算出的藥劑消耗速率，能求得藥劑的藥齡。但對(duì)于連續(xù)加藥系統(tǒng)，由于藥劑連續(xù)加入系統(tǒng)中，同時(shí)又隨排污不斷排出，因此鍋爐水水質(zhì)、藥劑在整個(gè)系統(tǒng)中的平衡是動(dòng)態(tài)的。所以藥劑的藥齡就不能按（5）式計(jì)算。必須計(jì)算系統(tǒng)到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)能維持過(guò)飽和度的藥劑平均停留時(shí)間，即平均藥齡。藥劑的平均藥齡可通過(guò)計(jì)算來(lái)確定。

平均藥齡的計(jì)算推導(dǎo)如下：據(jù)（5）式：，當(dāng)t=t1，即一天后，阻垢劑起始濃度降為：，同理求得第m天后，阻垢劑起始濃度降為：。

設(shè)每天補(bǔ)藥一次，當(dāng)t1=1天后，為保持系統(tǒng)中阻垢劑濃度C0，應(yīng)補(bǔ)入濃度為，。

當(dāng)運(yùn)行時(shí)間t2=2天后，第一天補(bǔ)入濃度下降為：同理可得當(dāng)t=m天時(shí)，第一天補(bǔ)入濃度應(yīng)降為：同樣可得第二天，第三天及第m-1天結(jié)束時(shí)補(bǔ)入濃度在運(yùn)行m天后其濃度降低值：、................、。

在m天結(jié)束時(shí)補(bǔ)入濃度降低為：。

由于在鍋爐水系統(tǒng)任何時(shí)間總是保持阻垢劑濃度為C0，所以在m天時(shí)可以列出下列式：

上式中每一項(xiàng)都有其對(duì)應(yīng)藥齡，等式兩邊都乘以對(duì)應(yīng)藥齡得：

把（10）式除C0得平均藥齡的計(jì)算公式為：

T——阻垢劑的平均藥齡，天；

tm——達(dá)到鹽平衡及藥劑物料平衡時(shí)的運(yùn)行天數(shù)，天；

為求tm把系統(tǒng)中離子平衡作為系統(tǒng)平衡的指標(biāo)，下面對(duì)鍋爐水系統(tǒng)離子作一物料平衡：

W——系統(tǒng)水中離子總重量，克；

C——系統(tǒng)中離子濃度，mg/m3；

B——排污水量，m3/h；

M——補(bǔ)充水量，m3/h；

V——系統(tǒng)中水量，m3；

Cm——補(bǔ)水中離子濃度，mg/m3；

顯然離子濃度隨補(bǔ)水增加而增大，隨排污減少而減小，隨蒸發(fā)而增大。離子濃度變化速率可用下面的微分方程表示：

t0——系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)間，小時(shí)；

C0——時(shí)間為t0時(shí)系統(tǒng)離子濃度，mg/m3；

經(jīng)t時(shí)間后，當(dāng)系統(tǒng)離子濃度達(dá)到處理要求濃縮倍數(shù)時(shí)，式（12）即為：

利用式（8）、式（13）即可求得阻垢劑的平均藥齡T。

四、鍋爐所加阻垢劑的平均藥齡測(cè)算

根據(jù)式（8）、（13）及表2的數(shù)據(jù)可算出鍋爐加入阻垢劑的實(shí)際平均藥齡：

將式（14）結(jié)果代入式（11）得：

由上述計(jì)算可得，目前該鍋爐所加阻垢劑的實(shí)際平均藥齡為12h左右。

五、調(diào)整平均藥齡所提出的具體建議

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，阻垢劑的濃度和其維持碳酸鹽的過(guò)飽和度的程度及時(shí)間有關(guān)。在一定濃度范圍內(nèi)，阻垢劑濃度越高，所能維持的過(guò)飽和度越大，所能維持一定過(guò)飽和度的時(shí)間也就越長(zhǎng)，即誘導(dǎo)期也就越長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，一定濃度下的有機(jī)膦酸鹽類(lèi)阻垢劑的誘導(dǎo)期一般在16-24h左右。而根據(jù)式（14）、（15）計(jì)算的實(shí)際平均藥齡分別為12h左右，鍋爐所加藥劑的實(shí)際平均藥齡小于其結(jié)晶誘導(dǎo)期，因此，需通過(guò)調(diào)整鍋爐供水系統(tǒng)的運(yùn)行工況調(diào)整藥劑的平均藥齡與結(jié)晶誘導(dǎo)期一致或接近，使藥劑的藥效達(dá)到最佳。

由式（8）和（13）可以看出，調(diào)整平均藥齡的關(guān)鍵是調(diào)整鍋爐供水系統(tǒng)的工藝參數(shù)，在阻垢劑濃度一定的條件下，即加藥量已經(jīng)確定，影響平均藥齡的關(guān)鍵因素是系統(tǒng)水容量即鍋爐容量、排污水量、鍋爐補(bǔ)充水量和鍋爐蒸發(fā)量這幾個(gè)因素。由于鍋爐容量為設(shè)計(jì)參數(shù)，不易改變，因此，鍋爐蒸發(fā)量與鍋爐排污量就成為兩個(gè)切實(shí)可行的調(diào)節(jié)因素。

根據(jù)平均藥齡的計(jì)算公式（8）、（13）可以看出，提高平均藥齡的主要方法為改變鍋爐排污量以及改變鍋爐蒸發(fā)量。因此，提出以下三種具體方案進(jìn)行分析：

1、在確保鍋爐水質(zhì)指標(biāo)合格的前提下，及鍋爐蒸發(fā)量不變的前提下，改變鍋爐的排污量，具體分析結(jié)果如下表3：

根據(jù)表3數(shù)據(jù)我們可以看出：

（1）鍋爐蒸發(fā)量確定時(shí)，降低鍋爐排污水量，鍋爐的平均藥齡均有所提高。

2、在確保鍋爐水質(zhì)指標(biāo)合格的前提下，及鍋爐排污量不變的前提下，改變鍋爐蒸發(fā)量，具體分析結(jié)果如下表4：

根據(jù)表4數(shù)據(jù)我們可以看出：

（1）鍋爐排污量確定時(shí)，降低鍋爐蒸發(fā)量，鍋爐的平均藥齡均有所提高。

（2）調(diào)整鍋爐蒸發(fā)量對(duì)阻垢劑平均藥齡的影響幅度要大于只調(diào)整鍋爐排污量時(shí)對(duì)阻垢劑平均藥齡的影響。

3、在確保鍋爐水質(zhì)指標(biāo)合格的前提下，適當(dāng)提升鍋爐蒸發(fā)量，適當(dāng)減少鍋爐排污量，具體分析結(jié)果如下表5：

根據(jù)表5數(shù)據(jù)我們可以看出：

（1）同時(shí)降低鍋爐蒸發(fā)量及鍋爐排污水量，鍋爐的平均藥齡均有所提高。

由上述分析，我們認(rèn)為，適當(dāng)降低鍋爐排污量可在一定程度上提高阻垢劑的平均藥齡，從而提高阻垢劑在鍋爐中的藥效，但同時(shí)，也可根據(jù)下游用戶(hù)的使用情況，及時(shí)調(diào)整鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷，從而降低鍋爐的蒸發(fā)量也可對(duì)阻垢劑的平均藥齡產(chǎn)生影響。

六、結(jié)論

綜上分析，我們認(rèn)為，通過(guò)調(diào)整低壓鍋爐的蒸發(fā)量和排污量可使阻垢劑的平均藥齡發(fā)生改變，并具體分析認(rèn)為，適當(dāng)降低鍋爐蒸發(fā)量和排污量可提高阻垢劑的平均藥齡，將阻垢劑的平均藥齡調(diào)整至接近碳酸鹽的結(jié)晶誘導(dǎo)期，更大程度提高阻垢劑的藥效。

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