廢熱鍋爐換熱管爆管事故分析及防止措施

沈文朋 王 蓉 張合生 蔡鵬山 李雪梅 楊麗君 張立燕

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

山東某甲醇廠使用的廢熱鍋爐是轉化氣廢熱鍋爐，此類廢熱鍋爐是甲醇、合成氨、制氫與煤制天然氣裝置中的關鍵設備之一。整個廢熱鍋爐系統包括廢熱鍋爐、汽包和中間連接的管系。轉化氣廢熱鍋爐的結構型式為臥式火管式，帶中心調溫管，管板為撓性薄管板結構。天華化工機械及自動化研究設計院有限公司是國內設計、制造廢熱鍋爐的專業廠家，類似結構型式廢熱鍋爐已在國內外成功應用了一百多臺(套)，這些廢熱鍋爐在運行過程中，僅有山東某甲醇廠轉化氣廢熱鍋爐出現了換熱管爆管現象，對該鍋爐檢查到修復的整個過程中可以看出，換熱管外部結垢堵塞是其爆管的主要原因，而造成結垢是因為用水水質不達標的緣故。為此，筆者著重介紹防止結垢的廢熱鍋爐用水指標和有效的水處理方法。

1 設備檢查情況及原因分析

山東某甲醇廠裝置停工后，將廢熱鍋爐的殼程筒體剖開，發現換熱管外部空間已經被污垢堵塞(圖1)，此處結垢破壞了正常的水循環，從而導致換熱管爆管。

廢熱鍋爐是一種熱交換設備，特別是火管式廢熱鍋爐，對水質的要求很高，無論其壓力、蒸發量和形式如何，合乎標準要求的水質則是廢熱鍋爐能夠安全可靠而穩定運行的主要因素。可以保證廢熱鍋爐能夠長時間正常運行，建立正常的汽水循環，保持廢鍋管束內管和內外管環隙間合適的流速，能及時與管外高溫的轉化氣換熱，降低管束壁溫度，降低超溫的危險。若不達標的水質，水中含鹽、硬度和含氧量較高，就會使廢熱鍋爐結垢、腐蝕和惡化蒸汽品質，影響廢鍋的傳熱和正常的汽水循環；使得換熱管和管板處在高溫的作用下腐蝕嚴重，強度降低，輕則會影響換熱效果、縮短廢熱鍋爐使用壽命，重則會造成爆管等事故。因此，嚴防結垢是廢熱鍋爐系統操作的一個關鍵環節。

圖1 廢熱鍋爐內部污垢堵塞情況

2 鍋爐用水指標

實踐證明，廢熱鍋爐的損壞是與水質問題有關的。因此就要對鍋爐用水進行處理，使其水質達到一定要求才能避免結垢甚至爆管的現象發生。

2.1 水質指標

水質指標通常包括溶解氧、懸浮物和硬度3個指標[1]。

2.1.1溶解氧

溶解氧是指溶解在水中的分子態氧,用每升水中氧氣的毫克數來表示。溶解氧是衡量水體自凈能力的一個依據，是一項關鍵的鍋爐給水指標，當給水中的溶解氧超出允許值時，不僅會造成水系統發生腐蝕，而且腐蝕產物被給水帶入鍋爐內，會導致受熱面的管壁結垢。所以，GB1576-2001標準規定汽包必須除氧，指標不大于0.1mg/L。

2.1.2懸浮物

懸浮物是指懸浮在水中的固體物質，包括不溶于水中的無機物、有機物、泥砂、黏土及微生物等。水中懸浮物含量既是衡量水污染程度的指標之一，也是造成水渾濁的主要原因。

如不先將水中懸浮物去除，勢必會影響處理鍋爐內部時加入藥劑的除垢作用。為了降低給水中懸浮物的含量(不大于3mg/L)，一般采取在處理過程中加裝鹽溶解器、過濾裝置等措施。

2.1.3總硬度

總硬度是指水中含有鈣、鎂離子的總濃度。其中包括碳酸鹽硬度(即通過加熱能以碳酸鹽形式沉淀下來的鈣、鎂離子，故又稱暫時硬度)和非碳酸鹽硬度(即加熱后不能沉淀下來的那部分鈣、鎂離子，又稱永久硬度)。暫時硬度經加熱之后可分解成沉淀物從水中除去，而永久硬度不能。

2.2 技術監督指標

鍋爐用水的主要技術監督指標有堿度、pH值和含鹽量。

2.2.1堿度

堿度是指水中所含能與強酸發生中和作用的全部物質，即能接受質子H+的物質總量。堿度常用來評價水體的緩沖能力，是用來判斷水質和水處理控制的重要指標。鍋爐中的水質保持適當的堿度，可以防止水垢生長，且減緩氧和二氧化碳對金屬的腐蝕。

2.2.2pH值

pH值是水溶液最重要的理化參數之一，為水中氫離子的總數與物質的總量之比，它表示溶液酸性或堿性程度的數值(中性水，pH=7；酸性水，ph<7，pH值越小，表示酸性越強；堿性水，ph>7，pH值越大，表示堿性越強)。

2.2.3含鹽量

水的含鹽量(也稱礦化度)是表示水中所含鹽類的數量。由于水中各種鹽類一般均以離子的形式存在，因此含鹽量也可以表示為水中各種陽離子的量和陰離子的量的總和。

3 鍋爐用水的水處理

水質處理的方法很多，大體分為爐外水處理和爐內水處理。

3.1 爐外水處理

鍋爐爐外水處理是預先除去廢熱鍋爐用水中的懸浮物、鈣與鎂離子化合物和溶于水中的其他雜質，使其達到鍋爐給水的水質標準。具體步驟如下：

a.混凝。向水中加入混凝劑等物質用以減弱或消除膠體顆粒的穩定性，使水中膠體顆粒凝結、變大。

b.沉淀。通過沉淀的方法將顆粒和水分開，顆粒沉入水底。

c.過濾。去除經混凝、沉淀等步驟后未清除的水中的懸浮雜質，使水進一步得到澄清。

d.軟化。采用天然或人造的離子交換劑,將鈣、鎂硬鹽轉變成不結硬垢的鹽，以防止鍋爐管子內壁結成鈣鎂硬水垢，該過程一般用于低壓鍋爐用水的軟化處理[2]。

污水經過混凝、沉淀、過濾和一期軟化處理后，雖然從外觀看水已清澈、透明，懸浮雜質極少，但對含鈣鎂重碳酸鹽且堿度較高的水，其硬度或堿度有時仍不能滿足廢熱鍋爐給水水質的要求，所以廢熱鍋爐給水在進行處理后，通常采用離子交換法來進一步去除以離子狀態存在于水中的雜質，使產生的游離酸與鈉離子交換后生成的堿中和，達到除堿的目的，以確保廢熱鍋爐安全經濟運行。

3.2 爐內水處理

雖然爐外給水的軟化處理可以有效地防止受熱面的結垢[3]。但由于需要投入較多的設備和人員以及大量的維護費用，對一些規模較小的工廠不太實用，故可采用鍋爐爐內水處理。

鍋爐爐內水處理的主要方法是解決水的硬度問題。通過向鍋爐內加入一定數量的軟化劑，使鍋爐給水中的污垢與之起化學反應，轉化成松散的泥垢從鍋爐內排出，從而達到防止結垢或減緩結垢的目的。

鍋內水處理的藥方一般有“三鈉一膠”法[4]，“四鈉”法，純堿法，純堿-腐殖酸鈉法，有機聚磷酸鹽、有機聚竣酸鹽和純堿法，純堿-栲膠法，有機聚磷酸鹽、有機聚起酸鹽、腐殖酸鈉和純堿法。水處理藥劑的用量一般根據原水的硬度、堿度和鍋爐中水維持的堿度或藥劑濃度及鍋爐排污率的大小等來確定。通常無機藥劑可按化學反應物質的量進行計算，而有機藥劑 ( 如栲膠、腐殖酸鍋、磷酸鹽或竣酸鹽等水質穩定劑 ) 則大多都按實驗數據或經驗用量進行加藥。

4 處理措施

此次爆管事故的廢熱鍋爐只采用了鍋爐內水處理的方法，具體是在廢熱鍋爐系統正常運行過程中加入了一定量的氫氧化鈉(NaOH)和磷酸三鈉(Na3PO4·12H2O)[5]，用以降低鍋爐內水的硬度，而忽視了水質中溶解氧、懸浮物及其pH值等指標。因此，為了保證廢熱鍋爐系統能夠長周期安全的運行，避免此類事故的發生，又進行了爐外水處理，使其通過合適的方法把水質中的懸浮物、硬度及pH值等指標降低到規定的范圍內(表1)。

表1 類似廢熱鍋爐系統的水質標準

注：如測定溶解固形物有困難時，可采用測定氯化物(Cl-)的方法間接控制，但溶解固形物與氯化物(Cl-)的比值關系需根據試驗確定，并應定期復試和修正此比值關系。

5 結束語

廢熱鍋爐在運行時，水質不良對其影響是一個漫長的過程，一旦到鍋爐內結垢太多，停車檢查，將對生產效益帶來很大的影響。因此，為保證廢鍋的正常運行，應做到以下幾點：

a.采用有效的方法將廢熱鍋爐的給水進行處理，降低污垢產生的可能性；

b.對廢熱鍋爐中的水質進行監控，制定合理的方法進行操作，正常排污，確保爐水達到標準要求。

c.定期對廢熱鍋爐進行煮爐并清除內部的水垢水渣。

[1] 林華曦.工業鍋爐水質和水處理方法[J].鍋爐制造，2008，(1)：25～28,33.

[2] 楊麗云.防治換熱器污垢，降低經濟損失[J].化學工程與裝備,2009，(6):69～71.

[3] 蔣偉，徐軍，翟軍.管道中水垢的形成機理及清理方法分析[J].清洗世界，2008,24(12): 19～25.

[4] 王皓.加熱爐結垢原因分析和解決方法[J].科技信息，2007，(1):231～232.

[5] 張建軍，郅前標.淺談鍋爐水處理[J].內蒙古石油化工，2010，36(9):92.