電加熱熱水鍋爐合理水質參數的探討

劉 偉，趙爾冰，徐 斌，喬 寧

（1. 北京化工大學 化工資源有效利用國家重點實驗室，北京 100029；2. 北京市朝陽區特種設備檢測所，北京 100122）

電加熱熱水鍋爐合理水質參數的探討

劉 偉1，趙爾冰2，徐 斌1，喬 寧1

（1. 北京化工大學 化工資源有效利用國家重點實驗室，北京 100029；2. 北京市朝陽區特種設備檢測所，北京 100122）

利用小型電加熱鍋爐，根據GB1576—2008《工業鍋爐用水水質》的要求調配了不同水質的鍋爐給水，設計了4因素3水平的正交實驗，選擇鍋爐循環熱水的硬度、pH、溫度、流速4種水質參數，并對其與鍋爐腐蝕和結垢的關聯性進行了研究。實驗結果表明，水質參數對腐蝕的影響大小順序為：溫度＞pH＞流速＞硬度，在pH保持堿度的環境中，溫度越低、pH越高、流速越大、硬度越低，鍋爐的腐蝕速率越低；水質參數對結垢的影響大小順序為：硬度＞溫度＞流速＞pH，在pH保持堿性的環境中，硬度越低、溫度越低、pH越高、流速越大，鍋爐的結垢越少。其中，硬度對鍋爐水結垢的影響最大，為確保鍋爐安全運行，建議降低鍋爐給水硬度小于等于0.3 mmol/L。

熱水鍋爐；正交實驗；水質參數

熱水鍋爐作為重要的熱能設備，在工業生產和民用采暖中發揮著重要作用。熱水鍋爐的傳能介質是水，用水水質對安全運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年出臺了《工業鍋爐用水水質》標準［2］，針對熱水鍋爐的特點制定了相應的水質參數范圍。然而，隨著我國能源結構的調整和環保要求的進一步提高，工業生產和城市供暖所用鍋爐的燃料逐步被天然氣、電和油取代，早期根據燃煤鍋爐所制定的熱水鍋爐水質標準已不再適合現行的燃氣鍋爐和電加熱鍋爐，有必要根據實際運行情況進行修正。

鍋爐水質處理方法包括兩種：鍋外水處理和鍋內水處理［3］。熱水鍋爐運行溫度低、濃縮倍率小且熱水鍋爐與換熱系統屬于一套整體，用水在大系統進行循環，因此水中幾乎不允許存在水渣，故通常熱水鍋爐的水質處理方法以鍋外水處理為主［4］。據統計，由于水處理不當，我國三分之一的熱水鍋爐腐蝕結垢嚴重，使用壽命僅為設計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出現明顯的腐蝕結垢現象［5］。

本工作以電加熱熱水鍋爐為研究對象，考察了水質參數對鍋爐腐蝕和結垢的影響，進而確定了合理的水質參數控制范圍，提高了鍋爐使用壽命，保障了鍋爐的安全運行。

1 實驗部分

1.1 原料和儀器

鍋爐給水：由北京化工大學的鍋爐房軟化水與自來水進行配制。

電加熱熱水鍋爐：定制，北京凱達桑泰電熱公司；721S型可見分光光度儀、SJ-4A型實驗室pH計：上海精密科學儀器有限公司；2500VB2+PC型X射線衍射儀：日本理學株式會社。

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 腐蝕速率的測定

將標準腐蝕試片（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）上依次打磨至鏡面，使用無水乙醇擦拭，吹干后稱重，測量表面積，置于干燥器中備用。將3片標準腐蝕試片完全浸沒懸掛于鍋水中。停爐后取出試片，將試片表面腐蝕產物去除，干燥至恒重，按式（1）計算試片的腐蝕速率，取平均值。

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

1.4 污垢熱阻的測定

污垢熱阻是表示換熱設備傳熱面上因沉積物而導致傳熱效率下降程度的數值，即換熱面上沉積物所產生的傳熱阻力。本工作以污垢熱阻表示鍋爐結垢情況。

假定傳熱面上污垢的存在對壁面與流體的對流傳熱系數的影響可以忽略，可推導得到平均污垢熱阻［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的總傳熱系數，W/（m2·K），可通過測量所要求部位的壁溫來表示。假定傳熱面只有一側有污垢存在，則有：

式中，Rw為測溫點至傳熱面表面間的壁面熱阻，m2·K/W；Rhc和Rhf為傳熱面清潔時和有污垢存在時流體黏性底層的對流熱阻，m2·K/W；Twc和Twf為傳熱面清潔時和有污垢存在時測溫點處的溫度，K；Tb為流體主體溫度，K；q為平均熱負荷，W/ m2。若在結垢過程中，q和Tb均保持不變，且同樣假定傳熱面上污垢的存在對壁面與流體的對流傳熱系數的影響可以忽略，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量清潔狀態和結垢狀態下的壁溫和熱流而被間接測量出來［7］。

1.5 實驗方法

以定制的電加熱熱水鍋爐為研究對象，按要求配制鍋爐給水（硬度由北京化工大學鍋爐房軟化水和自來水進行調制，pH由向鍋爐給水中加入NaOH進行配制），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鍋爐自動記錄加熱管壁面溫度和鍋爐出入口溫度。實驗時長為10 d，停爐后取出掛片，計算腐蝕速率和平均污垢熱阻。

2 結果與討論

2.1 鍋爐水質參數的選取和水平的確定

熱水鍋爐水質參數有很多，包括pH、硬度、堿度、電導率、溶解固形物、溫度、流速等。這些水質參數均對鍋爐的腐蝕和結垢有或多或少的影響。對于多因素影響的結果，若采用單因素分析法進行實驗，工作量過大，難以完成。為簡化實驗，設計了正交實驗進行水質參數的優化，因pH與堿度存在相關關系（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、電導率和溶解固形物這4種參數表達，本工作選取硬度作為正交因素之一。最終確立了4種水質參數作為正交因素，即pH、硬度、溫度和流速，設計了4因素3水平正交實驗，考察了水質參數與鍋爐腐蝕和結垢的關系。根據國家標準［2］的要求，熱水鍋爐給水pH=7～11、硬度小于等于0.6 mmol/L，以此作為正交實驗最高水平值；北京化工大學鍋爐房經鍋外處理后的水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計參數確定。4因素3水平正交實驗設計見表1。

2.2 熱水鍋爐水質參數的優化

正交實驗結果見表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水平正交實驗設計Table 1 Design of orthogonal experiments with four factors and three levels

表2 正交實驗結果Table 2 Results of the orthogonal experiments

2.2.1 腐蝕行為與鍋爐水質參數的優化

由表2中的R1可知，影響腐蝕速率的因素按顯著性排序為：溫度＞pH＞流速＞硬度。4因素的腐蝕速率效應曲線見圖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，金屬腐蝕與大多數化學反應相同，隨溫度的升高，腐蝕速率會成比例增加。特別是對于熱水鍋爐這種密閉容器，溶解氧不會隨溫度升高而減少，進而造成即使在水溫高于沸點后腐蝕仍加劇的現象。

圖2 4因素的腐蝕速率效應曲線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。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，主要是因為堿性條件下OH-的存在抑制了吸氧腐蝕的陰極過程。本正交實驗均設定為堿性環境，pH最小為8，這種水環境下腐蝕是較輕微的。這也是溫度對腐蝕的影響較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。分析其原因可能是因為鍋爐給水硬度是通過軟化水與自來水調制的，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，進而導致腐蝕加劇。但根據R1可知，硬度對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。這可能是因為隨著流速的增大，氧擴散速率增大，能在鋼片表面生成氧化膜，降低了腐蝕速率。

結合正交實驗結果和因素效應曲線進行分析，在實際運行過程中，熱水鍋爐因為需要調控水質在堿性范圍（鍋水pH=9～11，給水pH=7～11），故鍋爐在運行期間的腐蝕并不嚴重，最大的腐蝕速率為1.118 mm/a（水質參數pH=8、硬度0.6 mmol/ L、溫度120 ℃、流速800 L/h），按腐蝕等級劃分仍為“一般耐蝕性材料”，說明只要保持在國標規定水質參數范圍內，鍋爐耐腐蝕性能良好。相對而言，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。

為進一步了解熱水鍋爐的腐蝕機理，對收集的腐蝕產物進行XRD分析，XRD譜圖見圖3。由圖3可見，熱水鍋爐腐蝕產物為具有反式尖晶石結構的Fe3O4，晶體中不存在偏鐵酸根離子FeO22-。根據腐蝕產物可以判斷，電加熱熱水鍋爐的腐蝕主要表現為吸氧腐蝕，腐蝕產物Fe3O4是疏松的，沒有保護性。

圖3 腐蝕產物的XRD譜圖Fig.3 XRD spectrum of the corrosion products.

熱水鍋爐因水質為堿性且除氧不徹底（或不除氧），通常會發生吸氧腐蝕，首先是鐵受到溶解氧腐蝕后產生Fe2+，它在水中不穩定，容易進行二次反應，最終產物為 Fe3O4。

2.2.2 結垢行為與鍋爐水質參數的優化

由表2中的R2可知，影響污垢熱阻的因素按顯著性排序為：硬度＞溫度＞流速＞pH。4因素的污垢熱阻效應曲線見圖4。

圖4 4因素的污垢熱阻效應曲線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。這是因為鈣、鎂離子含量的增加，它們極易與水中的OH-和發生反應，形成沉積物。而反應主要發生在傳熱面上，因此表現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。特別是溫度未高于水的沸點時，污垢熱阻升高非常明顯。這可能是因為隨著溫度的升高，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。這可能是因為隨流速變大，加熱管上不易吸附沉積物形成水垢。此外，流體對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。這可能是因為pH反映的是水中［H+］含量的多少，對結垢的影響不大。

結合正交實驗結果和因素效應曲線分析，熱水鍋爐的水質經過鍋外水處理后，硬度按GB1576—2008要求（小于等于0.6 mmol/L），在此范圍內進行的正交實驗中仍出現了污垢熱阻較高的情況，且硬度的變化對結垢影響顯著；而溫度和流速對結垢也存在一定的影響。相對而言，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，熱水鍋爐的阻垢性能優越。

3 結論

1）采用小型電加熱熱水鍋爐，通過設計正交實驗，調整鍋爐給水水質參數，探討了熱水鍋爐水質與鍋爐腐蝕結垢的關系。設計了4因素3水平的正交實驗，實驗因素和水平的選擇均根據GB1576—2008對熱水鍋爐水質的要求以及電加熱熱水鍋爐自身運行參數進行設定。

2）正交實驗結果表明，在國家標準允許的水質范圍內，鍋爐的腐蝕情況較輕微。溫度和pH對腐蝕速率的影響顯著，而流速和硬度對腐蝕速率的影響較小。XRD表征結果顯示，熱水腐蝕主要為吸氧腐蝕（不除氧），其腐蝕產物是無保護性質的Fe3O4。

3）正交實驗結果表明，水質參數對結垢的影響顯著性順序為：硬度＞溫度＞流速＞pH。在所選擇的水質參數范圍內，建議適當降低硬度至小于等于0.3 mmol/L，可大大降低鍋爐結垢風險。

［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準化技術委員會. GB 1576—2008工業鍋爐用水水質［S］. 北京：中國標準出版社，2009.

［3］蔡祖明. 工業鍋爐水質要求及處理方法［J］. 科技致富向導，2011（20）：277 - 278.

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

［5］李子木. 淺談鍋爐中水垢的危害及其預防［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時預測研究［J］. 熱能動力工程，2009，24（2）：196 - 199.

［7］全貞花，陳永昌，王春明，等. 污垢熱阻動態監測裝置及其傳熱計算方法的研究［J］. 工程熱物理學報，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。聯系人：喬寧，電話 010 -64455013，電郵 qiaoning@mail.buct.edu.cn。