燃煤發電廠各系統的結垢現狀與物理防垢方法研究

＊曹偉 賈繼年 王飛 張愷 胡政 張立強

（1.國家能源集團山西電力有限公司 山西 030021 2.沈陽化工大學 遼寧 110142）

燃煤發電仍然是我國主要的電力生產方式。由于燃煤中含有多種雜質，如硫、鈣等元素，且部分附屬輔助系統（譬如尖峰冷卻循環系統、沖灰系統等）采用城市中水甚至地下水作為工作介質，這使得燃煤發電廠的部分系統在正常運行過程中存在嚴重的結垢問題。結垢會導致發電機組背壓，降低換熱器的換熱效能，惡化機組的燃煤經濟性，甚至釀成生產安全事故，造成嚴重的社會和經濟影響。因此，對燃煤發電廠各系統的結垢問題及防垢方法進行研究是非常緊迫且必要的。

燃煤發電廠目前采用的防垢方法主要包括傳統的化學藥劑法（包括阻垢劑、緩蝕劑、抗菌劑等）和物理方法。孫小明等[1]對工業鍋爐的成垢原因及危害進行了闡述，概述了當前階段的除垢方法，最后對除垢后的結垢效果進行試驗。夏小春[2]等從除垢原理、分類及特點的角度出發，敘述了國外化學防垢劑擠注工藝的研究進展。楊曉云等[3]通過對超聲、電磁防垢技術進行仿真分析，設計了電磁-超聲結合的防垢裝置并對實驗結果進行了分析總結。

然而，當前文獻對燃煤發電廠結垢問題及物理防垢方法的研究還存在很大的不足之處（譬如對各物理防垢方法的適用范圍、效率等問題尚無明確界定和計算方法），對電磁與超聲相結合的防垢方法也缺乏深入的試驗和理論研究[4-7]。為此，本文對燃煤發電廠各個系統的結垢情況和處理方法進行了闡述，總結當前各種物理除垢防垢方法的原理、區別及優缺點，提出將超聲波除垢技術和電磁除垢技術二者相結合的可能性與可行性，以期為燃煤發電廠的結垢問題提供更科學、更有效的解決方案。

1.燃煤發電廠各系統結垢與處理方法

燃煤發電廠存在多個系統，包括發電機組（鍋爐及沖灰系統）、循環冷卻系統（冷凝器及相應泵、閥和管道等）、煙氣脫硫系統、尖峰冷卻系統等。具體流程為：（1）煤炭在鍋爐中燃燒產生大量熱量將化學能轉化為熱能；（2）鍋爐中的水產生高溫高壓蒸汽，蒸汽通過汽輪機又將熱能轉化為旋轉動力，高壓蒸汽的熱能轉化為機械能后，形成凝結水汽。圖1為燃煤發電廠各個系統的流程分布圖。

圖1 燃煤發電廠流程圖

這些系統在運行過程中可能會產生結垢問題，影響其運行效率和壽命。以下是常見的燃煤發電廠系統結垢情況及處理方法。

（1）鍋爐沖灰系統：煤粉燃燒后產生的飛灰和灰渣多采用水力沖灰。煤粉中夾雜的CaO成分與沖灰水中CO3

2-結合形成CaCO3，過飽和后便結晶沉積在管路上面，形成堅硬灰垢。除垢防垢方法包括：定期清洗和添加化學抗結垢劑等。

（2）冷凝器循環冷卻系統和尖峰循環冷卻系統：冷凝器內部的水管可能出現碳酸鹽和硫酸鹽等沉積物，增加水泵負荷，降低換熱效率，惡化發電機組燃煤經濟性。處理方法包括：定期清洗和添加化學防垢劑。

（3）煙氣脫硫系統：國內火電廠的石灰石－石膏濕法煙氣脫硫系統的煙氣－煙氣再熱器（GGH）大多運行情況不好，換熱面出現不同程度的積灰、結垢，造成堵塞，嚴重影響脫硫系統的安全運行。處理方法包括：定期清洗和添加防垢劑。

2.現有的防垢方法及區別

防垢是解決燃煤發電廠各系統垢積問題的積極手段。本文也對現有的防垢方法進行了研究，并總結了各個方式的特點與區別。

(1)物理方法

當前階段，物理防垢方法主要包括水處理、超聲波防垢、電磁防垢等。水處理法包括反滲透、對水進行軟化等技術。目前，大多數燃煤發電廠物理防垢的方法一般采用聲處理法和磁處理法。

①聲處理法

聲處理方法往往是利用超聲波在介質中傳播時，使媒質產生受迫振動，促使粒子間產生相互作用。當超聲波的機械能振動使媒質中的粒子加速達到一定數值時，就會在媒質中產生一系列的物理和化學效應，從而達到防垢除垢的目的。圖2為超聲波防垢阻垢技術的原理圖。

圖2 超聲波除垢原理圖

②磁處理法

磁處理法是一種利用電磁學原理進行水垢去除的方法。其原理是通過在水流中加入固定或交變電磁場，使水中的結垢離子、鐵銹等雜質發生頻繁碰撞，進而形成絮狀垢體，避免在管壁上形成堅硬的硬垢，從而起到防垢的目的。圖3為電磁防垢阻垢設備的原理分析圖。

圖3 電磁防垢原理圖

物理防垢方法的優點：無需添加任何化學品，不會對環境造成污染；操作簡單，易于維護。物理防垢方法的缺點：只適用于輕度結垢，無法徹底清除重度結垢；部分物理防垢方法需要停機并破壞現有管道進行安裝；實際防垢效果受管徑、管材和管內液體參數影響很大。

(2)化學方法

化學方法一般是加入化學防垢劑和基于表面的防垢技術。目前主要采用羥基螯合劑如DTPA和EDTA，或者含有羧基的物質來對溶液中的成垢陽離子進行螯合。基于表面的防垢技術是通過改變材料的表面特性以達到防垢的效果。

化學防垢除垢方法的優點：能夠快速有效地清除各種類型的垢積；可以在設備運行時進行，無需停機維護。

化學防垢除垢方法的缺點：需要添加化學藥劑，可能對環境造成污染；需要特別注意化學藥劑的使用量和濃度，否則會對設備造成腐蝕等損害。

總之，物理方法和化學方法各有優缺點，在實際應用中需要根據具體情況選擇。輕度結垢可以采用物理清洗方法，而重度結垢則需要采用化學清洗方法。同時，為了減少對環境的影響和設備安全性，應注意化學藥劑的使用量和濃度。

3.電磁與超聲相結合的新型防垢方法

(1)電磁除垢與超聲除垢的結合

本次提出了將電磁與超聲除垢方式相結合的新型防垢阻垢方式，并將其與單獨的電磁除垢方式進行了對比，通過相關數據來反映這種新型的除垢方式在相同條件下的除菌率、除藻率以及CaCO3和CaSO4晶體的析出速度。

(2)電磁-超聲結合除垢效果討論

將電磁-超聲相結合的除垢裝置應用于尖峰冷卻循環系統的防垢、阻垢、殺菌、滅藻等方面進行試驗，圖4是除垢裝置作用下鈣離子的濃度變化圖。

圖4 溶液中鈣離子的濃度變化

根據實驗結果，得出以下結論：

①使用脈沖高壓靜電場、磁場、超聲復合場處理循環水可以有效防止CaCO3晶體的析出。在比較處理和未處理溶液的實驗現象和電導率變化方面，可以看出該處理方式對抑制CaCO3晶體析出方面具有良好效果。為了進一步提高處理效果，可以嘗試降低重復率并優化處理參數。

②經過電、磁和超聲波復合處理后，水中含有CaCO3和CaSO4的兩相溶液的電導率隨著處理時間的增加而增大，表明離子濃度增加。這意味著水溶解這些晶體的能力增強，從而使得CaCO3和CaSO4晶體在水中的溶解度增加。這種現象是由于電、磁和超聲波復合處理改變了水的結構，產生了更多的鈣水合離子，這是電、磁和超聲波復合處理能夠溶解老垢和除垢的原因。

③電磁超聲復合處理比單獨使用電磁處理殺菌效果提高了40小時。在該實驗中，電磁超聲組的殺菌率達到了98.6%，而使用電磁處理的組殺菌率僅為91.1%。

④單獨使用脈沖高壓靜電場處理時，224小時滅藻率為64.2%。而電磁超聲復合處理時，160小時滅藻率最高，達到了94.9%。

⑤經過電磁和超聲復合處理后，通過顯微鏡觀察發現絲狀藍藻細胞的絲狀體斷裂，并釋放出其內容物。隨著處理時間的延長，藻體碎片變小，顏色逐漸變淺，這可能是由于細胞膜穿孔和氧化破裂所致，也可能是由于產生的強氧化物如超氧陰離子自由基和烴自由基以及過氧化氫等作用導致藍藻死亡。

4.總結

通過實驗數據發現：在運用電磁-超聲結合除垢后，CaCO3和CaSO4晶體的析出速度大大提高，其殺菌率比單獨用電磁處理法高了7.5%，這表明前者這種除垢方式相比現有技術的除菌率大大提升，而98.6%的殺菌率側面說明電磁-超聲結合除垢方法可基本實現大面積的殺菌。而電磁-超聲結合除垢方法在比單獨使用電磁處理法時間短了60多個小時的情況下依然能實現滅藻率遠遠高于后者，說明這種復合除垢方式除垢效率高，效果明顯。

電磁-超聲結合除垢技術是一種利用電磁場和超聲波相互作用的新型除垢技術，具有高效、環保、節能等優點。未來該技術在工業、環保等領域的應用前景廣闊，可以替代傳統的化學清洗方法。該技術目前已經有了一定的實踐應用，并取得了一定的成果，因此其可行性較高。然而，該技術也存在一些問題，例如設備成本高、工藝流程復雜等，需要進一步研究和改進。