摘 要 敘述了工業(yè)鍋爐水垢的形成、組分、特點(diǎn)及化學(xué)清洗方法。
1 前言
鍋爐是生產(chǎn)蒸汽或熱水的換熱設(shè)備，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活水平的提高，它已日益廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、賓館及人們生活，成為發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和改善工作、生活條件的重要熱工設(shè)備之一。
工業(yè)鍋爐一般是指用于工業(yè)生產(chǎn)中的加熱、蒸煮、干燥、廠房或人們生活采暖和熱水供應(yīng)等方面的鍋爐。
就海南而言，工業(yè)鍋爐使用最普遍的首屬制糖廠，其次是賓館、酒店，其中制糖廠鍋爐總?cè)萘炕騿闻_容量均占首位，單臺產(chǎn)汽量一般為20t/h或25t/h，大的超過40t/h，其它行業(yè)鍋爐容量較小，賓館用的多為產(chǎn)汽量為1t/h或2t/h的燃油鍋爐。鍋爐在使用過程中，由于受多方面因素的影響，會產(chǎn)生水垢，會產(chǎn)生水垢(包括泥砂垢和鐵銹垢等)。水垢的導(dǎo)熱性很差，它的存在會導(dǎo)致受熱面?zhèn)鳠崆闆r變壞，排煙溫度升高，增加燃料消耗量；同時引起受熱面金屬過熱，溫度過高，金屬強(qiáng)度下降，在蒸汽壓力作用下，過熱部位變形、鼓包，甚至引起爆炸事故。水垢較多時，還會堵塞管道，影響爐水的正常循環(huán)。水垢層下也會產(chǎn)生所謂沉積物下的局部腐蝕等。為了消除水垢的危害，鍋爐一旦產(chǎn)生水垢，就需要進(jìn)行清洗，將其除去。我們從事鍋爐等設(shè)備的化學(xué)清洗研究和施工工作多年，遇到過各種各樣的工業(yè)鍋爐及水垢，通過研究和大量實(shí)踐，對水垢類型的分析、判斷及清洗積累了點(diǎn)滴經(jīng)驗(yàn)，本文將就此作些介紹，以供交流。
2 水垢的形成機(jī)理
工業(yè)鍋爐在使用過程中，由于給水水質(zhì)不符合要求，以及操作管理不善等原因，在鍋筒、管壁及汽包等部位會產(chǎn)生水垢，水垢形成的機(jī)理是比較復(fù)雜的。
2.1 給水水質(zhì)
工業(yè)鍋爐幾乎都是以原水或軟化水作為給水，給水使鍋爐產(chǎn)生水垢的原因比較多。水垢的形成過程是難溶鹽的沉積過程，當(dāng)爐水溫度升高時，爐水中的鹽類發(fā)生濃縮，當(dāng)其濃度超過該溫度下的溶解度時就會產(chǎn)生沉積；有些鹽類，如硫酸鈣、硫酸鎂、磷酸鈣等則隨溫度升高溶解度下降并析出；在爐水中，當(dāng)二氧化硅的濃度對堿度而言偏高時也會析出；而可溶性重碳酸鹽，如碳酸二氫鈣、碳酸二氫鎂則受熱分解，產(chǎn)生難溶性鹽也會導(dǎo)致沉積。
如：
水垢產(chǎn)生的嚴(yán)重程度與給水水質(zhì)有著非常密切的關(guān)系，鍋爐給水分原水與軟化水。
原水：也稱生水，是未經(jīng)任何處理的天然水(如江河水、湖水、地下水等)，一般由自備水源(地面水或地下水)或城市供水網(wǎng)取得，這種水水質(zhì)差別很大，城市或市郊取用經(jīng)過過濾處理的自來水水質(zhì)較穩(wěn)定，直接采用地下水的水質(zhì)硬度大。有些單位取用附近未經(jīng)過濾處理的江河水，水質(zhì)不穩(wěn)定，水中含有懸浮物、膠體物質(zhì)及各種溶解性雜質(zhì)，尤其是下雨季節(jié)，水中混有泥砂，水是黃色渾濁的。我們曾遇見過某廠在雨天用這種水作給水，使用這種水的鍋爐極易沉積泥砂垢或泥砂與水垢結(jié)成一體的混合垢。
軟化水：常用鈉離子交換水或爐內(nèi)處理水，前者應(yīng)用最多。經(jīng)鈉離子交換樹脂處理的水，其硬度一般能滿足工業(yè)鍋爐的要求，司爐中只要定時排污，水垢不易沉積。但是有些單位，因?yàn)樗幚碓O(shè)備容量小，處理的水量不足，有時則向爐內(nèi)補(bǔ)充部分原水，從而加快了水垢的沉積。
采用爐內(nèi)加藥處理的水，往往由于加藥量不足或加藥不及時及排污不嚴(yán)格等原因，水的硬度和堿度不易控制，使用這種水較使用離子交換水的鍋爐更易產(chǎn)生水垢。當(dāng)采用磷酸鹽作為水處理劑時，還可能產(chǎn)生硬的粘附著的褐色磷酸鐵垢。
2.2 腐蝕及腐蝕產(chǎn)物
鍋爐在使用過程中，受鍋水中溶解氧、水垢及水渣、酸、堿、鹽及溫度等因素的影響，會產(chǎn)生各種形式的腐蝕。制糖廠的鍋爐有其固有的特點(diǎn)，每年使用時間短(4～5個月)，停爐時間長(7～8個月)，停爐期間未加保護(hù)，從而加速了它的腐蝕。腐蝕的基本形式是電化學(xué)過程，即鐵失去電子而生成離子如：腐蝕產(chǎn)物的類型則與腐蝕因素有關(guān)。
溶解氧無論在中性、堿性或酸性介質(zhì)中都可引起陰極去極化作用而導(dǎo)致鋼鐵的腐蝕，使其表面形成比較疏松的氫氧化物或四氧化三鐵腐蝕產(chǎn)物， 在垢層下極易產(chǎn)生沉積物下腐蝕，此種腐蝕根據(jù)情況不同可出現(xiàn)堿腐蝕和酸腐蝕，前者腐蝕產(chǎn)物主要成分也是鐵的氧化物，但嚴(yán)重的堿腐蝕可引起金屬的苛性脆化。酸腐蝕是氫的去極化作用(2H++2e→H2)，腐蝕產(chǎn)物主要是可溶性鹽。
鍋爐金屬在高溫下直接氧化或與含氧物質(zhì)相互作用引起高溫腐蝕，以及熱水鍋爐因溫差變化造成的腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物均是鐵的氧化物，鐵的氧化物的顏色有黑色、黃褐色及磚紅色不等，因此有些鍋爐爐膛、汽包等內(nèi)表面呈紅褐色等。
2.3 管理方面
鍋爐操作和管理不善也會產(chǎn)生或加速垢的形成，操作和管理含義頗多，比較而言，以水處理和司爐操作最重要，水處理管理不嚴(yán)，水質(zhì)經(jīng)常或有時達(dá)不到質(zhì)量指標(biāo)，就會加速水垢的形成。司爐時不定時排污，同樣會加速水垢的產(chǎn)生。
3 水垢類型及清洗對策
水垢(包括水渣、泥垢、腐蝕產(chǎn)物等)類型及其化學(xué)清洗對策概括如下：
3.1 碳酸鹽水垢
主要成分為鈣和鎂的碳酸鹽，以碳酸鈣為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)常在50%以上。這種水垢為白色，比較疏松，可溶于酸特別是鹽酸。例如某糖廠鍋爐水垢為疏松的白色片狀，輕壓即成碎末，放入稀鹽酸中產(chǎn)生大量氣泡，酸中可溶成分占70.5%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，不溶成分在酸液中呈粉狀，沉于容器底部，這是比較典型的碳酸鹽水垢。大量試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明，這類水垢易于除去?？蛇x用以下任何一種方法進(jìn)行清洗。
3.1.1 酸洗
碳酸鹽遇酸分解，生成可溶性鹽和二氧化碳，如用鹽酸則反應(yīng)方程為：
去垢劑可用單一的鹽酸或氨基磺酸或鹽酸與檸檬酸等有機(jī)酸的混合酸，并加入適量緩蝕劑，酸的濃度與垢厚度的關(guān)系見表1。
表1 酸濃度與垢層厚度的關(guān)系
水垢厚度
/mm
鹽酸（或氨基磺酸）
濃度/g·L-1
緩蝕劑用量占清洗液用量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）
<5
60
0.4
5~10
80
0.6
>10
120
0.8
清洗溫度為室溫或加熱至50～60℃，清洗方式可采用靜態(tài)浸泡或泵打循環(huán)或先浸泡后再循環(huán)進(jìn)行，循環(huán)時酸液流動速度不宜過快(0.2～1m/s)以防加速金屬腐蝕。
清洗時間則視鍋爐容量大小、清洗溫度高低和水垢厚度而定。一般原則是容量大，溫度低，酸洗時間長，以測定清洗液中酸濃度變化來確定補(bǔ)加酸液的量和清洗的終點(diǎn)。對于蒸發(fā)量為0.5～2t/h的小型鍋爐，多數(shù)可從人孔中觀察水垢去除的情況。在正常情況下，只要嚴(yán)格按工藝施工，一般能獲得滿意的效果。如上面提到的某糖廠鍋爐(蒸發(fā)量為40t/h)，我們采用鹽酸清洗，先在室溫下浸泡一段時間，然后對每根排污管用泵打循環(huán)，酸洗后進(jìn)行沖洗、漂洗、鈍化，實(shí)踐證明去垢效果好。
3.1.2 橡碗栲膠法
橡碗栲膠的主要成分為單寧酸，具有收斂性和滲透性，能滲透到水垢內(nèi)部使水垢疏松，滲透到垢與金屬之間，在金屬表面上形成單寧酸保護(hù)膜，破壞了垢與金屬之間的連接，使水垢剝離，栲膠還能與碳酸鹽水垢作用生成單寧酸鹽，使水垢晶型結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。其除垢工藝為：栲膠用量按爐水容積計，每噸水加5～10kg，并用堿(碳酸鈉、燒堿或磷酸三鈉)調(diào)pH值大于7.0，加堿量一般為栲膠質(zhì)量的1/2～1/3，鍋爐帶壓(0.49～0.78MPa)運(yùn)行72～170h。采用本法除垢效果不如鹽酸和氨基磺酸，但栲膠不腐蝕鍋爐，清洗后亦不需進(jìn)行鈍化處理。
3.1.3 堿煮
純碳酸鹽水垢可采用10～20g/kg的磷酸三鈉或它與氫氧化鈉的混合液加壓煮，具體操作可參照后面的堿煮工藝。堿煮去垢效果較差，但對設(shè)備無腐蝕，堿煮后鍋爐亦不必進(jìn)行鈍化處理。
3.2 硫酸鹽水垢
其主要成分為硫酸鈣，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)常占50%以上。這種水垢堅固密實(shí)，呈黃白色，不溶于有機(jī)酸，在鹽酸中能緩慢溶解。這類水垢宜采用鹽酸進(jìn)行清洗，所需酸的濃度比相同厚度碳酸鹽水垢大，以加熱(50～60℃)循環(huán)清洗方式效果最好，清洗時間一般比碳酸鹽水垢長，并且清洗效果不如碳酸鹽水垢。
其次采用堿洗法，堿洗通常采用氫氧化鈉和磷酸三鈉，磷酸三鈉與水垢可起如下反應(yīng)：
生成的磷酸鈣也不溶于水，不能讓其沉積，要及時沖洗干凈。
堿除垢可分堿洗和堿煮兩種，堿液配方相同，即為：NaOH:3～5g/kg和Na3PO4:5～10g/kg。操作工藝如下。
3.2.1 堿洗
溫度90～95℃，循環(huán)8～24h，每小時測定一次堿的濃度，以判斷藥量是否足夠及是否到了堿洗終點(diǎn)。堿洗后放空堿液，用水沖洗直至出口水pH值<9。
3.2.2 堿煮
工藝流程及工藝參數(shù)為：水沖洗→加堿液→關(guān)閉各個門孔→升壓(升至額定壓力的20%～30%)維持8h→排污→補(bǔ)水到正常水位→升壓(至額定壓力的50%)維持24h以上→排堿→沖洗(至pH<9)。
3.3 硅酸鹽水垢
主要成分為硅酸化合物，如硅酸鈣、硅酸鎂等。外表呈灰白色，不溶于有機(jī)酸，在熱鹽酸中能緩慢溶解。如某廠水垢在鹽酸中的不溶物為65.3%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，浸泡在濃鹽酸中24h后仍無明顯變化，這類水垢僅采用酸洗效果往往不佳，宜采用先堿煮后酸洗的連續(xù)去垢工藝。
3.3.1 堿煮
加堿(氫氧化鈉與磷酸三鈉總濃度為10～20g/kg，必要時加入1～2g/kg的表面活性劑)→升壓(至工作壓力的50%)維持24h以上→排堿→沖洗(至pH<9)。
3.3.2 酸洗
工藝同前面的碳酸鹽水垢，為了加快去垢效果，最好在酸中加入適量氟化物，如氟化鈉、氟化銨等。
這類水垢較厚時，一次清洗很難徹底除凈，最好采用間斷多次清洗方法，即第一次清洗能達(dá)到基本要求(去垢率大于65%)，鍋爐使用一年后再進(jìn)行一次清洗可獲得滿意的效果。
3.4 鐵銹垢
主要成分為鐵的氧化物，外表呈磚紅色、咖啡色或黑色，內(nèi)部呈灰色，干燥狀態(tài)比較堅硬，可溶于較濃或熱的鹽酸。例如一種典型的鐵銹垢，其氧化鐵含量達(dá)85.5%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。這類垢宜選用鹽酸作去垢劑，用加熱循環(huán)的酸洗工藝進(jìn)行清洗。如某賓館燃油鍋爐，垢為磚紅色，垢厚1～2mm，用40～50g/kg的鹽酸在50～60℃循環(huán)清洗5h，去垢效果較好。
典型的氧化鐵垢亦可采用堿煮工藝，堿本身不能溶解銹，因此單純用堿煮方法不能除去銹垢，如某賓館1t/h燃油爐的銹垢按堿煮工藝除垢效果不佳，在堿液中加入5～10g/kg的EDTA等絡(luò)合劑可提高堿煮去垢效果。
3.5 泥砂垢
主要成分為泥砂，往往是泥砂與水垢混雜在一起，外表顏色接近當(dāng)?shù)啬嗌暗念伾?，垢與金屬粘附比較牢固，與酸堿均不起化學(xué)反應(yīng)。這類水垢直接采用酸洗效果不好，宜先用堿煮(堿煮工藝同前)，堿煮后視其表面狀態(tài)決定是否需要繼續(xù)進(jìn)行酸洗。例如某糖廠蒸發(fā)量為20t/h鍋爐，垢表面呈鐵紅色，經(jīng)分析主要成分為泥砂，先采用鹽酸加熱循環(huán)去垢，效果很差，后用堿煮72h，爐內(nèi)泥砂能去除干凈。
3.6 混合垢
其成分為上述各種垢的混合物，這是我們在清洗工作中碰到最多的一類水垢，垢的外表、硬度及在酸中的溶解性均與其組分有關(guān)。硅酸鹽和硫酸鹽含量多時，水垢硬度大，外觀由白至灰白色，在鹽酸中反應(yīng)比較緩慢，放出的氣泡也比較少。鐵銹含量多時，垢的顏色比較深，與鹽酸反應(yīng)比較快。碳酸鹽含量高時，垢比較脆，在酸中反應(yīng)較激烈，產(chǎn)生氣泡多。如某廠鍋爐水垢為白帶黃色塊狀，稍硬，放入鹽酸中開始反應(yīng)較激烈，半分鐘后趨于平靜，酸不溶物含量為38.4%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，氧化鐵含量為15.3%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。這是一種比較典型的混合垢，選用酸洗法去垢，用鹽酸或氨基磺酸均可，宜加熱用泵打循環(huán)施工。如果垢中硅酸鹽含量偏高時，應(yīng)加入適量氟化鈉或氟化銨以提高去垢速度和獲得滿意的效果。如某糖廠水垢外表為磚紅色，厚度1.5～2.5mm，比較堅硬，成分為硅酸鹽、硫酸鹽和鐵的氧化物，在稀鹽酸中即使加熱也無明顯反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，加大鹽酸濃度，提高清洗溫度(60℃左右)可獲得較好的清洗效果。因此我們在清洗該鍋爐時，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的鹽酸并加入適量的氟化鈉作清洗劑，在55～65℃下，清洗10h，結(jié)果垢成片狀脫落，且垢的厚度減薄，達(dá)到了清洗目的。
值得一提的是，對于硅酸鹽水垢或以硅酸鹽為主的混合垢，采用熱氫氟酸去垢效果好，但因氫氟酸價格貴、腐蝕性與毒性大、易揮發(fā)，所以在清洗行業(yè)應(yīng)用較少。
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