摘 要 叙述了工业锅炉水垢的形成、组分、特点及化学清洗方法。
1 前言
锅炉是生产蒸汽或热水的换热设备，随着生产的发展和人们生活水平的提高，它已日益广泛地应用于现代工业、宾馆及人们生活，成为发展国民经济和改善工作、生活条件的重要热工设备之一。
工业锅炉一般是指用于工业生产中的加热、蒸煮、干燥、厂房或人们生活采暖和热水供应等方面的锅炉。
就海南而言，工业锅炉使用最普遍的首属制糖厂，其次是宾馆、酒店，其中制糖厂锅炉总容量或单台容量均占首位，单台产汽量一般为20t/h或25t/h，大的超过40t/h，其它行业锅炉容量较小，宾馆用的多为产汽量为1t/h或2t/h的燃油锅炉。锅炉在使用过程中，由于受多方面因素的影响，会产生水垢，会产生水垢(包括泥砂垢和铁锈垢等)。水垢的导热性很差，它的存在会导致受热面传热情况变坏，排烟温度升高，增加燃料消耗量；同时引起受热面金属过热，温度过高，金属强度下降，在蒸汽压力作用下，过热部位变形、鼓包，甚至引起爆炸事故。水垢较多时，还会堵塞管道，影响炉水的正常循环。水垢层下也会产生所谓沉积物下的局部腐蚀等。为了消除水垢的危害，锅炉一旦产生水垢，就需要进行清洗，将其除去。我们从事锅炉等设备的化学清洗研究和施工工作多年，遇到过各种各样的工业锅炉及水垢，通过研究和大量实践，对水垢类型的分析、判断及清洗积累了点滴经验，本文将就此作些介绍，以供交流。
2 水垢的形成机理
工业锅炉在使用过程中，由于给水水质不符合要求，以及操作管理不善等原因，在锅筒、管壁及汽包等部位会产生水垢，水垢形成的机理是比较复杂的。
2.1 给水水质
工业锅炉几乎都是以原水或软化水作为给水，给水使锅炉产生水垢的原因比较多。水垢的形成过程是难溶盐的沉积过程，当炉水温度升高时，炉水中的盐类发生浓缩，当其浓度超过该温度下的溶解度时就会产生沉积；有些盐类，如硫酸钙、硫酸镁、磷酸钙等则随温度升高溶解度下降并析出；在炉水中，当二氧化硅的浓度对碱度而言偏高时也会析出；而可溶性重碳酸盐，如碳酸二氢钙、碳酸二氢镁则受热分解，产生难溶性盐也会导致沉积。
如：
水垢产生的严重程度与给水水质有着非常密切的关系，锅炉给水分原水与软化水。
原水：也称生水，是未经任何处理的天然水(如江河水、湖水、地下水等)，一般由自备水源(地面水或地下水)或城市供水网取得，这种水水质差别很大，城市或市郊取用经过过滤处理的自来水水质较稳定，直接采用地下水的水质硬度大。有些单位取用附近未经过滤处理的江河水，水质不稳定，水中含有悬浮物、胶体物质及各种溶解性杂质，尤其是下雨季节，水中混有泥砂，水是黄色浑浊的。我们曾遇见过某厂在雨天用这种水作给水，使用这种水的锅炉极易沉积泥砂垢或泥砂与水垢结成一体的混合垢。
软化水：常用钠离子交换水或炉内处理水，前者应用最多。经钠离子交换树脂处理的水，其硬度一般能满足工业锅炉的要求，司炉中只要定时排污，水垢不易沉积。但是有些单位，因为水处理设备容量小，处理的水量不足，有时则向炉内补充部分原水，从而加快了水垢的沉积。
采用炉内加药处理的水，往往由于加药量不足或加药不及时及排污不严格等原因，水的硬度和碱度不易控制，使用这种水较使用离子交换水的锅炉更易产生水垢。当采用磷酸盐作为水处理剂时，还可能产生硬的粘附着的褐色磷酸铁垢。
2.2 腐蚀及腐蚀产物
锅炉在使用过程中，受锅水中溶解氧、水垢及水渣、酸、碱、盐及温度等因素的影响，会产生各种形式的腐蚀。制糖厂的锅炉有其固有的特点，每年使用时间短(4～5个月)，停炉时间长(7～8个月)，停炉期间未加保护，从而加速了它的腐蚀。腐蚀的基本形式是电化学过程，即铁失去电子而生成离子如：腐蚀产物的类型则与腐蚀因素有关。
溶解氧无论在中性、碱性或酸性介质中都可引起阴极去极化作用而导致钢铁的腐蚀，使其表面形成比较疏松的氢氧化物或四氧化三铁腐蚀产物， 在垢层下极易产生沉积物下腐蚀，此种腐蚀根据情况不同可出现碱腐蚀和酸腐蚀，前者腐蚀产物主要成分也是铁的氧化物，但严重的碱腐蚀可引起金属的苛性脆化。酸腐蚀是氢的去极化作用(2H++2e→H2)，腐蚀产物主要是可溶性盐。
锅炉金属在高温下直接氧化或与含氧物质相互作用引起高温腐蚀，以及热水锅炉因温差变化造成的腐蚀，其腐蚀产物均是铁的氧化物，铁的氧化物的颜色有黑色、黄褐色及砖红色不等，因此有些锅炉炉膛、汽包等内表面呈红褐色等。
2.3 管理方面
锅炉操作和管理不善也会产生或加速垢的形成，操作和管理含义颇多，比较而言，以水处理和司炉操作最重要，水处理管理不严，水质经常或有时达不到质量指标，就会加速水垢的形成。司炉时不定时排污，同样会加速水垢的产生。
3 水垢类型及清洗对策
水垢(包括水渣、泥垢、腐蚀产物等)类型及其化学清洗对策概括如下：
3.1 碳酸盐水垢
主要成分为钙和镁的碳酸盐，以碳酸钙为主，质量分数常在50%以上。这种水垢为白色，比较疏松，可溶于酸特别是盐酸。例如某糖厂锅炉水垢为疏松的白色片状，轻压即成碎末，放入稀盐酸中产生大量气泡，酸中可溶成分占70.5%(质量百分数)，不溶成分在酸液中呈粉状，沉于容器底部，这是比较典型的碳酸盐水垢。大量试验和生产实践证明，这类水垢易于除去。可选用以下任何一种方法进行清洗。
3.1.1 酸洗
碳酸盐遇酸分解，生成可溶性盐和二氧化碳，如用盐酸则反应方程为：
去垢剂可用单一的盐酸或氨基磺酸或盐酸与柠檬酸等有机酸的混合酸，并加入适量缓蚀剂，酸的浓度与垢厚度的关系见表1。
表1 酸浓度与垢层厚度的关系
水垢厚度
/mm
盐酸（或氨基磺酸）
浓度/g·L-1
缓蚀剂用量占清洗液用量的质量分数（%）
<5
60
0.4
5~10
80
0.6
>10
120
0.8
清洗温度为室温或加热至50～60℃，清洗方式可采用静态浸泡或泵打循环或先浸泡后再循环进行，循环时酸液流动速度不宜过快(0.2～1m/s)以防加速金属腐蚀。
清洗时间则视锅炉容量大小、清洗温度高低和水垢厚度而定。一般原则是容量大，温度低，酸洗时间长，以测定清洗液中酸浓度变化来确定补加酸液的量和清洗的终点。对于蒸发量为0.5～2t/h的小型锅炉，多数可从人孔中观察水垢去除的情况。在正常情况下，只要严格按工艺施工，一般能获得满意的效果。如上面提到的某糖厂锅炉(蒸发量为40t/h)，我们采用盐酸清洗，先在室温下浸泡一段时间，然后对每根排污管用泵打循环，酸洗后进行冲洗、漂洗、钝化，实践证明去垢效果好。
3.1.2 橡碗栲胶法
橡碗栲胶的主要成分为单宁酸，具有收敛性和渗透性，能渗透到水垢内部使水垢疏松，渗透到垢与金属之间，在金属表面上形成单宁酸保护膜，破坏了垢与金属之间的连接，使水垢剥离，栲胶还能与碳酸盐水垢作用生成单宁酸盐，使水垢晶型结构发生变化。其除垢工艺为：栲胶用量按炉水容积计，每吨水加5～10kg，并用碱(碳酸钠、烧碱或磷酸三钠)调pH值大于7.0，加碱量一般为栲胶质量的1/2～1/3，锅炉带压(0.49～0.78MPa)运行72～170h。采用本法除垢效果不如盐酸和氨基磺酸，但栲胶不腐蚀锅炉，清洗后亦不需进行钝化处理。
3.1.3 碱煮
纯碳酸盐水垢可采用10～20g/kg的磷酸三钠或它与氢氧化钠的混合液加压煮，具体操作可参照后面的碱煮工艺。碱煮去垢效果较差，但对设备无腐蚀，碱煮后锅炉亦不必进行钝化处理。
3.2 硫酸盐水垢
其主要成分为硫酸钙，质量百分数常占50%以上。这种水垢坚固密实，呈黄白色，不溶于有机酸，在盐酸中能缓慢溶解。这类水垢宜采用盐酸进行清洗，所需酸的浓度比相同厚度碳酸盐水垢大，以加热(50～60℃)循环清洗方式效果最好，清洗时间一般比碳酸盐水垢长，并且清洗效果不如碳酸盐水垢。
其次采用碱洗法，碱洗通常采用氢氧化钠和磷酸三钠，磷酸三钠与水垢可起如下反应：
生成的磷酸钙也不溶于水，不能让其沉积，要及时冲洗干净。
碱除垢可分碱洗和碱煮两种，碱液配方相同，即为：NaOH:3～5g/kg和Na3PO4:5～10g/kg。操作工艺如下。
3.2.1 碱洗
温度90～95℃，循环8～24h，每小时测定一次碱的浓度，以判断药量是否足够及是否到了碱洗终点。碱洗后放空碱液，用水冲洗直至出口水pH值<9。
3.2.2 碱煮
工艺流程及工艺参数为：水冲洗→加碱液→关闭各个门孔→升压(升至额定压力的20%～30%)维持8h→排污→补水到正常水位→升压(至额定压力的50%)维持24h以上→排碱→冲洗(至pH<9)。
3.3 硅酸盐水垢
主要成分为硅酸化合物，如硅酸钙、硅酸镁等。外表呈灰白色，不溶于有机酸，在热盐酸中能缓慢溶解。如某厂水垢在盐酸中的不溶物为65.3%(质量百分数)，浸泡在浓盐酸中24h后仍无明显变化，这类水垢仅采用酸洗效果往往不佳，宜采用先碱煮后酸洗的连续去垢工艺。
3.3.1 碱煮
加碱(氢氧化钠与磷酸三钠总浓度为10～20g/kg，必要时加入1～2g/kg的表面活性剂)→升压(至工作压力的50%)维持24h以上→排碱→冲洗(至pH<9)。
3.3.2 酸洗
工艺同前面的碳酸盐水垢，为了加快去垢效果，最好在酸中加入适量氟化物，如氟化钠、氟化铵等。
这类水垢较厚时，一次清洗很难彻底除净，最好采用间断多次清洗方法，即第一次清洗能达到基本要求(去垢率大于65%)，锅炉使用一年后再进行一次清洗可获得满意的效果。
3.4 铁锈垢
主要成分为铁的氧化物，外表呈砖红色、咖啡色或黑色，内部呈灰色，干燥状态比较坚硬，可溶于较浓或热的盐酸。例如一种典型的铁锈垢，其氧化铁含量达85.5%(质量百分数)。这类垢宜选用盐酸作去垢剂，用加热循环的酸洗工艺进行清洗。如某宾馆燃油锅炉，垢为砖红色，垢厚1～2mm，用40～50g/kg的盐酸在50～60℃循环清洗5h，去垢效果较好。
典型的氧化铁垢亦可采用碱煮工艺，碱本身不能溶解锈，因此单纯用碱煮方法不能除去锈垢，如某宾馆1t/h燃油炉的锈垢按碱煮工艺除垢效果不佳，在碱液中加入5～10g/kg的EDTA等络合剂可提高碱煮去垢效果。
3.5 泥砂垢
主要成分为泥砂，往往是泥砂与水垢混杂在一起，外表颜色接近当地泥砂的颜色，垢与金属粘附比较牢固，与酸碱均不起化学反应。这类水垢直接采用酸洗效果不好，宜先用碱煮(碱煮工艺同前)，碱煮后视其表面状态决定是否需要继续进行酸洗。例如某糖厂蒸发量为20t/h锅炉，垢表面呈铁红色，经分析主要成分为泥砂，先采用盐酸加热循环去垢，效果很差，后用碱煮72h，炉内泥砂能去除干净。
3.6 混合垢
其成分为上述各种垢的混合物，这是我们在清洗工作中碰到最多的一类水垢，垢的外表、硬度及在酸中的溶解性均与其组分有关。硅酸盐和硫酸盐含量多时，水垢硬度大，外观由白至灰白色，在盐酸中反应比较缓慢，放出的气泡也比较少。铁锈含量多时，垢的颜色比较深，与盐酸反应比较快。碳酸盐含量高时，垢比较脆，在酸中反应较激烈，产生气泡多。如某厂锅炉水垢为白带黄色块状，稍硬，放入盐酸中开始反应较激烈，半分钟后趋于平静，酸不溶物含量为38.4%(质量百分数)，氧化铁含量为15.3%(质量百分数)。这是一种比较典型的混合垢，选用酸洗法去垢，用盐酸或氨基磺酸均可，宜加热用泵打循环施工。如果垢中硅酸盐含量偏高时，应加入适量氟化钠或氟化铵以提高去垢速度和获得满意的效果。如某糖厂水垢外表为砖红色，厚度1.5～2.5mm，比较坚硬，成分为硅酸盐、硫酸盐和铁的氧化物，在稀盐酸中即使加热也无明显反应。实验室试验表明，加大盐酸浓度，提高清洗温度(60℃左右)可获得较好的清洗效果。因此我们在清洗该锅炉时，采用质量分数为12%的盐酸并加入适量的氟化钠作清洗剂，在55～65℃下，清洗10h，结果垢成片状脱落，且垢的厚度减薄，达到了清洗目的。
值得一提的是，对于硅酸盐水垢或以硅酸盐为主的混合垢，采用热氢氟酸去垢效果好，但因氢氟酸价格贵、腐蚀性与毒性大、易挥发，所以在清洗行业应用较少。
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