摘 要 敘述了工業鍋爐水垢的形成、組分、特點及化學清洗方法。
1 前言
鍋爐是生產蒸汽或熱水的換熱設備，隨著生產的發展和人們生活水平的提高，它已日益廣泛地應用于現代工業、賓館及人們生活，成為發展國民經濟和改善工作、生活條件的重要熱工設備之一。
工業鍋爐一般是指用于工業生產中的加熱、蒸煮、干燥、廠房或人們生活采暖和熱水供應等方面的鍋爐。
就海南而言，工業鍋爐使用最普遍的首屬制糖廠，其次是賓館、酒店，其中制糖廠鍋爐總容量或單臺容量均占首位，單臺產汽量一般為20t/h或25t/h，大的超過40t/h，其它行業鍋爐容量較小，賓館用的多為產汽量為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，會產生水垢，會產生水垢(包括泥砂垢和鐵銹垢等)。水垢的導熱性很差，它的存在會導致受熱面傳熱情況變壞，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。水垢層下也會產生所謂沉積物下的局部腐蝕等。為了消除水垢的危害，鍋爐一旦產生水垢，就需要進行清洗，將其除去。我們從事鍋爐等設備的化學清洗研究和施工工作多年，遇到過各種各樣的工業鍋爐及水垢，通過研究和大量實踐，對水垢類型的分析、判斷及清洗積累了點滴經驗，本文將就此作些介紹，以供交流。
2 水垢的形成機理
工業鍋爐在使用過程中，由于給水水質不符合要求，以及操作管理不善等原因，在鍋筒、管壁及汽包等部位會產生水垢，水垢形成的機理是比較復雜的。
2.1 給水水質
工業鍋爐幾乎都是以原水或軟化水作為給水，給水使鍋爐產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，當爐水溫度升高時，爐水中的鹽類發生濃縮，當其濃度超過該溫度下的溶解度時就會產生沉積；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，產生難溶性鹽也會導致沉積。
如：
水垢產生的嚴重程度與給水水質有著非常密切的關系，鍋爐給水分原水與軟化水。
原水：也稱生水，是未經任何處理的天然水(如江河水、湖水、地下水等)，一般由自備水源(地面水或地下水)或城市供水網取得，這種水水質差別很大，城市或市郊取用經過過濾處理的自來水水質較穩定，直接采用地下水的水質硬度大。有些單位取用附近未經過濾處理的江河水，水質不穩定，水中含有懸浮物、膠體物質及各種溶解性雜質，尤其是下雨季節，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成一體的混合垢。
軟化水：常用鈉離子交換水或爐內處理水，前者應用最多。經鈉離子交換樹脂處理的水，其硬度一般能滿足工業鍋爐的要求，司爐中只要定時排污，水垢不易沉積。但是有些單位，因為水處理設備容量小，處理的水量不足，有時則向爐內補充部分原水，從而加快了水垢的沉積。
采用爐內加藥處理的水，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生水垢。當采用磷酸鹽作為水處理劑時，還可能產生硬的粘附著的褐色磷酸鐵垢。
2.2 腐蝕及腐蝕產物
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，會產生各種形式的腐蝕。制糖廠的鍋爐有其固有的特點，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，從而加速了它的腐蝕。腐蝕的基本形式是電化學過程，即鐵失去電子而生成離子如：腐蝕產物的類型則與腐蝕因素有關。
溶解氧無論在中性、堿性或酸性介質中都可引起陰極去極化作用而導致鋼鐵的腐蝕，使其表面形成比較疏松的氫氧化物或四氧化三鐵腐蝕產物， 在垢層下極易產生沉積物下腐蝕，此種腐蝕根據情況不同可出現堿腐蝕和酸腐蝕，前者腐蝕產物主要成分也是鐵的氧化物，但嚴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，水質經常或有時達不到質量指標，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生。
3 水垢類型及清洗對策
水垢(包括水渣、泥垢、腐蝕產物等)類型及其化學清洗對策概括如下：
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，質量分數常在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，放入稀鹽酸中產生大量氣泡，酸中可溶成分占70.5%(質量百分數)，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。大量試驗和生產實踐證明，這類水垢易于除去。可選用以下任何一種方法進行清洗。
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酸的混合酸，并加入適量緩蝕劑，酸的濃度與垢厚度的關系見表1。
表1 酸濃度與垢層厚度的關系
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量分數（%）
<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浸泡或泵打循環或先浸泡后再循環進行，循環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加酸液的量和清洗的終點。對于蒸發量為0.5～2t/h的小型鍋爐，多數可從人孔中觀察水垢去除的情況。在正常情況下，只要嚴格按工藝施工，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，酸洗后進行沖洗、漂洗、鈍化，實踐證明去垢效果好。
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，使水垢晶型結構發生變化。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pH值大于7.0，加堿量一般為栲膠質量的1/2～1/3，鍋爐帶壓(0.49～0.78MPa)運行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，但對設備無腐蝕，堿煮后鍋爐亦不必進行鈍化處理。
3.2 硫酸鹽水垢
其主要成分為硫酸鈣，質量百分數常占50%以上。這種水垢堅固密實，呈黃白色，不溶于有機酸，在鹽酸中能緩慢溶解。這類水垢宜采用鹽酸進行清洗，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：
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。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為：水沖洗→加堿液→關閉各個門孔→升壓(升至額定壓力的20%～30%)維持8h→排污→補水到正常水位→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%(質量百分數)，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，即第一次清洗能達到基本要求(去垢率大于65%)，鍋爐使用一年后再進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，內部呈灰色，干燥狀態比較堅硬，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85.5%(質量百分數)。這類垢宜選用鹽酸作去垢劑，用加熱循環的酸洗工藝進行清洗。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，外表顏色接近當地泥砂的顏色，垢與金屬粘附比較牢固，與酸堿均不起化學反應。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決定是否需要繼續進行酸洗。例如某糖廠蒸發量為20t/h鍋爐，垢表面呈鐵紅色，經分析主要成分為泥砂，先采用鹽酸加熱循環去垢，效果很差，后用堿煮72h，爐內泥砂能去除干凈。
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。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，與鹽酸反應比較快。碳酸鹽含量高時，垢比較脆，在酸中反應較激烈，產生氣泡多。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較激烈，半分鐘后趨于平靜，酸不溶物含量為38.4%(質量百分數)，氧化鐵含量為15.3%(質量百分數)。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，宜加熱用泵打循環施工。如果垢中硅酸鹽含量偏高時，應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。實驗室試驗表明，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，采用質量分數為12%的鹽酸并加入適量的氟化鈉作清洗劑，在55～65℃下，清洗10h，結果垢成片狀脫落，且垢的厚度減薄，達到了清洗目的。
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，所以在清洗行業應用較少。
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