废热锅炉换热管爆管事故分析及防止措施

2014-05-29沈文朋张合生蔡鹏山李雪梅杨丽君张立燕

化工机械 2014年2期

沈文朋王蓉张合生蔡鹏山李雪梅杨丽君张立燕

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司)

山东某甲醇厂使用的废热锅炉是转化气废热锅炉，此类废热锅炉是甲醇、合成氨、制氢与煤制天然气装置中的关键设备之一。整个废热锅炉系统包括废热锅炉、汽包和中间连接的管系。转化气废热锅炉的结构型式为卧式火管式，带中心调温管，管板为挠性薄管板结构。天华化工机械及自动化研究设计院有限公司是国内设计、制造废热锅炉的专业厂家，类似结构型式废热锅炉已在国内外成功应用了一百多台(套)，这些废热锅炉在运行过程中，仅有山东某甲醇厂转化气废热锅炉出现了换热管爆管现象，对该锅炉检查到修复的整个过程中可以看出，换热管外部结垢堵塞是其爆管的主要原因，而造成结垢是因为用水水质不达标的缘故。为此，笔者着重介绍防止结垢的废热锅炉用水指标和有效的水处理方法。

1 设备检查情况及原因分析

山东某甲醇厂装置停工后，将废热锅炉的壳程筒体剖开，发现换热管外部空间已经被污垢堵塞(图1)，此处结垢破坏了正常的水循环，从而导致换热管爆管。

废热锅炉是一种热交换设备，特别是火管式废热锅炉，对水质的要求很高，无论其压力、蒸发量和形式如何，合乎标准要求的水质则是废热锅炉能够安全可靠而稳定运行的主要因素。可以保证废热锅炉能够长时间正常运行，建立正常的汽水循环，保持废锅管束内管和内外管环隙间合适的流速，能及时与管外高温的转化气换热，降低管束壁温度，降低超温的危险。若不达标的水质，水中含盐、硬度和含氧量较高，就会使废热锅炉结垢、腐蚀和恶化蒸汽品质，影响废锅的传热和正常的汽水循环；使得换热管和管板处在高温的作用下腐蚀严重，强度降低，轻则会影响换热效果、缩短废热锅炉使用寿命，重则会造成爆管等事故。因此，严防结垢是废热锅炉系统操作的一个关键环节。

图1 废热锅炉内部污垢堵塞情况

2 锅炉用水指标

实践证明，废热锅炉的损坏是与水质问题有关的。因此就要对锅炉用水进行处理，使其水质达到一定要求才能避免结垢甚至爆管的现象发生。

2.1 水质指标

水质指标通常包括溶解氧、悬浮物和硬度3个指标[1]。

2.1.1溶解氧

溶解氧是指溶解在水中的分子态氧,用每升水中氧气的毫克数来表示。溶解氧是衡量水体自净能力的一个依据，是一项关键的锅炉给水指标，当给水中的溶解氧超出允许值时，不仅会造成水系统发生腐蚀，而且腐蚀产物被给水带入锅炉内，会导致受热面的管壁结垢。所以，GB1576-2001标准规定汽包必须除氧，指标不大于0.1mg/L。

2.1.2悬浮物

悬浮物是指悬浮在水中的固体物质，包括不溶于水中的无机物、有机物、泥砂、黏土及微生物等。水中悬浮物含量既是衡量水污染程度的指标之一，也是造成水浑浊的主要原因。

如不先将水中悬浮物去除，势必会影响处理锅炉内部时加入药剂的除垢作用。为了降低给水中悬浮物的含量(不大于3mg/L)，一般采取在处理过程中加装盐溶解器、过滤装置等措施。

2.1.3总硬度

总硬度是指水中含有钙、镁离子的总浓度。其中包括碳酸盐硬度(即通过加热能以碳酸盐形式沉淀下来的钙、镁离子，故又称暂时硬度)和非碳酸盐硬度(即加热后不能沉淀下来的那部分钙、镁离子，又称永久硬度)。暂时硬度经加热之后可分解成沉淀物从水中除去，而永久硬度不能。

2.2 技术监督指标

锅炉用水的主要技术监督指标有碱度、pH值和含盐量。

2.2.1碱度

碱度是指水中所含能与强酸发生中和作用的全部物质，即能接受质子H+的物质总量。碱度常用来评价水体的缓冲能力，是用来判断水质和水处理控制的重要指标。锅炉中的水质保持适当的碱度，可以防止水垢生长，且减缓氧和二氧化碳对金属的腐蚀。

2.2.2pH值

pH值是水溶液最重要的理化参数之一，为水中氢离子的总数与物质的总量之比，它表示溶液酸性或碱性程度的数值(中性水，pH=7；酸性水，ph<7，pH值越小，表示酸性越强；碱性水，ph>7，pH值越大，表示碱性越强)。

2.2.3含盐量

水的含盐量(也称矿化度)是表示水中所含盐类的数量。由于水中各种盐类一般均以离子的形式存在，因此含盐量也可以表示为水中各种阳离子的量和阴离子的量的总和。

3 锅炉用水的水处理

水质处理的方法很多，大体分为炉外水处理和炉内水处理。

3.1 炉外水处理

锅炉炉外水处理是预先除去废热锅炉用水中的悬浮物、钙与镁离子化合物和溶于水中的其他杂质，使其达到锅炉给水的水质标准。具体步骤如下：

a.混凝。向水中加入混凝剂等物质用以减弱或消除胶体颗粒的稳定性，使水中胶体颗粒凝结、变大。

b.沉淀。通过沉淀的方法将颗粒和水分开，颗粒沉入水底。

c.过滤。去除经混凝、沉淀等步骤后未清除的水中的悬浮杂质，使水进一步得到澄清。

d.软化。采用天然或人造的离子交换剂,将钙、镁硬盐转变成不结硬垢的盐，以防止锅炉管子内壁结成钙镁硬水垢，该过程一般用于低压锅炉用水的软化处理[2]。

污水经过混凝、沉淀、过滤和一期软化处理后，虽然从外观看水已清澈、透明，悬浮杂质极少，但对含钙镁重碳酸盐且碱度较高的水，其硬度或碱度有时仍不能满足废热锅炉给水水质的要求，所以废热锅炉给水在进行处理后，通常采用离子交换法来进一步去除以离子状态存在于水中的杂质，使产生的游离酸与钠离子交换后生成的碱中和，达到除碱的目的，以确保废热锅炉安全经济运行。

3.2 炉内水处理

虽然炉外给水的软化处理可以有效地防止受热面的结垢[3]。但由于需要投入较多的设备和人员以及大量的维护费用，对一些规模较小的工厂不太实用，故可采用锅炉炉内水处理。

锅炉炉内水处理的主要方法是解决水的硬度问题。通过向锅炉内加入一定数量的软化剂，使锅炉给水中的污垢与之起化学反应，转化成松散的泥垢从锅炉内排出，从而达到防止结垢或减缓结垢的目的。

锅内水处理的药方一般有“三钠一胶”法[4]，“四钠”法，纯碱法，纯碱-腐殖酸钠法，有机聚磷酸盐、有机聚竣酸盐和纯碱法，纯碱-栲胶法，有机聚磷酸盐、有机聚起酸盐、腐殖酸钠和纯碱法。水处理药剂的用量一般根据原水的硬度、碱度和锅炉中水维持的碱度或药剂浓度及锅炉排污率的大小等来确定。通常无机药剂可按化学反应物质的量进行计算，而有机药剂 ( 如栲胶、腐殖酸锅、磷酸盐或竣酸盐等水质稳定剂 ) 则大多都按实验数据或经验用量进行加药。

4 处理措施

此次爆管事故的废热锅炉只采用了锅炉内水处理的方法，具体是在废热锅炉系统正常运行过程中加入了一定量的氢氧化钠(NaOH)和磷酸三钠(Na3PO4·12H2O)[5]，用以降低锅炉内水的硬度，而忽视了水质中溶解氧、悬浮物及其pH值等指标。因此，为了保证废热锅炉系统能够长周期安全的运行，避免此类事故的发生，又进行了炉外水处理，使其通过合适的方法把水质中的悬浮物、硬度及pH值等指标降低到规定的范围内(表1)。