新型功能性合金材料节能器在工业蒸汽锅炉的应用

文 // 杨含军 中海油（青岛）重质油加工工程技术研究中心有限公司

新型功能性合金材料节能器在工业蒸汽锅炉的应用

文 // 杨含军 中海油（青岛）重质油加工工程技术研究中心有限公司

蒸汽锅炉是石油炼化企业必备动力设备之一，承担着石油炼制过程中伴热、吹扫、汽提、消防等项工作。蒸汽锅炉每日的蒸汽消耗量根据炼化企业的规模而有所不同，其消耗量在石油炼化企业能源消耗中仅次于燃料消耗。因此，做好蒸汽锅炉的节能降耗具有重要意义，也是企业降本增效、增强竞争力的重要手段之一。

山东某公司现有科研工业放大实验装置3套，加热炉9台，其中蒸汽锅炉产汽约150t/d。为了提高锅炉热效率，减少燃料消耗，增加企业效益，公司在蒸汽锅炉上应用了新型功能性合金材料节能器，该技术突破了传统的传质、传热效率，降低锅炉排烟温度等提高锅炉效率的手段，通过激发能量场对锅炉进水进行物理化处理，处理过的水可大幅度提高热交换率和蒸发率，并兼顾除垢、阻垢功能，从而达到节能降耗的目的。该技术独辟蹊径，具有很强的技术创新性，在节能降耗方面起到很好的示范作用。

1 节能器工作机理

锅炉节能水处理器的核心部件运用了特殊配方和加工工艺制造的功能型合金材料，该核心部件中的电子处于亚稳定态，在缜密设计的环形交错磁路引导的永久磁场作用下，合金材料内部电子在激发态和基态之间不断跃迁，电子由激发态跃迁至基态时所释放出的能量在反射壁的作用下，在工作区形成很强的激发能量场，而通过节能器的水分子在此能量场的作用下产生共振内能，水分子运动速度增加，活性大幅增强，水分子团簇中的弱氢键在激发能量场的作用下瞬间弯曲、断裂，而交错磁场的极化作用又抑制了小团簇之间的再度结合，使流经节能器的水最终被分解为7～9个高活性水分子组成的稳定的小分子团簇（图1）。在HUV分子分析仪拍摄图片中可以清晰看到水分子在处理前后的变化。

节能器处理后的水分子具有很高的活性，分子运动速度快，分子间作用也更为频繁，同时水分子团簇直径更小，团簇中氢键角度的改变和经极化后氢键趋向脆弱，使水的物理热运动特性和化学反应性远强于普通水。

2 节能原理

2.1 直接节能

图1 节能器工作机理

气态的水蒸气是由单个水分子组成，液态的水分子团簇变成气态的单个水分子过程中，不仅要消耗水分子由液态变为气态时所消耗的热能，还有很大一部分热能被消耗在破化、分离水分子团簇的氢键过程中。由于分离氢键需消耗大量的热能，在杂质较多、水分子团簇较大时，破化、分离水分子团簇氢键消耗的热能甚至远超过水分子态势改变时所消耗的热能。

自然界中氢键的作用维持了水的稳定，由于经过节能器处理后的水弱氢键数量要大大少于普通水，剩余的弱氢键脆弱性较高，破化、分离弱氢键，使水分子团簇变成单个水分子时所消耗的热能比普通水要低得多；同时经节能器处理后的水在物理热运动过程中更具活性，热传导系数大为提高，热能利用更为有效。综合作用下，使得经节能器处理后的水由液态变为气态时所吸收的热量大为降低，经实验，在循环条件下相比普通水沸点降低0.4℃，在除盐水条件下水的蒸发速率提高4.6%，直接节能效果非常明显。

2.2 抑垢节能

锅炉水的某些杂质在高温、高压和蒸发、浓缩的作用下，有一部分从炉水中析出并附着在锅炉受热面，在受热面上形成一次水垢。其它不在受热面上附着的析出物，大部分通过连排、定排排出锅炉，部分析出物随着炉水的循环粘附在受热面上形成二次水垢。水垢的导热系数比金属的导热系数小几百倍，由于热阻大，导热效率低，不仅会使锅炉热效率降低，而且由于受热面上结有水垢传热不良，导致炉管壁局部过热，造成炉管因受热不均而鼓包，严重者会引起锅炉爆管。

清除水垢要停炉、药洗等，不但消耗人力、物力，还会对锅炉造成机械损伤和化学腐蚀。水垢的成分有很多种类，90%以上由碱土金属类水垢组成，分一次结垢和二次结垢。一次结垢是碳酸盐类物质在炉体上沉积而成，主要是碳酸钙（CaCO3）和碳酸镁（MgCO3），见化学方程式（1）、（2）；二次结垢是一些碱金属类水渣物质附着在一次结垢体上而形成的，主要是氢氧化镁（Mg(OH)2），见化学反应式（3）。

如化学方程式（1）、（2）、（3）可知，在水分子化学反应性增强后，方程式（1）、（2）更趋向于向逆方向进行，而且活性水可以容纳更高的离子浓度，使水中的钙、镁元素以可溶性的碳酸氢盐化合物存在，即以Ca2+和Mg2

+离子形式存在，而不是形成不可溶的碳酸盐类化合物沉积在炉体中形成一次水垢，没有了附着层，二次水垢也没有存在的基础，可从根本上抑制水垢的形成，达到节能的目标。

2.3 除垢节能

由于经过节能器的活性水的分子团簇变小，渗透力增强，水分子偶极距发生偏转、增大，其与盐类正负离子吸引力增大，使得受热炉膛、管壁上原有的旧垢逐渐开裂、疏松、变成松软的泥状物质自行脱落，轻松达到清除旧垢的目的。

3 节能改造

3.1 改造方案

本节能器结构分为平板式和芯棒式，结构重量根据锅炉型号及给水流量不同而异，公司现有蒸汽锅炉为1.0MPa低压蒸汽锅炉，因此本次节能技术改造采用了芯棒式结构的节能器，该节能器尺寸为0.6m×1m（直径×长），安装示意如图2所示。

图2 安装示意图

本次节能器技术改造增加了3个阀门，1套节能器，3m给水管线，施工周期为2天，占地较少。安装使用时应注意以下事项：①连接管道焊接结束后，将管道清理干净后，再与节煤器连接。②中低压锅炉安装时，不得将杂物掉入产品内部，用压缩空气或水冲洗干净；如用水冲洗应尽快投运，以免氧化腐蚀。③焊接最好使用氩弧焊接，否则一定要将焊渣清理干净。④高温高压锅炉应进行水冲洗，直至水质清晰透明，方可投运。

图3 节能器除垢效果对比图

3.2 运行情况

锅炉节能器技术改造施工完成后，节能器运行期间按照使用说明进行日常巡检、排污等工作，由于该设备无运动部件，日常维护量非常小，根据厂家的建议，锅炉节能器排污周期为每周一次。图3为锅炉节能器技术改造施工完成后第一周锅炉水排污时除垢效果对比。

表1 锅炉节能器投用前运行参数表

表2 锅炉节能器投用后运行参数表

从图3可以看出，自左至右依次为开始排污时、排污结束时、脱盐水的水样，脱盐水经过锅炉节能器后，水质得到了明显改善，有杂质析出，节能器具有明显的抑垢、除垢效果。

3.3 节能分析

表1为锅炉节能器投用前一个月A、B锅炉运行参数，期间2台锅炉共发汽2814t，消耗新鲜水4587m³，消耗天然气220870Nm³，平均吨汽耗水1.6 3 m³，平均吨汽气耗78.49Nm³。

表2为锅炉节能器投用后一个月A、B锅炉运行参数，期间2台锅炉共发汽3522t，消耗新鲜水4755m³，消耗天然气267214Nm³，平均吨汽耗水1.3 5 m³，平均吨汽气耗75.87Nm³。

从表1、表2锅炉节能器投用前后运行数据分析可得出，使用锅炉节能水处理器后，吨蒸汽耗用天然气量下降了2.62Nm³，节能效果达到3.34%，吨蒸汽耗用新鲜水下降0.28 m³。

3.4 经济效益分析

山东某公司属于实验型装置，装置规模较小，蒸汽耗量较低，A、B锅炉年产汽约3万t左右。新型功能性合金材料节能器全年节约燃气7.86万Nm³，年节约新鲜水0.84万t，按照目前工业燃气市场价4元/m³，新鲜水目前市场价3.5元/t核算，新型功能性合金材料节能器全年可节约生产成本34.38万元。

4 结语

新型合金材料节能器能增强水分子运动速度，提高水分子活性，降低水表面粘力，抑垢、除垢效果明显。并且施工简单，投资少，节能效果显著，具有良好的节能效益和经济效益。