工业锅炉智能固体加药系统的研发与应用

王真桢

（福建省特种设备检验研究院龙岩分院 福建龙岩 364000）

0 引言

工业锅炉是重要的热能动力设备，广泛应用于工业生产、工程动力、建筑采暖、人民生活等各个方面。水质是工业锅炉的血液，不良的锅炉水质会对工业锅炉的运行造成重大的影响，如结垢、腐蚀与汽水共腾等，影响锅炉安全运行［1-2］。高硬度锅水会在换热面产生水垢，造成锅炉传热效率降低。相关研究表明，锅炉受热面1.0 mm 厚的水垢导致锅炉效率降低3%～5%［3］。且受热面温度升高，严重的会引发锅炉爆管等。锅水中的高浓度铁离子会产生垢下腐蚀；水中溶解氧过高会导致局部点状的氧腐蚀等［4-5］。

《锅炉安全技术规程》（TSG 11—2020）规定，使用单位应当做好锅炉水处理工作，保证水汽质量符合标准要求。且《工业锅炉水质》（GB 1576—2018）指出，额定蒸发量≤4 t/h 且额定蒸汽压力≤1 MPa 的蒸汽工业锅炉，可采用锅内加药进行水处理。传统的加药方式一般是液体加药，如图1 所示。液体加药方式是将药剂按比例调配好后，装入药剂桶送往各企业。液体加药方式存在3 点不足：①液体加药为人工投加，需要定期观察加药情况并及时补给，智能化程度低；②无法及时分析加药后的水质情况，调节存在滞后性；③液体药剂储存时间较短，有时需要现场配制，费时费力。

研发合理的加药方式可有效预防水垢生成，确保锅炉安全经济运行，提高锅炉效率，延长锅炉的使用年限。本文通过改进液体加药方式，将液体人工投放方式转变为固体智能投放方式，开发研制1 种工业锅炉智能固体加药装置，从而有效提高水质服务工作效率，降低经济成本，更加节能环保，满足为企业提供更加优质服务的发展需求。

1 工业锅炉智能固体加药装置的设计研发

1.1 结构设计

工业锅炉智能固体加药装置主要将水处理药剂便捷地加入到工业锅炉的锅水中。该装置主要包括干粉加药箱、搅拌箱体、预混器、超声波液位计、电控柜和计量泵等，装置的设计结构图见图2。

图2 工业锅炉智能固体加药装置的结构图

1.2 运行流程

结合图2，该加药系统的运行流程如下：将进水管（8）与自来水连接，通过干粉加药箱（3）顶部混合电机（14）的转动，使得按比例调配的干粉药剂能够充分混合；再通过加药电机（4）的转动，使加药电机（4）可带动螺旋输料杆（5）进行转动，从而可使干粉加药箱（3）内部的药剂可根据需求定量的送至预混器（6）内并与水混合；再通过搅拌箱体（1）充分混合搅拌后溶解，经计量泵（16）输送至锅炉内与锅水充分反应；由在线监测仪表实时监测水质，反馈回4～20 mA 的电流信号至PLC 处理转化为电压信号；此信号再输入给变频器，由变频器来控制加药计量泵的转速，从而达到控制加药流量的目的，实现药剂定量投加及反馈精确控制加药的功能。且当干粉加药箱（3）内部的药剂填充完成后，可盖下防护盖（12），使防护盖（12）可对干粉加药箱（3）的开口端进行遮盖，当设备运行产生振动时，通过防护盖（12）的遮盖，以达到防止药剂飞溅出来的目的；通过干粉加药箱（3）侧壁电磁加热线圈（13）的设计，能够有效防止药剂受潮板结和失效。

该装置具有干粉自动加热混合、干粉定量投加、自动配药和反馈精确控制加药等功能，能够解决原有液体人工投加方式智能化程度低、准确化程度低、经济成本高和人力浪费的问题，是1 个针对工业锅炉炉内加药处理的智能化、准确化和一体化的全自动干粉溶配及加药装置。

1.3 工业锅炉智能固体加药装置的优势

工业锅炉智能固体加药装置具有以下5 点优势：

（1）采用智能化仪表自动完成干粉溶配及加药等过程，整个过程无需人工控制，可大大减少现场操作员的工作量，智能化程度较高。

（2）固体药剂采用螺旋输送机精确投加，投加量精确可调，保证药剂配比稳定，稳定性较好。

（3）通过水质在线监测反馈的信号，实现加药反馈精确控制，将可以有效地避免由于加药量偏大或浓度不均导致的“锅水pH、总碱度、溶解固形物”超标，准确化程度高。

（4）通过干粉加药箱顶部混合电机和侧壁电磁加热线圈的创新设计，不仅可以使按比例调配的干粉药剂能够充分混合，还可以对易受潮的药剂进行烘干，从而有效防止药剂板结失效，实用性高。

（5）可以延长送药周期，减少送药的频率，从而减少检验人员的工作量、降低检验耗材和车辆的成本，具有良好的经济性。

2 工业锅炉智能固体加药装置的现场应用

为了验证工业锅炉智能固体加药装置的实际应用效果，在福建省内选取1 台工业锅炉作为研究对象，对比不同加药方案对工业锅炉锅水水质的影响。工业锅炉智能固体加药装置现场安装情况如图3 所示。

图3 工业锅炉智能固体加药装置现场安装图

2.1 试验方案

该锅炉位于福建省龙岩市某饲料厂内，锅炉型号为WNS4-1.25-SCI，燃料：生物质，额定负荷为4 t/h，额定蒸汽压力为1.25 MPa。采用以下2 种试验方案来验证加药系统的实际效果。

试验方案1：分别在该工业锅炉在未加药、间断式药罐定时加药与采用工业锅炉智能固体加药装置3 种情况下，监测锅水水质数据，考察3 种加药方式对锅水水质的影响。

试验方案2：测试该工业锅炉采用传统液体投加方式和工业锅炉智能固体加药装置2 种情况，在48 h 试验周期内，每8 h取样1 次并监测锅水的水质变化。

2.2 结果与讨论

表1 分别显示了试验方案1 中，工业锅炉锅水在未加药、间断式定时加药与工业锅炉智能固体加药装置的测试结果。

表1 采用不同锅水加药处理方式的水质监测结果

由表1 测试结果可知：

（1）当锅水未加药处理时，锅水的酚酞碱度、全碱度均低于标准限值，不满足《工业锅炉水质》（GB 1576—2018）的标准要求，需要往锅水中添加碱度。

（2）锅水采用间断式药罐定时加药方式，锅水的酚酞碱度、全碱度与相对碱度远大于标准限值，导致pH 也高于标准限值的12。这是由于加药初期药量偏大，短时间内导致“全碱度、锅水pH、溶解固形物”超标。当锅水pH＞12、全碱度超标时容易引起锅炉的碱性腐蚀，不利于锅炉的安全运行；而溶解固形物偏高则会增加锅炉蒸汽带水的倾向，影响锅炉蒸汽品质，使锅水水质难以达到《工业锅炉水质》（GB 1576—2018）的要求。

（3）锅水采用工业锅炉智能固体加药装置方式，锅水各项指标完全符合《工业锅炉水质》（GB 1576—2018）的标准要求。

分析结果表明，上述3 种不同锅水加药处理方式中，只有工业锅炉智能固体加药装置能满足工业锅炉的锅水水质 《工业锅炉水质》（GB 1576—2018）的标准要求，也能够有效防止因锅水未加药造成的受热面结垢及采用其他加药方式造成的加药初期药量偏大的问题，工业锅炉智能固体加药装置能够连续均衡地根据锅炉的实际水质状况进行锅内加药，消除锅内残余硬度，准确度高。

传统液体加药与智能固体加药装置方式下48 h 内锅水水质的变化情况见图4。图4 分别显示了试验方案2 中测试该工业锅炉采用传统液体投加方式和工业锅炉智能固体加药装置2 种情况，在48 h 试验周期内，每8 h 取样1 次并监测锅水的水质变化。

图4 传统液体加药与智能固体加药装置方式下48h 内锅水水质的变化情况

由图4 可知，传统液体加药方式后的锅水的酚酞碱度、全碱度、pH 与溶解性固形物分别为（7.43±2.36）mol/L、（9.02±2.35）mol/L、11.5±0.37 与（1.95±0.70）×103mg/L，工业锅炉智能固体加药系统的酚酞碱度、全碱度、pH 与溶解性固形物分别为（4.60±0.71）mol/L、（5.78±0.88）mol/L、11.2±0.14 与（1.30±0.25）×103mg/L。2 种加药方式获得的锅炉水质均符合《工业锅炉水质》（GB 1576—2018）的标准要求。

分析图4 结果可知，相较于传统液体加药方式，固体加药装置的水质能保持在更低的数值，说明固体加药装置可以将锅炉维持在更低限的指标下运行，节省药剂的使用量，节约成本，更加科学合理的投药。且固体加药装置的标准方差更小，说明固体加药装置的稳定性更好。

3 结语

本文研发了1 种新型工业锅炉智能固体加药装置，可实现干粉自动加热混合、干粉定量投加、自动配药和反馈精确控制加药等功能，确保经加药处理后的锅水能够满足《工业锅炉水质》（GB/T 1576—2018）的标准要求，且具有节省药剂的优点。该装置准确性、稳定性较好，对优化现有工业锅炉炉内加药方法，提高水质监测合格率具有重要参考价值。