水的结垢与防治

在什么情况下水容易结垢，汽包、水管容易腐蚀？

用锅炉、水壶等容器烧水或供应蒸汽时，硬水中溶解的钙、镁碳酸氢盐受热分解，析出白色沉淀物，渐渐积累附着在容器上，叫结垢。锅炉结垢，不但多耗燃料，且易造成局部过热，引起。锅炉给水进行预先软化可防止结垢。

根据结垢层沉积的机理，可将污垢分为颗粒污垢、结晶污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢等。

1）颗粒污垢：悬浮于流体的固体微粒在换热表面上的积聚。这种污垢也包括较大固态微粒在水平换热面上因重力作用形成的沉淀层，即所谓沉淀污垢和其他胶体微粒的沉积。

2）结晶污垢：溶解于流体中的无机盐在换热表面上结晶而形成的沉积物，通常发生在过饱和或冷却时。典型的污垢如冷却水侧的碳酸钙、硫酸钙和二氧化硅结垢层。

3）化学反应污垢：在传热表面上进行化学反应而产生的污垢，传热面材料不参加反应，但可作为化学反应的一种催化剂。

4）腐蚀污垢：具有腐蚀性的流体或者流体中含有腐蚀性的杂质对换热表面腐蚀而产生的污垢。通常，腐蚀程度取决于流体中的成分、温度及被处理流体的pH 值。

5）生物污垢：除海水冷却装置外，一般生物污垢均指微生物污垢。其可能产生粘泥，而粘泥反过来又为生物污垢的繁殖提供了条件，这种污垢对温度很敏感，在适宜的温度条件下，生物污垢可生成可观厚度的污垢层。

6）凝固污垢：流体在过冷的换热面上凝固而形成的污垢。例如当水低于冰点而在换热表面上凝固成冰。温度分布的均匀与否对这种污垢影响很大。

防止结垢的技术应考虑以下几点：1）防止结垢形成；2）防止结垢后物质之间的粘结及其在传热表面上的沉积；3）从传热表面上除去沉积物。

防止结垢采取的措施包括以下几个方面：

1 设计阶段应采取的措施

在换热器的设计阶段，考虑潜在污垢时的设计，应考虑如下 6 个方面：1）换热器容易清洗和维修(如板式换热器)；2）换热设备安装后，清洗污垢时不需拆卸设备，即能在工作现场进行清洗；3）应取最少的死区和低流速区；4）换热器内流速分布应均匀，以避免较大的速度梯度，确保温度分布均匀（如折流板区）；5）在保证合理的压力降和不造成腐蚀的前提下，提高流速有助于减少污垢；6）应考虑换热表面温度对污垢形成的影响。

2 运行阶段污垢的控制

1）维持设计条件由于在设计换热器时，采用了过余的换热面积，在运行时，为满足工艺需要，需调节流速和温度，从而与设计条件不同，然而应通过旁路系统尽量维持设计条件（流速和温度）以延长运行时间，推迟污垢的发生。2）运行参数控制在换热器运行时，进口物料条件可能变化，因此要定期测试流体中结垢物质的含量、颗粒大小和液体的pH 值。3）维修措施良好换热设备维修过程中产生的焊点、划痕等可能加速结垢过程形成，流速分布不均可能加速腐蚀，流体泄漏到冷却水中，可为微生物提供营养，对空气冷却器周围空气中灰尘缺少排除措施，能加速颗粒沉积和换热器的化学反应结垢的形成。用不洁净的水进行水压试验，可引起腐蚀污垢的加速形成。4）使用添加剂针对不同类型结垢机理，可用不同的添加剂来减少或消除结垢形成。如生物灭剂和抑制剂、结晶改良剂、分散剂、絮凝剂、缓蚀剂、化学反应抑制剂和适用于燃烧系统中防止结垢的添加剂等。5）减少流体中结垢物质浓度通常，结垢随着流体中结垢物质浓度的增加

而增强，对于颗粒污垢可通过过滤、凝聚与沉淀来去除；对于结疤类物质，可通过离子交换或化学处理来去除；紫外线、超声、磁场、电场和辐射处理紫外线对杀死细菌非常有效，超强超声可有效抑制生物污垢，现在的研究还有磁场、电场和辐射处理装置，结论有待进一步研究。

3 化学或机械清洗技术

化学清洗技术是一种广泛应用的方法，有时在设备运行时，也能进行清洗，但其主要缺点是化学清洗液不稳定，对换热器和连结管处有腐蚀。机械清洗技术通常用在除去壳侧的污垢，先将管束取出，沉浸在不同的液体中，使污垢泡软、松动，然后用机械方法除去垢层。

4 机械在线除垢技术

1）使用磨粒在流体中加入固体颗粒来摩擦换热器表面，以清除污垢，但对换热器表面易产生腐蚀。2）海绵胶球连续除垢主要应用于电站凝汽器中冷却水侧的污垢清除，海绵胶球在换热器管内通过泵打循环，胶球比管子直径略大，通过管子的每只胶球轻微地压迫管壁，在运动中擦除沉积物。3）自动刷洗换热器管道刷洗设施由2 个外罩和 1 个尼龙刷组成，外罩安装在每根管的两端，改变水流方向可使刷子沿管道前后推进刷洗。水流换向可使刷子沿管道前推刷洗。水流换向由压缩空气驱动并定时控制联结在管道上的四通阀来完成。

现从锅炉内表面氧和二氧化碳腐蚀现象分析腐蚀的机理，提出防治措施。

1 腐蚀产生机理

由于锅炉是一种有极性的电解质，在水的极性分子的吸引下，钢材表面的一部分铁原子开始移入锅炉水而成为带正电的铁离子，而钢材上保留多余的电子带负电荷。若铁离子不断进入锅炉水，则使钢板（管）上逐渐出现坑洞，产生腐蚀。其化学反应：

Fe+2H2O=Fe(O H)2+H2↑

2H2+O2=2H2O

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3↓

另外，水中的溶解氧又是阴极去极化剂，即：

O2+4e+2H2O=4OH—

所以氧腐蚀速度与水中含氧量成正比。

由于溶解氧本身是阴极去极化剂，对金属的危害十分严重；而二氧化碳在水溶液中呈酸性，直接破坏金属表面保护膜，加速了氧对金属的电化学腐蚀。

在天然水中，碱度主要由HCO3的盐类[如Ca(HCO3) 2、Mg(HCO3) 2]组成，这些重碳酸盐（暂时硬度）在低压锅炉中经过一系列的变化，在水中产生二氧化碳和碳酸，从而引起锅炉内表面腐蚀。特别是有些使用单位对原水不进行任何处理，直接送入锅炉，在锅炉内被加热的过程中，重碳酸盐被分解，产生沉淀物，即：

生成的重碳酸铁[Fe(HCO3)2]对锅炉产生腐蚀。换句话说，只要水中存在CO2，腐蚀铁的反应就会一直进行下去，直到CO2消耗完为止。

重碳酸铁[Fe(HCO3)2]溶解于水。如果水中不存在O2，那么，Fe(HCO3)2以溶解液状态被加热分解，产生沉淀物——Fe2O3（红锈），它是松散的水渣，通过排污排掉。这种腐蚀的特点是内表面腐蚀均匀，呈现光亮。如果水中存在O2，那么O2就和Fe(HCO3)2反应，产生二氧化碳即：

4Fe(HCO3)2]+O2+2H2O→4 Fe（OH）3↓+8CO2

Fe(OH)3又与水溶液中的Fe(OH)2相互碰撞后生成Fe3O4（黑锈）保护膜。

新产生的CO2又变为碳酸，破坏保护膜，腐蚀内表面。反应反复进行，直到O2全部消耗完为止。实验表明，即使存在少量的O2，也明显加快了腐蚀进程。

二氧化碳的产生除与直接进入锅炉的原水有关外，还与是否采用除氧方式有关，当采用热力式除氧时，软化水在系统外先被加热，当水温达到60℃以上时，重碳酸钠NaHCO3就开始分解出Na2CO3和CO2，CO2及原水中游离的O2、N2等气体在除氧器中被除掉，不进入系统，重碳酸盐则以NaCO3形式进入系统。如果不采用任何除氧方式，那以NaHCO3未分解直接进入锅炉，在炉内被加热