文 // 楊含軍 中海油（青島）重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司

新型功能性合金材料節(jié)能器在工業(yè)蒸汽鍋爐的應(yīng)用

文 // 楊含軍 中海油（青島）重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司

蒸汽鍋爐是石油煉化企業(yè)必備動力設(shè)備之一，承擔著石油煉制過程中伴熱、吹掃、汽提、消防等項工作。蒸汽鍋爐每日的蒸汽消耗量根據(jù)煉化企業(yè)的規(guī)模而有所不同，其消耗量在石油煉化企業(yè)能源消耗中僅次于燃料消耗。因此，做好蒸汽鍋爐的節(jié)能降耗具有重要意義，也是企業(yè)降本增效、增強競爭力的重要手段之一。

山東某公司現(xiàn)有科研工業(yè)放大實驗裝置3套，加熱爐9臺，其中蒸汽鍋爐產(chǎn)汽約150t/d。為了提高鍋爐熱效率，減少燃料消耗，增加企業(yè)效益，公司在蒸汽鍋爐上應(yīng)用了新型功能性合金材料節(jié)能器，該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的傳質(zhì)、傳熱效率，降低鍋爐排煙溫度等提高鍋爐效率的手段，通過激發(fā)能量場對鍋爐進水進行物理化處理，處理過的水可大幅度提高熱交換率和蒸發(fā)率，并兼顧除垢、阻垢功能，從而達到節(jié)能降耗的目的。該技術(shù)獨辟蹊徑，具有很強的技術(shù)創(chuàng)新性，在節(jié)能降耗方面起到很好的示范作用。

1 節(jié)能器工作機理

鍋爐節(jié)能水處理器的核心部件運用了特殊配方和加工工藝制造的功能型合金材料，該核心部件中的電子處于亞穩(wěn)定態(tài)，在縝密設(shè)計的環(huán)形交錯磁路引導(dǎo)的永久磁場作用下，合金材料內(nèi)部電子在激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間不斷躍遷，電子由激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)時所釋放出的能量在反射壁的作用下，在工作區(qū)形成很強的激發(fā)能量場，而通過節(jié)能器的水分子在此能量場的作用下產(chǎn)生共振內(nèi)能，水分子運動速度增加，活性大幅增強，水分子團簇中的弱氫鍵在激發(fā)能量場的作用下瞬間彎曲、斷裂，而交錯磁場的極化作用又抑制了小團簇之間的再度結(jié)合，使流經(jīng)節(jié)能器的水最終被分解為7～9個高活性水分子組成的穩(wěn)定的小分子團簇（圖1）。在HUV分子分析儀拍攝圖片中可以清晰看到水分子在處理前后的變化。

節(jié)能器處理后的水分子具有很高的活性，分子運動速度快，分子間作用也更為頻繁，同時水分子團簇直徑更小，團簇中氫鍵角度的改變和經(jīng)極化后氫鍵趨向脆弱，使水的物理熱運動特性和化學(xué)反應(yīng)性遠強于普通水。

2 節(jié)能原理

2.1 直接節(jié)能

圖1 節(jié)能器工作機理

氣態(tài)的水蒸氣是由單個水分子組成，液態(tài)的水分子團簇變成氣態(tài)的單個水分子過程中，不僅要消耗水分子由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時所消耗的熱能，還有很大一部分熱能被消耗在破化、分離水分子團簇的氫鍵過程中。由于分離氫鍵需消耗大量的熱能，在雜質(zhì)較多、水分子團簇較大時，破化、分離水分子團簇氫鍵消耗的熱能甚至遠超過水分子態(tài)勢改變時所消耗的熱能。

自然界中氫鍵的作用維持了水的穩(wěn)定，由于經(jīng)過節(jié)能器處理后的水弱氫鍵數(shù)量要大大少于普通水，剩余的弱氫鍵脆弱性較高，破化、分離弱氫鍵，使水分子團簇變成單個水分子時所消耗的熱能比普通水要低得多；同時經(jīng)節(jié)能器處理后的水在物理熱運動過程中更具活性，熱傳導(dǎo)系數(shù)大為提高，熱能利用更為有效。綜合作用下，使得經(jīng)節(jié)能器處理后的水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時所吸收的熱量大為降低，經(jīng)實驗，在循環(huán)條件下相比普通水沸點降低0.4℃，在除鹽水條件下水的蒸發(fā)速率提高4.6%，直接節(jié)能效果非常明顯。

2.2 抑垢節(jié)能

鍋爐水的某些雜質(zhì)在高溫、高壓和蒸發(fā)、濃縮的作用下，有一部分從爐水中析出并附著在鍋爐受熱面，在受熱面上形成一次水垢。其它不在受熱面上附著的析出物，大部分通過連排、定排排出鍋爐，部分析出物隨著爐水的循環(huán)粘附在受熱面上形成二次水垢。水垢的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小幾百倍，由于熱阻大，導(dǎo)熱效率低，不僅會使鍋爐熱效率降低，而且由于受熱面上結(jié)有水垢傳熱不良，導(dǎo)致爐管壁局部過熱，造成爐管因受熱不均而鼓包，嚴重者會引起鍋爐爆管。

清除水垢要停爐、藥洗等，不但消耗人力、物力，還會對鍋爐造成機械損傷和化學(xué)腐蝕。水垢的成分有很多種類，90%以上由堿土金屬類水垢組成，分一次結(jié)垢和二次結(jié)垢。一次結(jié)垢是碳酸鹽類物質(zhì)在爐體上沉積而成，主要是碳酸鈣（CaCO3）和碳酸鎂（MgCO3），見化學(xué)方程式（1）、（2）；二次結(jié)垢是一些堿金屬類水渣物質(zhì)附著在一次結(jié)垢體上而形成的，主要是氫氧化鎂（Mg(OH)2），見化學(xué)反應(yīng)式（3）。

如化學(xué)方程式（1）、（2）、（3）可知，在水分子化學(xué)反應(yīng)性增強后，方程式（1）、（2）更趨向于向逆方向進行，而且活性水可以容納更高的離子濃度，使水中的鈣、鎂元素以可溶性的碳酸氫鹽化合物存在，即以Ca2+和Mg2

+離子形式存在，而不是形成不可溶的碳酸鹽類化合物沉積在爐體中形成一次水垢，沒有了附著層，二次水垢也沒有存在的基礎(chǔ)，可從根本上抑制水垢的形成，達到節(jié)能的目標。

2.3 除垢節(jié)能

由于經(jīng)過節(jié)能器的活性水的分子團簇變小，滲透力增強，水分子偶極距發(fā)生偏轉(zhuǎn)、增大，其與鹽類正負離子吸引力增大，使得受熱爐膛、管壁上原有的舊垢逐漸開裂、疏松、變成松軟的泥狀物質(zhì)自行脫落，輕松達到清除舊垢的目的。

3 節(jié)能改造

3.1 改造方案

本節(jié)能器結(jié)構(gòu)分為平板式和芯棒式，結(jié)構(gòu)重量根據(jù)鍋爐型號及給水流量不同而異，公司現(xiàn)有蒸汽鍋爐為1.0MPa低壓蒸汽鍋爐，因此本次節(jié)能技術(shù)改造采用了芯棒式結(jié)構(gòu)的節(jié)能器，該節(jié)能器尺寸為0.6m×1m（直徑×長），安裝示意如圖2所示。

圖2 安裝示意圖

本次節(jié)能器技術(shù)改造增加了3個閥門，1套節(jié)能器，3m給水管線，施工周期為2天，占地較少。安裝使用時應(yīng)注意以下事項：①連接管道焊接結(jié)束后，將管道清理干凈后，再與節(jié)煤器連接。②中低壓鍋爐安裝時，不得將雜物掉入產(chǎn)品內(nèi)部，用壓縮空氣或水沖洗干凈；如用水沖洗應(yīng)盡快投運，以免氧化腐蝕。③焊接最好使用氬弧焊接，否則一定要將焊渣清理干凈。④高溫高壓鍋爐應(yīng)進行水沖洗，直至水質(zhì)清晰透明，方可投運。

圖3 節(jié)能器除垢效果對比圖

3.2 運行情況

鍋爐節(jié)能器技術(shù)改造施工完成后，節(jié)能器運行期間按照使用說明進行日常巡檢、排污等工作，由于該設(shè)備無運動部件，日常維護量非常小，根據(jù)廠家的建議，鍋爐節(jié)能器排污周期為每周一次。圖3為鍋爐節(jié)能器技術(shù)改造施工完成后第一周鍋爐水排污時除垢效果對比。

表1 鍋爐節(jié)能器投用前運行參數(shù)表

表2 鍋爐節(jié)能器投用后運行參數(shù)表

從圖3可以看出，自左至右依次為開始排污時、排污結(jié)束時、脫鹽水的水樣，脫鹽水經(jīng)過鍋爐節(jié)能器后，水質(zhì)得到了明顯改善，有雜質(zhì)析出，節(jié)能器具有明顯的抑垢、除垢效果。

3.3 節(jié)能分析

表1為鍋爐節(jié)能器投用前一個月A、B鍋爐運行參數(shù)，期間2臺鍋爐共發(fā)汽2814t，消耗新鮮水4587m3，消耗天然氣220870Nm3，平均噸汽耗水1.6 3 m3，平均噸汽氣耗78.49Nm3。

表2為鍋爐節(jié)能器投用后一個月A、B鍋爐運行參數(shù)，期間2臺鍋爐共發(fā)汽3522t，消耗新鮮水4755m3，消耗天然氣267214Nm3，平均噸汽耗水1.3 5 m3，平均噸汽氣耗75.87Nm3。

從表1、表2鍋爐節(jié)能器投用前后運行數(shù)據(jù)分析可得出，使用鍋爐節(jié)能水處理器后，噸蒸汽耗用天然氣量下降了2.62Nm3，節(jié)能效果達到3.34%，噸蒸汽耗用新鮮水下降0.28 m3。

3.4 經(jīng)濟效益分析

山東某公司屬于實驗型裝置，裝置規(guī)模較小，蒸汽耗量較低，A、B鍋爐年產(chǎn)汽約3萬t左右。新型功能性合金材料節(jié)能器全年節(jié)約燃氣7.86萬Nm3，年節(jié)約新鮮水0.84萬t，按照目前工業(yè)燃氣市場價4元/m3，新鮮水目前市場價3.5元/t核算，新型功能性合金材料節(jié)能器全年可節(jié)約生產(chǎn)成本34.38萬元。

4 結(jié)語

新型合金材料節(jié)能器能增強水分子運動速度，提高水分子活性，降低水表面粘力，抑垢、除垢效果明顯。并且施工簡單，投資少，節(jié)能效果顯著，具有良好的節(jié)能效益和經(jīng)濟效益。