锅炉水处理用铜锌合金的性能测试研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（下）-68-工 业 技 术锅炉是我国供热、供能等工作中的核心动力设备之一，锅炉的使用会耗费大量水源，如果水源品质较差，不仅会对锅炉的使用寿命造成负面影响，甚至还会造成安全事故，进而造成巨大的能量浪费。数据表明，由水质原因导致的我国在役工业锅炉失效率占 25%左右1。因此，世界各国很早以前就开始研究锅炉水的处理技术，这也是人类社会发展、人类与自然和谐共存的必然趋势与要求。因此，开发高效、节能且环保的锅炉用水新技术与新产品是21 世纪锅炉用水的发展方向。如何有效抑制结垢是目前锅炉用水处理工艺中亟待解决的重要问题。水垢生成的主要原因是水中含有钙、镁等易结垢的阳离子和一氧化碳2。在高温下，锅炉的壁面和管子会受严重腐蚀，降低锅炉的使用寿命，严重时还会引起爆炸。结合市场现有的大量研究可知，使用锌、铜等金属冶炼形成的合金材料不仅能够起到去除锅炉水垢的作用，还能提高锅炉内壁的防腐蚀、阻垢能力。为落实该方面工作，本文将在此次研究中对锌铜合金的性能进行测试。1 试验准备1.1 设备准备为满足铜锌合金的性能测试需求，需要准备试验设备，见表 1。表 1 铜锌合金性能测试所需仪器设备仪器设备1箱式电阻炉8X射线衍射仪2金相显微镜9扫描电子显微镜3全自动张力仪10能谱仪4恒定电位仪11调压器5接触角测试仪12烘箱6电导率测试仪13模拟锅炉水循环评价装置7精密pH计14阻垢测试仪1.2 合金冶炼工艺与样件化学组成根据测试需求，本次试验制备的合金样件的主要成分包括金属铜、金属锌、金属锡和金属镍。分析样件中的主要组成元素熔点，具体内容见表 2。表 2 铜锌合金样件中的主要组成元素熔点分析铜锌合金样件中的主要组成元素熔点（）金属铜1083金属锌419金属锡232金属镍1455本文在进一步研究中发现，金属锌的沸点相对较低，约为 906，较容易被氧化，因此需要在试验中，根据规范进行合金冶炼与样件制备。第一步，将金属铜、金属镍装入石墨坩埚中。装入前需要做好对金属铜、金属镍的预热处理，当金属预热至暗红色后（温度为 600 700），在石墨坩埚内对其进行加速熔化处理。第二步，溶液温度达到 1100时，在石墨坩埚中掺入炉料。炉料包括脱氧造渣剂（含量为 1%左右）、磷铜（含量为 0.1%0.3%），并进行充分搅拌，使石墨坩埚中的物质脱氧。第三步，当石墨坩埚温度为 1150 1200时，需要去除锅内炉渣，再掺入旧料3。第四步，对旧料进行熔化处理。当熔化温度达 1150 1200时，在其中掺入已经完成预热的金属锌。将金属锌采用压入的方式放入溶液中，避免出现烧伤现象。第五步，当金属锌熔化后，在其中加入金属锡，对其进行持续加热，加热温度为1200 1250。持续加热 5min，并在其中掺入脱氧造渣剂（含量为 1%左右）、磷铜（含量为 0.1%左右），充分搅拌4。对合金进行加工，使其形成表面带有沟槽形状的圆柱形样件。样件的长度为 150mm，直径为 20mm5。样件示意图如图 1 所示。为掌握不同化学成分配比下的样件性能，本文设计了样件的化学成分配比，见表 3。表 3 不同化学成分配比下的样件（质量百分比%）样件编号1号测试样件2号测试样件3号测试样件Cu457060Zn40815Sn5710Ni5910对 1 号测试样件、2 号测试样件和 3 号测试样件的显微结构进行分析，如图 2 所示。1.3 合金力学性能与阻垢性能测试完成试验准备工作后，对合金样件进行性能测试。先对其进行硬度测试。测试前，对测试样件进行热处理，使用金相砂纸打磨试验样件，确保样件表面光滑、无明显划痕后，使用洛氏硬度计对测试样件进行硬度测试，测试时的计量单位为 HRF7。在上述基础上，对测试样件进行阻垢性能测试。在测试过程中，将 2 个测试样件放置在模拟的锅炉水循环系统中，记录测试样件加水前的碱度、硬度和产生的蒸汽量等锅炉水处理用铜锌合金的性能测试研究孙磊钱锐（烟台市特种设备检验研究院，山东 烟台 265500）摘 要：锅炉中产生水垢会严重影响锅炉的运行效果，本文针对该问题，对锅炉水处理用铜锌合金的性能测试进行了研究。先准备测试所需的设备，然后明确合金冶炼工艺与样件的化学组成，再对合金力学性能与阻垢性能进行了测试，最后结合测试结果，对锅炉水处理用铜锌合金力学性能和锅炉水处理用铜锌合金阻垢性能进行了分析。研究结果表明，铜锌合金具有良好的阻垢性能，经铜锌合金处理后，可有效降低甚至避免锅炉中水垢的产生，确保锅炉运行效果能够达到预期要求。关键词：锅炉；水处理；铜锌合金中图分类号：TB30文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.1（下）-69-工 业 技 术参数变化情况，并以此为依据，分析锅炉中所结水垢的微观样貌和合金的阻垢能力8。2 锅炉水处理用铜锌合金力学性能分析完成锅炉水处理用铜锌合金的力学性能测试后，对其力学性能进行分析。铜锌合金的硬度测试结果见表 4。表 4 铜锌合金硬度测试结果退火条件1号测试样件硬度（HRF）2号测试样件硬度（HRF）3号测试样件硬度（HRF）未处理112.381.280.4600退火111.478.479.5700退火110.276.278.4800退火109.471.176.4根据表 1 中记录的铜锌合金硬度测试结果可以看出，经过退火处理后，各测试样件的硬度均出现明显下降，并且随着退火温度不断提升，其硬度降低的程度也越大。其中 2 号测试样件的硬度下降幅度最大，从 81.2HRF 降至71.1HRF，降低变化量超过 10.0HRF。而对 1 号测试样件而言，退火条件变化后，其硬度从 112.3HRF 降至 109.4HRF，降低变化量为 2.7HRF。3 号测试样件的硬度在退火条件变化后，从 80.4HRF 降至 76.4HRF，降低变化量为 4.0HRF。3 锅炉水处理用铜锌合金阻垢性能分析在测试过程中，应用锅炉水循环评价装置对上述 3 种合金测试样件进行阻垢性能测试，并通过比较选出具备最佳性能的合金材料。铜锌合金测试样件通过导线实现接地，所使水均为自来水。在该锅炉水循环评价装置中，水箱的容量为 500L，加热装置的容量为 10L，装置整体的额定功率为 5.5kW。可通过 150V 电压对加热装置中的电阻丝进行加热。测试时将总流速调节到每小时 450h，将循环补给水的流速调节到每小时 3.0L，将冷却水的流速调节到每小时 100L。按照上述内容完成对测试相关参数的设置，进行为期 5d 的测试，要求每天测试时间在 14h 以上。记录产生的蒸汽量，并在 7h 和 14h 分别完成一次水样采集。采集的水样可分为 2 个部分，一部分为循环水，另一部分为锅炉水。分别测定水样的硬度变化、碱度变化和蒸汽量变化。二价及更高的金属离子在水的蒸发、浓缩过程中会与一些阴离子发生反应形成盐，然后沉淀在锅炉的受热面上形成水垢。由于钙和镁是自然界中最普遍的2种元素，因此通常把硬度看作其浓度的总和。硬化性是一种既能反应水中的污垢成分，又能反应锅炉给水质量的重要技术指标。根据水溶液中阴离子的含量，可以把水溶液的硬度分为 2 类，一类是碳酸盐岩，另一类是非碳酸盐岩。如果水中含有碳酸盐，那么在经过较长时间煮沸后，就会产生沉淀，此时可以忽略 CaCo3和 Mg（OH）2溶解度的影响，将碳酸盐的硬度暂时视为水的硬度。该过程的反应式如下。1）Ca（HCO3）2CaCO3+H2O。2）Mg（HCO3）2MgCO3+H2O+CO2。3）MgCO3+H2OMg（OH）2+CO2。三者用来表示非碳酸盐岩的硬度，即水中的氯化钙和镁、硫酸根等。这种物质即使长期在沸水中也不会被除去，因此被称为“永久硬度”。钙、镁离子在水中一般先形成碳酸盐类，因此要根据水中碳酸氢根的含量来判断碳酸盐类的硬度。根据上述反应式，非碳酸盐岩的硬度是图 2 测试样件的显微结构（a）1 号测试样件 （b）2 号测试样件 （c）3 号测试样件注：黑色部分为实心合金结构；白色部分为空隙结构6。图 1 合金冶炼样件示意图直径 20mm长度 150mm中国新技术新产品2024 NO.1（下）-70-工 业 技 术根据水的总体硬度和碳酸盐岩的硬度的差值来计算的。结合上述分析，通过测试可得水的硬度数据，如图 3 和图 4所示。根据图 3 可知，无论是否经过处理，循环水硬度的变化起始都是一致的。但经过处理后，其硬度出现明显降低。在前 7h 内，其变化呈明显下降趋势，随后保持不变。产生该现象的原因是经过换热装置后，循环水吸收了蒸汽的热量，温度逐渐上升，并发生了反应式 1 和反应式 2。部分钙、镁离子转变后形成水垢，使其硬度逐渐下降。7h 后，循环水的温度逐渐趋于稳定，硬度也基本保持在同一水平上。合金的加入使循环水硬度下降的幅度逐渐趋于平缓，说明循环水中的一部分钙离子和镁离子得到了合金中锌被氧化释放的电子，进而形成了一种较稳定的结构。再结合图 4 可知，空白组、1 号测试样件和 2 号测试样件处理后，锅炉水的硬度开始时呈直线增加的趋势，随后逐渐趋于稳定，达到稳定的时间分别延长了7h和21h。3号测试样件处理后的锅炉水硬度以线性形式增加。该现象说明，在初始的硬度条件下，经 3 号测试样件处理后的锅炉水中的钙离子与镁离子比1号、2 号测试样件更多，原因是 3 号测试样件能够持续溶出锌离子，课达到抑制水垢结晶析出的目的。4 结语国内、外在防止锅炉水垢形成方面已有较多研究，并已取得了一些成果。目前常用的方法是化学方法，包括采用鳌合剂阻垢、有机酸和无机酸等清洗剂。但是，有些化学品毒性较强，生产过程中产生的废水也会对环境造成污染。另外，除垢过程烦琐、费用昂贵且耗水量大，部分化学制剂还受被洗物料、水结垢类型等因素的制约。因此需要一种既能消除水垢，又能节约能源、保护环境的物理化学方法。为落实该方面工作，本文从锅炉水处理中的锌铜合金入手，通过试验对锌铜合金的性能进行了测试，旨在为锌铜合金的制备及此类合金的性能优化提供全面的帮助。参考文献1 牛国印，全勤俭，潘伟峰，等.新型锅炉水处理剂在锅炉运行中的应用总结 J.氮肥与合成气，2023，51（7）：48-49.2 李阳，赵晓明，张明，等.海上稠油热采平台海水淡化锅炉补给水处理系统防腐设计 J.石油化工设备，2023，52（4）：69-75.3 张宝军，王永.某锅炉补给水处理系统周期制水量下降的原因分析及解决措施 J.给水排水，2021，57（增刊2）：281-283.4 程会芹，田国良.全膜法水处理技术在电厂锅炉补给水处理中的应用 J.现代工业经济和信息化，2022，12（11）：142-144.5 孙玉豹，崔刚，张卫行，等.海上油田过热蒸汽锅炉水处理设备设计及应用 J.石油化工应用，2022，41（11）：36-39，58.6 宫景雯，窦培举，高鹏，等.膜式除氧器在海上热采锅炉给水处理中的应用 J.科技和产业，2022，22（10）：390-393.7 冀光峰，梁建斌，把全龙，等.稠油热采平台注汽锅炉水处理工艺技术研发及应用 J.天津科技，2021，48（10）：48-50.8 张晶晶，吴梦怡.探讨电厂锅炉补给水处理中全膜法处理工艺的应用 J.清洗世界，2022，38（6）：24-25，92.图 3 阻垢性能测试循环水硬度变化曲线图水力计量/（mmol/L）图 4 阻垢性能测试锅炉水硬度变化曲线图水力计量/（mmol/L）