锅炉结垢动态评价方法的建立及PESA系阻垢剂的研制
锅炉作为消耗燃料向外输出热能的密闭设备，在发电、传热、供汽等工业生产和居民生活等方面有着不可或缺的地位。然而，为防止腐蚀造成的严重事故，要求锅炉运行环境的pH在保持10以上，这使得锅炉，尤其是热水锅炉（进水和补水管控不严）在运行过程中传热面易产生结垢问题，垢层在传热面上沉积会降低传热效率，极大增加锅炉能耗。因此，评价锅炉结垢程度和开发性能优异的锅炉阻垢剂对锅炉的安全、节能、保护环境及确保工业设备维持高效稳定的运转，具有重要的意义。 目前锅炉结垢的评价方法主要包括垢重法和垢层测厚法，测量过程都需要锅炉停炉所以无法实现对锅炉结垢程度的实时测评。为解决这一问题，本文参考用于测量工业循环冷却水系统换热设备结垢程度的污垢热阻原理，建立了一种通过测量传热界面的污垢热阻，进而实时评价锅炉结垢程度的方法。设计了一种简单的锅炉模拟传热装置，建立传热模型并用污垢热阻法测量不同水质下传热过程中污垢的沉积。结果表明:模拟装置加热器传热面上的污垢热阻随控温时间的增加而升高，结垢行为最终达到沉积-脱附平衡，经计算此时的污垢热阻为7.24×10-3m2·K/W。这之后污垢热阻处于上升下降的往复循环，不在有大幅度的上升。然而根据锅炉标准要求，当污垢热阻超过8.4×10-4m2·K/W时，则说明锅炉结垢严重，已达清洗要求。由此可见该模拟装置能很好模拟锅炉结垢过程，且污垢热阻法适用于锅炉结垢的评价。 为验证污垢热阻法在实际锅炉体系中的应用，本文通过小型电加热锅炉的实际运行，通过测量加热管壁温变化来监测其结垢行为。绘制了不同温度下污垢热阻随温度升高和降低的变化曲线，以评价不同实验条件下(pH值、硬度)污垢热阻的变化。结果表明，拟合曲线能较好地表征污垢沉积随加热时间的变化且与模拟装置的监测结果一致，当水质pH维持在10左右时，促进锅炉结垢。污垢热阻法相对于传统的锅炉结垢测量方法具有无侵入性、操作简单和可实时测量等优点。 为解决当锅炉给水pH＞10所导致的锅炉结垢问题，通常需要加入阻垢剂，利用阻垢剂的螯合、分散作用减缓垢层的沉积形成。聚环氧琥珀酸(PESA)及其衍生物以其无毒无害、绿色可降解和优异的阻垢性能得以在锅炉阻垢方面受到广泛重视。本文以L-胱氨酸改性PESA，合成一种新型聚环氧琥珀酸衍生物(L-Cystine-PESA)，表征了新型衍生物的分子结构，探究了L-Cystine-PESA的阻垢性能、分散性能和缓蚀性能。结果表明，L-Cystine-PESA的用量为12mg/L时阻碳酸钙垢率可达96.85％、阻磷酸钙垢率可达86.67％，均较商品级PESA有所提高;且分散氧化铁性能较PESA提高了近20％。将L-胱氨酸与牛磺酸作改性剂将氨基酸和磺酸基结构引入聚环氧琥珀酸的分子链中合成了三元共聚阻垢剂(LC-T-PESA)，当PESA∶L-胱氨酸∶牛磺酸的质量比为8∶1∶1时合成产物的阻垢性能最佳，LC-T-PESA在质量浓度为10mg/L时阻碳酸钙垢率可达96.98％，阻磷酸钙垢性能也明显改善。 用污垢热阻法对合成的L-Cystine-PESA和LC-T-PESA用模拟装置进行污垢热阻实验，在用量为10mg/L时阻垢率分别为58.30％和68.75％。测定的阻垢率与碳酸钙沉积法测得的相比要低30％左右，这是因为污垢热阻法的实验时间更长且随时间的推移实验体系的成垢离子浓度不断升高。结果表明污垢热阻法可用于评价锅炉阻垢剂阻垢性能的优劣，且实验过程和装置设计相较于传统的碳酸钙沉积法更符合锅炉的结垢行为，理论上对锅炉的阻垢剂性能测评更具参考价值。
锅炉结垢;污垢热阻法;动态评价;PESA系阻垢剂
北京化工大学
硕士
材料工程
乔宁;王骄凌
2020
中文
TK228
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）