蒸汽凝結(jié)水回用對(duì)工業(yè)鍋爐的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分析

張居光 黃 容 吳繼權(quán)

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

蒸汽凝結(jié)水回用對(duì)工業(yè)鍋爐的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分析

張居光 黃 容 吳繼權(quán)

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

蒸汽凝結(jié)水回收利用可促進(jìn)鍋爐節(jié)能減排，已獲廣泛應(yīng)用。而凝結(jié)水系統(tǒng)的腐蝕產(chǎn)物及漏入的其他雜質(zhì)進(jìn)入鍋爐，鍋水中雜質(zhì)離子的組成關(guān)系發(fā)生改變。當(dāng)鍋爐排污率太低時(shí)，一些次要雜質(zhì)對(duì)鍋爐的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)亟待重視。建議采取給水除氧、選擇適當(dāng)水處理藥劑，以及加強(qiáng)凝結(jié)水水質(zhì)化驗(yàn)等措施來(lái)控制鍋爐的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

蒸汽凝結(jié)水 工業(yè)鍋爐 腐蝕風(fēng)險(xiǎn) 回用

蒸汽作為一種能量傳遞介質(zhì)，其能量主要有顯熱和潛熱組成。蒸汽做功或傳熱后，釋放潛熱，凝結(jié)成同溫同壓下的飽和水，既凝結(jié)水。蒸汽壓力0.1MPa～1MPa下的蒸汽凝結(jié)后，凝結(jié)水具有蒸汽全熱能的20%～30%，回收蒸汽凝結(jié)水的熱量并加以利用，既可提高鍋爐給水溫度，也可減少鍋爐補(bǔ)給水用量，是提高鍋爐的熱效率的有效途徑[1]。

蒸汽凝結(jié)水回用的應(yīng)用，相關(guān)報(bào)道很多[2-3]。深圳地區(qū)的在用工業(yè)鍋爐有1000多臺(tái)，具備凝結(jié)水回用條件的約1/2。廣州地區(qū)約3000多臺(tái)工業(yè)鍋爐，具備凝結(jié)水回用條件的占2/3[4]。理論上，蒸汽凝結(jié)水是純凈的，是非常好的鍋爐補(bǔ)給水。但是回收系統(tǒng)無(wú)論采用開式還是封閉式，凝結(jié)水系統(tǒng)熱力設(shè)備腐蝕問(wèn)題難以很好解決，間斷運(yùn)行的鍋爐系統(tǒng)腐蝕更為嚴(yán)重。此外，蒸汽凝結(jié)水回用比例較高的鍋爐，鍋水中的雜質(zhì)組成及比例發(fā)生改變，一些次要雜質(zhì)（如有機(jī)物、硫酸根）可能變成主要雜質(zhì)，從而給鍋爐運(yùn)行增加腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，這一點(diǎn)尚未引起業(yè)內(nèi)人士的重視。

1 蒸汽凝結(jié)水回用增加鍋爐生成氧化鐵垢和垢下腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)

凝結(jié)水系統(tǒng)中產(chǎn)生的腐蝕主要是酸腐蝕和氧腐蝕。酸性物質(zhì)來(lái)源于工業(yè)鍋爐的軟化水水源和含有碳酸鹽成分的藥劑。軟化水中碳酸鹽進(jìn)入鍋爐后，受熱分解產(chǎn)生二氧化碳。南方地區(qū)的鍋爐往往選擇碳酸鈉作為鍋爐水處理藥劑來(lái)提高鍋水堿度，也是二氧化碳的主要來(lái)源。蒸汽中含有二氧化碳在用汽設(shè)備換熱后產(chǎn)生的凝結(jié)水中轉(zhuǎn)化為碳酸，使凝結(jié)水呈酸性，產(chǎn)生酸腐蝕。氧來(lái)源途徑有兩個(gè)方面，一方面是開式冷凝水回收系統(tǒng)中，空氣中氧氣不斷溶入凝結(jié)水，即使是閉式系統(tǒng)，換熱設(shè)備間斷運(yùn)行造成正負(fù)壓交替，也會(huì)導(dǎo)致空氣吸入，使得氧溶入凝結(jié)水；另一方面，鍋爐補(bǔ)給水中帶入的溶解氧進(jìn)入鍋爐后，只有少量的氧消耗于鍋內(nèi)的腐蝕反應(yīng)，大量的氧從沸騰的鍋水中逸出進(jìn)入蒸汽和凝結(jié)水中。由于凝結(jié)水幾乎不含其他可溶性鹽類，緩沖能力小，少量二氧化碳的存在顯著降低pH值，溶解氧與二氧化碳協(xié)同作用造成腐蝕加速。

凝結(jié)水管網(wǎng)系統(tǒng)中的腐蝕產(chǎn)物（主要是Fe3+離子）被凝結(jié)水?dāng)y帶進(jìn)鍋爐，由于氫氧化鐵溶度積常數(shù)非常?。↘sp[Fe(OH)3]=4×10-38），鐵離子（Fe3+）與鍋水中的氫氧根（OH-）迅速轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵[Fe(OH)3]膠體，分散在鍋爐水體中，使鍋水帶黃色，采取0.8μm濾膜可將氫氧化鐵膠體顆粒過(guò)濾，見圖1。部分氫氧化鐵膠體在鍋爐運(yùn)行中聚集失穩(wěn)，沉積后就可能轉(zhuǎn)化為堅(jiān)硬的鐵垢，見圖2。沉積的鐵垢與碳酸鈣、二氧化硅混合后會(huì)在鍋爐受熱面上生成難以清除的水垢。

水垢降低鍋爐的熱效率，增加燃料消耗，嚴(yán)重時(shí)造成爐管過(guò)熱爆管。一般鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)在46.40～69.60W/(m·℃)，而氧化鐵垢的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.116～0.232W/(m·℃)，這樣低的導(dǎo)熱系數(shù)嚴(yán)重阻礙了傳熱[5]。

圖1 水中的氫氧化鐵顆粒

圖2 鍋爐水側(cè)沉積的鐵垢

氧化鐵垢還可能引起鍋爐出現(xiàn)垢下金屬腐蝕。氧化鐵垢生成后，爐水滲透進(jìn)入垢下后又不斷蒸發(fā)、濃縮，垢下鹽類離子濃度與周圍爐水中離子濃度相差較大，從而形成濃差腐蝕電池，金屬成為陽(yáng)極而遭到破壞[6]。此外，氧化鐵垢中Fe3+價(jià)態(tài)高，表現(xiàn)為陰極，鍋爐受熱面的金屬表現(xiàn)為陽(yáng)極，構(gòu)成電化學(xué)腐蝕[7]。

2 蒸汽凝結(jié)水回用增加鍋爐酸腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)

蒸汽凝結(jié)水中溶解鹽類非常少，主要雜質(zhì)離子為Fe3+離子，它進(jìn)入高溫運(yùn)行的鍋爐后幾乎全部轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3膠體顆?；虺练e為水垢，對(duì)鍋爐排污控制指標(biāo)（電導(dǎo)率或溶解固形物）幾乎沒(méi)貢獻(xiàn)。因此，蒸汽凝結(jié)水回用后鍋爐排污率變小，鍋水濃縮率升高。舉例：某地區(qū)的工業(yè)鍋爐給水電導(dǎo)率100μS/cm，鍋水控制電導(dǎo)率3000μS/cm，則冷凝水回用占比為0時(shí)鍋爐的平均排污率為3.3%，濃縮率30倍；當(dāng)冷凝水回用占比50%時(shí)，給水電導(dǎo)率降為50μS/cm，鍋爐控制電導(dǎo)率依然控制為3000μS/cm，則此時(shí)的鍋爐排污率約為1.5%，濃縮率達(dá)到60倍；當(dāng)回水利用率達(dá)到80%時(shí)，鍋水濃縮率幾乎達(dá)到150倍。

鍋水高倍率濃縮后，一些微量、次要的雜質(zhì)如有機(jī)物、硫酸根，轉(zhuǎn)化為鍋水中主要雜質(zhì)組分，相應(yīng)的危害也逐步顯著起來(lái)。由于這些雜質(zhì)組分不在工業(yè)鍋爐的水質(zhì)控制指標(biāo)范圍內(nèi)，它的濃度升高及其表現(xiàn)出的危害往往不引人重視。

有機(jī)物的來(lái)源可能是鍋爐原水、離子交換器中的樹脂碎片、水處理藥劑中有機(jī)物組分。理論而言，由于工業(yè)鍋爐壓力不高，鍋水溫度通常不超過(guò)300℃，大部分的聚合類有機(jī)物未分解。但是，當(dāng)鍋水中有機(jī)物濃度濃縮上百倍后，可能與其他物質(zhì)作用并沉積在鍋爐受熱面上，金屬表面的溫度遠(yuǎn)超過(guò)300℃，此時(shí)有機(jī)物發(fā)生高溫分解，生成的低分子有機(jī)酸如甲酸（HCOOH）、乙酸（CH3COOH）等。有機(jī)酸在垢下構(gòu)成有機(jī)酸腐蝕，進(jìn)入鍋水后降低鍋水pH值。低分子有機(jī)酸達(dá)到一定濃度后，在鍋水中構(gòu)成緩沖體系，造成鍋水pH值難以提升，也會(huì)加劇金屬的腐蝕[8]。低分子有機(jī)酸具有揮發(fā)性，可隨著蒸汽進(jìn)入蒸汽系統(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)，進(jìn)一步加劇蒸汽系統(tǒng)與凝結(jié)水系統(tǒng)的腐蝕，造成更多腐蝕產(chǎn)物回流至鍋爐中。深圳地區(qū)一臺(tái)采用回水再利用的臥式燃油鍋爐，多次出現(xiàn)煙管腐蝕穿孔事故，腐蝕形貌如圖3所示；除了腐蝕穿孔外，煙管的其他位置上發(fā)現(xiàn)大量的“腐蝕瘤”，剝離后底部存在穴狀腐蝕，形貌見圖4。

圖3 鍋爐火管發(fā)生腐蝕穿孔形貌

圖4 鍋爐火管發(fā)生穴狀腐蝕的形貌

硫酸鹽主要來(lái)源于鍋爐化學(xué)除氧的副產(chǎn)物，通常情況下鍋水中硫酸根濃度為幾十毫克/升。當(dāng)鍋水濃縮達(dá)到百倍時(shí)，硫酸根濃度也增加百倍達(dá)到幾百毫克/升。硫酸根濃度升高不僅增加硫酸鹽水垢形成的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)增加垢下酸腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

3 蒸汽凝結(jié)水回用后鍋爐預(yù)防腐蝕的幾點(diǎn)措施

3.1 做好鍋爐給水的處理

給水應(yīng)采取除氧措施。工業(yè)鍋爐比較理想的除氧方式是熱力除氧和化學(xué)除氧。相對(duì)化學(xué)除氧而言，熱力除氧可去除溶解氧和二氧化碳，且不會(huì)增加雜質(zhì)，但它需要自耗蒸汽?；瘜W(xué)除氧方式操作上更加靈活，非常適合起停頻繁、負(fù)荷不穩(wěn)定的低壓鍋爐。

高堿度的原水應(yīng)采取降堿處理，如氫-鈉離子交換法，從源頭上降低凝結(jié)水中二氧化碳的總量，減緩凝結(jié)水系統(tǒng)的酸腐蝕。

3.2 選擇合適的鍋爐水處理藥劑

鍋內(nèi)水處理不宜選用碳酸鈉提升堿度，建議采用氫氧化鈉和磷酸鹽。碳酸根在高溫運(yùn)行時(shí)水釋放出二氧化碳，增加蒸汽及凝結(jié)水中二氧化碳?xì)怏w濃度；而直接投用氫氧化鈉來(lái)調(diào)節(jié)鍋水pH值和堿度，可避免二氧化碳的釋放。

封閉式回收且管線比較長(zhǎng)的凝結(jié)水回收系統(tǒng)，建議采取鍋水加氨（NH4OH）或中和胺處理[9]，氨（或中和胺）揮發(fā)后進(jìn)入凝結(jié)水以提高凝結(jié)水pH值。也可以采取凝結(jié)水成膜胺處理，成膜胺在金屬管道的表面形成一層保護(hù)膜，將金屬與腐蝕性物質(zhì)隔離開來(lái)從而抑制腐蝕。

鍋內(nèi)阻垢處理采取有機(jī)聚合物時(shí)，對(duì)鍋水中的藥劑殘留濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必要的，要避免超量藥劑加入后造成有機(jī)酸腐蝕。

3.3 對(duì)凝結(jié)水水質(zhì)進(jìn)行定期化驗(yàn)

對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行定期化驗(yàn)，化驗(yàn)項(xiàng)目有硬度、鐵、銅、油、堿度、電導(dǎo)率、pH值等，用戶可根據(jù)用熱設(shè)備工藝特性和自身的檢測(cè)能力選擇一項(xiàng)或幾項(xiàng)，一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異?？杉皶r(shí)采取措施。凝結(jié)水進(jìn)行定期化驗(yàn)可以避免特殊情況下車間的用熱設(shè)備發(fā)生泄漏造成其他物料大量進(jìn)入凝結(jié)水，可能造成重大鍋爐事故。

在深圳地區(qū)，因?yàn)橛脽嵩O(shè)備泄漏造成凝結(jié)水污染進(jìn)而造成鍋爐嚴(yán)重結(jié)垢或腐蝕的事件每年都有發(fā)生。

3.4 維持適當(dāng)?shù)呐盼勐?/p>

GB/T 1576—2008 《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》要求：以除鹽水作補(bǔ)給水的鍋爐排污率不應(yīng)超過(guò)2%，以軟化水做補(bǔ)給水的鍋爐排污率不應(yīng)超過(guò)10%。國(guó)標(biāo)對(duì)最大排污率進(jìn)行限制，目的是促進(jìn)鍋爐的節(jié)能減排。

美國(guó)ASME《工業(yè)鍋爐給水與鍋水控制指引》[10]要求鍋爐排污率不得小于1%，除鹽水作為補(bǔ)給水亦如此，以防止次要雜質(zhì)經(jīng)過(guò)高度濃縮后危害到鍋爐的安全。

凝結(jié)水回用情況下，控制鍋爐最小排污率不低于1%，顯得十分必要。

[1] 李茂東，楊麟．工業(yè)鍋爐水處理節(jié)能降耗現(xiàn)狀與對(duì)策[J]．清洗世界，2010，26（5）：33-36．[2] 湯鳳，尹顯錄，胡念武，等．蒸汽鍋爐冷凝水回收控制方法及效益分析[J]．工業(yè)鍋爐，2008（4）：32-34+40．

[3] 王群，任保波．蒸汽鍋爐冷凝水的回收利用實(shí)踐研究[J]．產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，11（6）：52-53．

[4] 杜玉輝．工業(yè)鍋爐凝結(jié)水余熱利用與回收一體化裝置[D]．廣州：華南理工大學(xué)，2011．

[5] 李茂東．工業(yè)鍋爐鐵雜質(zhì)污染與控制[J]．腐蝕與防護(hù)，2002，23(9) ：414-416．

[6] 孫光武．氧化鐵垢的形成與危害[J]．中國(guó)鍋爐壓力容器安全，2001，17(5)：28-30．

[7] 王金山，矯良田．氧化鐵垢下腐蝕[J]．中國(guó)鍋爐壓力容器安全，1996，12（5）：49-50．

[8] 楊崇豪，韓云中．水中有機(jī)污染物對(duì)鍋爐安全運(yùn)行的影響[J]．安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，4(6)：90-92．

[9] 雍士瑋．冷凝水回收過(guò)程中酸腐蝕產(chǎn)生的原因分析及預(yù)防措施[J]．節(jié)能，2003，22（8）：40-42．

[10] ASME 1994 Consensus on operating practices for the control of feedwater and boiler water chemistry in modern industrial boilers[S]．

Risk Analysis of Industrial Boilers Corrosion When Steam Condensate Water Reused

Zhang Juguang Huang Rong Wu Jiquan
(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029)

Steam condensate recovery promote energy saving and emission reduction has been widely used. Corrosion products of condensed water system and other impurities leaking into the boiler, composition of impurity ions change in boiler water. If the blowdown rate is too low, corrosion on the boiler by the minor impurities needs to pay attention. Recommended to take deaerator, appropriate water treatment chemicals, and condensation water inspecting to control the boiler corrosion risk.

Steam condensate water Industrial boilers Corrosion risk Reused

X933．2

B

1673-257X(2016)12-0068-03

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．12．016

張居光(1978～)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事鍋爐水處理及金屬理化相關(guān)工作。

2016-01-29）