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工业锅炉节水技术探讨

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：刘芸熙

[导读] 摘要：工业锅炉是耗水大户，废水可能引起腐蚀产物污染和热污染，从减少排污量和回收凝结水等方面探讨了工业锅炉的节水方法、存在问题和解决途径，指出零排污技术是21世纪锅炉节水技术的发展方向。

        （云南省特种设备安全检测研究院云南昆明 650228）
        摘要：工业锅炉是耗水大户，废水可能引起腐蚀产物污染和热污染，从减少排污量和回收凝结水等方面探讨了工业锅炉的节水方法、存在问题和解决途径，指出零排污技术是21世纪锅炉节水技术的发展方向。
        关键词：工业锅炉；节水；零排污技术
        当前，人类正面临着水资源危机的严峻挑战。据最新公布的数据显示，全世界有超过12亿人口目前缺乏安全饮用水，每天大约有6000名儿童死于不卫生的水和不合格的卫生条件所引起的疾病，发展中国家居民80﹪的疾病源于不卫生的水和不清洁的环境。如果再不解决水危机，21世纪人类可能被开除地球的“球籍”。我国属于目前世界13个贫水国家之一，人均水量仅为世界人均水平的1/4，居第121位。按正常需要和不超采地下水，我国年缺水总量约为300～400亿立方米。每年农田受旱面积700～2000万公顷。全国669座城市中有400座供水不足，110座严重缺水。水资源短缺已经成为中国经济社会发展的严重制约因素。
        面对挑战，作为耗水大户的锅炉的节水已迫在眉睫，成为今后关注的重点。本文从减少排污量、回收凝结水等方面探讨了工业锅炉的节水方法。
        1.减少排污量
        为了使锅炉水中的溶解固形物保持正常，防止结垢、汽水共腾和锅炉事故的发生，锅炉排污被认为是必不可少的。若锅炉蒸发量为Q t/h，给水量为G m3/h，排污率为P，则G=Q（1+P），目前我国工业锅炉的排污率为10﹪～15﹪，每发生1吨蒸汽，需给水1.1～1.15 m3，同时向环境排放热水 0.1～0.15 m3。过去一般仅从节能的角度考虑，认为这是一笔不可忽视的热能损失。现在看来，由此引起的水损失、废水污染和热污染也是必须考虑的。所以必须减少排污量，减少排污量的基本方法是提高给水品质，要提高给水品质，就必须搞好水处理工作，使给水和锅水各项指标符合GB1576《工业锅炉水质》标准。目前水处理方法很多，有锅内加药处理、离子交换水处理设备等。
        2.回收凝结水
        回收凝结水是锅炉节水和节能的最有效方法。未污染的凝结水接近纯水，是最优质的锅炉给水。凝结水又是含有能量的水，蒸汽在加热过程中被有效只是蒸汽潜热，而蒸汽显热，即冷凝水的热量几乎没利用，而这部分热量可达到蒸汽总的20﹪～30﹪。回收凝结水可以获得节水、节能、减少排污、提高锅炉效率等效果。其环境效益也十分显著：因节省燃料而减轻大气污染，因回收凝结水而防止了废水污染、热污染以及减轻蒸汽疏水器的噪音污染。有效地回收利用蒸汽凝结水可以获得下列几方面的效益：
        2.1节约锅炉的燃料
        回收利用高温可以提高锅炉给水的温度，这样可以减少锅炉的燃料消耗量，这一点是显而易见的。在一般情况下，凝结水每提高10﹪，就能节约锅炉的燃料消耗量约2.5﹪左右。以一个每小时供汽量为10吨的锅炉房为例，若全年供汽时间为5500小时，锅炉的热效率为70﹪，锅炉的排污率为10﹪，如果凝结水的回收率从零提高到50﹪，则全年所节约的燃料折合标准煤可达900吨左右。
        2.2改善锅炉给水的品质
        在正常情况下，蒸汽凝结水的水质是非常优良的，几乎是不含杂质的纯水，这样可以改善锅炉给水的品质。凝结水回收率越高，锅炉给水的品质就越好，对锅炉的安全经济运行也就越有利。在锅水水质保持一定值的情况下，改善锅炉给水的品质可以降低锅炉的排污量，从而可减少锅炉的热量损失和锅炉的补充水量。
        2.3节约锅炉房的工业水用量
        由于回收和利用了凝结水，减少了补充水的用量，从而也就减少了锅炉房用于水处理的工业水用量。在上列中全年可节约工业水用量33000吨左右。
        2.4回收利用凝结水后减少了补充水的用量
        这样也减少了制备补充水的水处理费用。对进行锅内处理的锅炉房来说则可以减少药剂用量；对采用离子交换法的锅外化学处理来说，可以节约大量的再生剂。在上列中采用钠离子交换法进行水处理的锅炉房，假定原水的硬度为4mmol/L，再生盐耗率为120g/mol，则凝结水回收率从零提高到50﹪时，全年可节约再生剂食盐约15吨左右。
        在某些情况下，回收利用凝结水还可能简化水处理的方式。例如，当原水的碱度或含盐量过高时，为了不使锅炉的排污量过高，除了进行除硬处理还要除碱或除盐处理。回收利用凝结水后减少了补充水的用量，则使锅炉给水的碱度或含盐量降低，就有可能使锅炉的排污量减少，这样就可以不必再进行除碱或除盐处理，从而简化了水处理方式。
        对新设计的锅炉房来说，回收利用凝结水后减少了补充水的用量，就可以减小水处理设备的容量规格，这样既减少了设备投资费用，又可减小水处理车间的的占地面积。
        2.4.1 增加锅炉房的供汽能力
        回收利用高温的凝结水可以提高锅炉给水的水温，在锅炉燃料消耗量不变的情况下就能提高锅炉的出力。如果锅炉是热力除氧的，那么，回收利用高温的凝结水后可以减少除氧的用汽量，从而可增加锅炉房向外供汽的能力。在上列中锅炉房的供汽能力每小时约增加将近1吨。
        目前，凝结水装置已趋于成熟，锅炉用户单位可根据每小时凝结水的回用量合理选用凝结水装置。
        回收凝结水的好处很多。但是，被铁、铜等腐蚀产物污染的凝结水，会引起锅炉二次腐蚀和传热面的危险，不能回收。因此，目前工业锅炉凝结水回收率普遍很低。大部分锅炉都没有配置凝结水回收系统，有的单位盲目地回收凝结水，也引起了许多问题。
        2.4.2 凝结水系统的腐蚀
        水系统的腐蚀是由二氧化碳引起的酸腐蚀：CO2 + H2O

2H+ + CO32-
        二氧化碳很容易使凝结水的pH降低，这是由于几乎不含盐类的水缓冲作用很小的缘故。腐蚀反应可表示为：Fe + 2H2CO3→Fe（H2CO3）2 + H2
        反应在pH低于5.5时进行得很快。当金属表面没有沉积物和水中缺乏溶解氧时，腐蚀是比较均匀的，否则将发生较严重的孔蚀。
        当水中有溶解氧时，按上式生成的碳酸氢铁将被氧化生成，生成溶解度非常低的铁氧化物：
        2Fe（HCO3）2 +1/2O2 →Fe2O3 +4 CO2 + 2H2O
        3Fe（HCO3）2 + 1/2O2→Fe3O4 +4 CO2 + 2H2O
        溶解氧使原来消耗掉的二氧化碳全部释放出来，放出的二氧化碳会重新起腐蚀反应，直至消耗完为止。也就是说，如果水中有氧的话，腐蚀反应就会反复进行，二氧化碳就好象氧和铁反应的催化剂，在腐减少。
        2.5回收污染的凝结水危险性
        被腐蚀过程中不消耗，如果测量一下凝结水系统进水和出水的二氧化碳含量，就会发现二氧化碳含量并不蚀产物污染的凝结水一旦进入锅内，就会在传热面发生沉积：
        Fe++ +2H2O →Fe（OH）2 +2 H+
        4Fe（OH）2+O2 + 2H2O →4Fe（OH）3
        2Fe（OH）3 + Fe（OH）2→Fe3O4 + 2H2O
        如果随凝结水进入锅炉的污染物是铜离子，在锅炉水条件下将发生如下腐蚀反应：
        在阳极Fe→Fe++ + 2e
        在阴极Cu +++ 2e→Cu
        沉积物引起的主要问题有：
        （1）金属失效。垢类的导热性很差，沉积在金属表面上就会妨碍传热，可能使金属处于超温状态，甚至过热失效。
        （2）垢下腐蚀。在高温水条件下，将发生铁锈的去极化过程：
        在阳极Fe→Fe++ + 2e
        在阴极Fe2O3.n H2O + 2e→2Fe（OH）2+ 2 OH- +（n-3）H2O
        然后Fe+++ 2 OH- → Fe（OH）2
        Fe（OH）2 + 2Fe（OH）3→Fe3O4 + 4H2O
        如果是铜沉积，在锅炉会发生电偶腐蚀，贵金属铜是阴极受到保护，金属铁是阳极受到腐蚀。
        在金属处于超温状态时，一些在正常温度不能进行的腐蚀反应将顺利进行，一些在正常温度进行得缓慢的的腐蚀反应将大大加速，从而增加了腐蚀的严重性。
        （3）温差电池腐蚀。垢下金属温度高，干净金属温度低，这就为温差电池的形成创造了条件：高温部位电位低，形成腐蚀电池的阳极而增加了腐蚀速度。
        （4）腐蚀性物质浓缩。在锅炉金属表面的这些沉积物大都是多孔性的，这就为溶解在锅水中的腐蚀性物质的浓缩提供了场所。
        2.6凝结水中的二氧化碳
        凝结水中的二氧化碳来自锅炉给水中的碳酸盐碱度，当受热时
        2 HCO3

CO32- + CO2 + H2O
CO32-+ H2O

2OH- + H2O
        氧气可以来自锅炉给水，当锅炉给水没有经过除氧时，一部分氧将随蒸汽混入凝结水中，更多的氧来自回水系统连接不严密的地方，当管内压力小于外界大气压时，氧就会渗入。
        2.6.1通过给水除氧除碱
        要减少凝结水中的二氧化碳和氧含量，可以通过给水除氧除碱，在装置中装置排气管排出二氧化碳，使凝结水在加压下输送，改间歇操作为连续操作等办法来达到。
        2.6.2中和碳酸，提高凝结水的PH值
        将挥发性的碱性物质如环己胺和吗啉等挥发性胺或氨投入锅炉中，这种物质就会随蒸汽一道挥发，溶解于凝结水中，中和碳酸：C6H11NH2 + H2CO3

C6H11NH4CO3
        当凝结水回到除氧器时，上式反应向左方进行，出二氧化碳和部分胺，大部分则重新回到锅炉。
        用这种办法可以使凝结水的PH值提高到7已上，可以大大减轻由二氧化碳引起的酸腐蚀。但是，这并不能防止由溶解氧引起的，成本也比较高，因此此法适用于凝结水中氧含量很少的锅炉房使用。
        2.6.3加入缓蚀剂
        这类缓蚀剂往往是一些分子量大的具有10-18个直链碳原子的胺类物质，如十八烷胺，十六烷胺等。它们能够被吸附在金属表面形成保护膜，从而防止金属受到凝结水的腐蚀。因此，习惯上把这类缓蚀剂
        称为“膜胺”。膜胺能防止二氧化碳和氧引起的腐蚀，用药量少，费用较低，适合于各种凝结水系统使用。
        2.7凝结水的净化
        中和膜和膜胺处理如果还不能完全防止凝结水系统的腐蚀的话，在其进入锅炉前需要净化，例如采用如下处理：
        凝结水→氧化→除铁过滤器→离子交换系统→合格水
        凝结水首先通过氧化器，将水中的Fe++氧化成高价氧化物颗粒，经除铁过滤器除去残留的Fe++，再经离子交换处理，即得到符合要求的水。氧化可采用廉价的软锰矿。由于氧化物颗粒大多能穿过普通滤料，除铁过滤器必须采用精密过滤器或磁力过滤器。
        3.最新发展
        现代锅炉水处理的发展可分为二个时期。1990年代中期以前，锅炉水处理技术的研究开发以安全和节能为中心战略并获得了长足进步，许多重大研究开发成果已转化成一系列技术标准和法规。对工业蒸汽锅炉，普遍采用软化→除氧→排污技术，即采用以软化水以防止结垢，采用机械除氧器-化学除氧剂（亚硫酸钠）除氧以防止腐蚀，采用连续排污和定期排污以保证锅炉水质和工况，从而使锅炉的安全经济性大大提高。1990年代中期以后，随着全球性的环境污染和水资源枯竭，人类的环保和节水意识大大增强，认识到传统的安全和节能战略已不能满足持续发展要求，消灭污染源头的绿色锅炉水处理技术已经成为21世纪锅炉水处理发展的中心战略。在全新的绿色化学的冲击下，美国等发达国家开始致力于零排污锅炉水处理技术的研究开发，水处理技术正酝酿着重大突破。
        对锅炉节水技术来说，在过去很长一段时间，环境问题被安全问题所掩盖。在环境和安全难以兼得时，国内外普遍采取的做法是舍环境而取安全。由于受锅炉水处理技术上不够先进的限制，过去把环境保护和锅炉安全二者对立起来的观点和做法是可以理解的，但从可持续发展战略的高度看则是不可取的。实际上，零排污锅炉水处理技术将使这一问题得到圆满解决。