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浅谈冷凝水回收与处理的应用

发表时间：2021/5/21 来源：《基层建设》2021年第2期作者：凌学炯

[导读] 摘要：工业锅炉冷凝水的回收和利用，直接影响锅炉运行的能耗，是一项利于节能减排的工作。

        斯派莎克工程（中国）有限公司上海 201114
        摘要：工业锅炉冷凝水的回收和利用，直接影响锅炉运行的能耗，是一项利于节能减排的工作。基于此，对冷凝水回收现状和腐蚀机理进行了论述，提出改善和解决方法，介绍冷凝水回收的应用和节能效益分析。
        关键词：冷凝水；回收；腐蚀；改善和解决方法
        1工业蒸汽锅炉冷凝水回收现状
        工业蒸汽锅炉在运行过程中不断产生饱和蒸汽，这些饱和蒸汽对外输出热能，经释放热量冷凝后产生大量冷凝水。一般冷凝水温度60℃-95℃，含有很高的热量。
        如果回收这些冷凝水，并作为锅炉补水使用，至少产生三大价值，1）回收冷凝水中含有的热量，减少锅炉燃料消耗；2）降低软化水装置制水量，减少软化水装置运行费用；3）降低锅炉内溶解固形物TDS，减少锅炉排污量。因此回收冷凝水并作为锅炉补水，有利于节能、节水、环境保护。
        目前由于诸多原因，很多锅炉冷凝水没有回收利用，其中一个原因是冷凝水中铁离子含量很高，有时高达3mg/L，超出国家标准《工业锅炉水质》GB/T1576-2018规定：低压锅炉给水铁含量≤0.3mg/L。铁离子含量超标的冷凝水不能作为锅炉补水，会导致锅炉受热面管产生氧化铁垢，阻碍受热面管传热，传热能力下降，管壁温度升高，当长期超过受热面管子允许壁温后，最终引起受热面管鼓包爆管，严重威胁锅炉安全运行。因此很多工厂企业医院用户直接将冷凝水排放，造成水源浪费，能源损耗，环境污染，同时存在安全隐患。这是一种极大浪费。
        2冷凝水腐蚀机理
        2.1酸性腐蚀
        工业蒸汽锅炉一般采用软化水作为锅炉给水，软化水装置通过钠离子交换树脂的作用，置换水中钙、镁离子。但水中碳酸氢盐HCO3-没有消除，依然存在。在水加热过程中，碳酸氢盐HCO3-受热分解形成CO2，随着温度降低，CO2再次溶解在冷凝水中，与水蒸汽结合形成了碳酸H2CO3，导致冷凝水的PH值下降。
        碳酸H2CO3是一种弱酸，在水中电离的H+不多，但随着在腐蚀中不断消耗，电离平衡被打破，反应向右进行，不断电离H+继续供腐蚀反应，H2CO3逐渐消耗，分解成H+，HCO3-离子，最后发生析氢反应，产生Fe2+离子，反应方程式如下：
        CO2+H20=H2CO3
        H2CO3=H++HCO3-
        阳极反应：Fe→Fe2++2e-
        阴极反应：2H++2e-→H2
        二氧化碳腐蚀的产物是易溶的，不会沉积在金属表面，所以二氧化碳腐蚀是均匀腐蚀。
        2.2氧腐蚀
        冷凝水中O2来源：1）锅炉由于间断供汽或停机阶段空气溶入管道系统；2）锅炉给水系统未经过除氧或者除氧效果不理想，含有O2的给水进入锅炉及管道系统；3）冷凝水回收系统为开式回收系统，冷凝水箱有呼吸孔直接与大气接触，由于水箱内氧的浓度与水箱外空气氧的浓度存在浓度压力差，空气中氧气源源不断溶入冷凝水箱。这些原因都会导致在设备及碳钢管道的内部发生氧腐蚀，即吸氧反应产生Fe2+离子，其反应方程式如下：
        阳极反应：Fe→Fe2++2e-
        阴极反应：O2+2H2O+4e-→4OH-
        上述反应产物Fe2+离子会在水中与相关物质进一步反应，产生Fe3+离子以及氧化铁沉淀，这些腐蚀沉淀会在金属表面形成直径1mm-30mm不等的鼓包。受污染的冷凝水通常呈红褐色，受腐蚀严重度的影响，腐蚀越严重颜色越深，从发黄、发红、血红、红褐色、酱油色。氧腐蚀一旦形成，就很难阻止腐蚀过程的继续。影响氧腐蚀主要因素有：1）PH值：PH值越小，腐蚀速度越快；2）溶解氧浓度：溶解氧浓度越大，氧腐蚀速度越快，但当PH＞7时，金属表面会形成一层致密的保护膜，阻碍氧腐蚀的继续；3）温度：温度越高，氧的扩散速度快，氧腐蚀速度越快；4）水流速：水流速越大，水中各物质扩散速度越大，氧气扩散到金属表面速度增加，氧腐蚀速度越快；反应方程式如下：
        Fe2++2OH-→Fe(OH)2
        4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3
        Fe(OH)2+2Fe(OH)3→Fe3O4+4H2O
        3改善和解决方法
        通对以上腐蚀机理分析，一般采取有如下几个措施：
        3.1冷凝水回收系统设备及管网采用不锈钢材质，有效防止二氧化碳腐蚀和氧腐蚀，延长管网腐蚀时间，增加冷凝水系统运行寿命，适用于对蒸汽品质要求比较高的系统；
        3.2对于酸性腐蚀可以采用化学药剂进行处理，通过提高回水PH值，来阻止腐蚀的发生，这个措施适用于蒸汽用途单一的蒸汽间接换热系统，以此来改善冷凝水运行环境。但对于蒸汽与物料直接接触的地方和对于蒸汽品质要求高的地方不适用，例如食品行业和药品行业；
        3.3锅炉房增加给水除氧系统，减少给水中溶解氧，并保证其正常运行；
        3.4蒸汽和冷凝水输送管道安装排空气阀，系统停机后及时排除管道中的冷凝水，减少溶解氧；
        3.5在回收利用冷凝水之前，增加冷凝水处理单元，对冷凝水进行集中处理；受污染的冷凝水回收至冷凝水箱，通过水泵增压至冷凝水处理单元，经处理合格后再送至软水箱/除氧器，作为锅炉的补水。
        冷凝水处理单元包括二级系统，第一级为精密除铁过滤器，通过内置的特殊耐高温材质滤芯将氧化铁沉淀、Fe3+离子以及其它杂质进行物理过滤拦截。
        第二级为冷凝水清洁器，通过内部装填的除铁除硬滤料去除冷凝水中的Fe2+离子，Ca2+离子和Mg2+离子（硬度）以及其它残余的铁锈和杂质。
        冷凝水处理单元配置PLC全自动控制系统，具备一键自动运行，运行主界面友好，触摸操作简单；系统运行参数可调；历史运行曲线记录；运行参数异动报警；手动/自动自由切换等功能。定期实现反洗、再生、正洗、运行操作步骤，保持设备良好的运行效果。
        流程示意图如下：

        4冷凝水回收的应用
        我们在南京某三甲医院锅炉房蒸汽系统调研中发现，蒸汽主管冷凝水、分汽缸冷凝水、用汽设备换热器冷凝水中铁离子含量和电导率都超标。锅炉房现有冷凝水箱内收集大量的冷凝水无法作为锅炉补水使用，通过补充市政水自然降温冷却后排放。我们和医院基建部门详细评估技术方案，双方达成共识后，在冷凝水箱和除氧器系统之间安装了冷凝水处理单元一套。运行对比发现，冷凝水未处理时目测颜色泛黄，处理后目测非常清澈，效果显著。通过冷凝水取样检测结果显示处理后冷凝水铁离子含量0.18mg/L，铁离子含量达标。时隔1年后，再次增加冷凝水处理单元一套。附采样对比图：

             未处理冷凝水                         处理后冷凝水
        5冷凝水回收节能效益分析
        5.1锅炉房蒸汽及冷凝水数据采集
        锅炉房现有蒸汽锅炉共5台，其中2台燃气蒸汽锅炉，额定蒸发量10t/h，额定蒸汽压力1.0MPa；1台燃油燃气蒸汽锅炉，额定蒸发量10t/h，额定蒸汽压力1.0MPa；2台燃气蒸汽锅炉，额定蒸发量6t/h，额定蒸汽压力1.0MPa；锅炉辅机包括热力除氧器、自动软水器、冷凝水箱、软水箱、分汽缸等；
        冷凝水回收量：25-27t/h
        冷凝水平均回收量：26t/h
        冷凝水回收温度：80-90℃
        冷凝水回收平均温度：85℃
        市政水温度：5℃
        锅炉燃烧燃料：天然气；天然气低位热值36533KJ/Nm³，天然气单价3.39元/Nm³
        锅炉燃烧效率取90%；
        市政水费及排污处理费：3元/t
        软水处理综合费：1.5元/t
        计算天数：365天
        年冷凝水回收量：26t/hx24h/dx365d/年=227760t/年
        5.2节能效益

        实际节能效益还有减少了锅炉排污，降低了能量损失，冷凝水几乎不包含溶解固形物（TDS），回收较多的冷凝水意味着排污减少；提高了锅炉给水温度，可以产生更多的蒸汽，同时提高了蒸汽品质；
        6结论
        经过冷凝水处理单元有效处理，使冷凝水中铁含量大幅降低，符合国家标准《工业锅炉水质》GB/T1576-2018。冷凝水回收产生的经济效益有：节约能源的量（水）、节约的软化水生产量、节约的热量，同时还减少排放带来的环境污染。
        参考文献
        [1]李长林,张文品.锅炉蒸汽冷凝水回收利用方法.科协论坛（下半月），2009，（10）
        [2]徐佳,张宇舟.蒸汽冷凝水回收中的除铁技术.工业锅炉,2008,（06）
        [3]GB/T1576-2018工业锅炉水质
        [4]GB50015-2019建筑给水排水设计标准
        [5]燃油燃气锅炉房设计手册.机械工业出版社