水處理保護劑在低壓蒸汽鍋爐上的應用

楊林（大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司）

鍋爐水質的好壞對鍋爐安全運行、能源消耗及鍋爐使用壽命等方面均有很大影響，改善鍋爐水處理對鍋爐的安全狀況具有十分重要的意義。然而，現行的鍋爐水處理存在諸多問題，使鍋爐水達不到GD1576—2001 工業鍋爐水質的要求，造成鍋爐腐蝕、結垢嚴重，易產生工傷事故并浪費了大量能源[1]。

大慶油田各油庫低壓蒸汽鍋爐凝結水水質普遍不達標，大部分蒸汽凝結水直接外排，能源浪費嚴重。其中南一油庫情況最為嚴重，所以將其作為重點調查和研究對象。南一油庫現有6 t/h 蒸汽鍋爐4臺，負責生產區工藝用氣、生產區采暖及生活區采暖。蒸汽冷凝水呈明顯鐵銹色，內有懸浮雜質，蒸汽伴熱回水對采暖管網存在嚴重腐蝕，蒸汽鍋爐運行1～2年就需要化學清洗，蒸汽伴熱管網一般使用壽命為4年。

1 蒸汽冷凝水水質較差的原因

針對蒸汽冷凝水呈酸性的問題，廣泛查找相關資料，發現這是一個普遍存在的現象，很多工廠、車間的蒸汽冷凝水均因水質不合格而無法回收利用。通過深入分析研究，了解到冷凝水呈酸性是因為溶入了微量CO2，呈磚紅色是蒸汽回水管線內部發生了酸腐蝕和氧腐蝕，產生大量鐵的氧化物所致。

由于低壓鍋爐用水沒有進行降堿處理，鍋爐補給水中含有碳酸氫鹽，碳酸氫根進入鍋爐后將分解成CO2氣體，隨著蒸汽一起進入蒸汽管網：

CO2氣體溶解到蒸汽冷凝水中就形成碳酸，使蒸汽冷凝水的pH 值在5.5～6.5，呈弱酸性。

CO2+ H2O→HCO3-+ H+

水中CO2雖然只顯弱酸性，但由于蒸汽一般都比較純凈，冷凝成水后少量的CO2就會使其pH 值顯著降低。當每升純水中溶有1 mg CO2時，其pH 值便可由7.0 降至5.5 左右（表1）。

表1 CO2對純水pH 值的影響

由于低于10 t/h 的蒸汽鍋爐用水一般不進行除氧處理，給水中的溶解氧進入鍋爐，隨著蒸汽一起帶出，熱量釋放后溶解到蒸汽冷凝水中；如果蒸汽冷凝水回收系統不密閉，空氣中的溶解氧也會溶解到冷凝水中，進一步增加蒸汽冷凝水中溶解氧的含量。蒸汽冷凝水中含有CO2氣體和溶解氧，發生一系列化學反應，對冷凝回水系統的設備、管道和閥門造成腐蝕。

2 CO2+2 H2O +Fe→Fe(HCO3)2+H2↑

Fe(HCO3)2→Fe(OH)2+2 CO2↑

4Fe(OH)2+ 2O2+2 H2O→4Fe(OH)3

2Fe(OH)3→Fe2O3↓+3H2O

通過上述反應，生成了一定量的鐵離子和鐵的氧化物，并混入蒸汽冷凝水中，使冷凝水的顏色偏紅色，嚴重時呈現磚紅色。

在采暖期內，蒸汽伴熱管網與冷凝水接觸，浸泡在酸性溶液內，發生酸腐蝕；采暖期結束后，管網內殘留了少許冷凝水，其余部分充滿空氣，處于酸腐蝕和氧腐蝕雙重作用下，造成許多蒸汽伴熱管網腐蝕情況嚴重。

2 探索適合低壓蒸汽系統的水處理藥劑配方并開展相關試驗

通過對目前國內外鍋爐水處理技術以及常用的水處理藥劑進行文獻調研，并結合南一油庫低壓蒸汽鍋爐回水化驗結果，制定了水處理藥劑實驗方案，并以水合肼和丙酮肟為主要成分，最終研制出一種適合鍋爐用水的多功能保護劑。

2.1 水合肼和丙酮肟的作用原理

水合肼為一種強還原劑，可以與水中具有氧化性能的物質發生氧化還原反應。對南一油庫蒸汽鍋爐水進行分析，其中起作用的主要是水中的溶解氧和鐵的氧化物。向鍋爐給水加入水合肼，不但能脫氧，還能防止鍋爐內鐵垢的生成，起到緩蝕的雙重作用。具體反應原理如下：

N2H4+O2→N2+H2O

N2H4+Fe2O3→N2+Fe3O4+H2O

N2H4+ Fe3O4→N2+FeO+H2O

N2H4+ FeO→N2+Fe+H2O

丙酮肟具有較強的還原性，很容易與給水中的氧反應，降低給水中的溶解氧含量，反應式如下：

2C3H7NO + O2→2C3H6CO + N2O + H2O

4(CH3)2C=N-OH + O2→4(CH3)2C=O + 2N2+ H2O

同時，丙酮肟也同金屬發生鈍化反應，反應式如下：

2C3H7NO + 6Fe2O3→2C3H6CO + N2O + 4Fe3O4+H2O

在充分收集兩種化學藥品的相關資料后，開展試驗，期待它能夠從根本上解決幾座油庫蒸汽伴熱回水水質較差、腐蝕管網的問題。

2.2 保護劑的配備及實驗過程

首先稱取一定量的水合肼和丙酮肟，在室溫下溶解到一定量的水中，然后向其中加入適量的融合劑和調和劑，配制成不同濃度的水溶液。其中，復配劑1 水合肼與丙酮肟的摩爾比為7∶3，復配劑2水合肼與丙酮肟的摩爾比為1∶1，復配劑3 水合肼與丙酮肟的摩爾比為3∶7，其他條件均不變。在處理溫度25 ℃、處理體系pH 值8.0、除鹽水、處理時間30 min 的條件下，考察了不同處理劑濃度對鍋爐水處理效果的影響。

實驗得出，當5 種保護劑隨加藥量增加、水中溶解氧減少時，其中純水合肼及丙酮肟的處理效果不如復配劑的處理效果。3 種復配劑的除氧效果比較接近，但復配劑1 的處理效果最佳；當加藥量為理論加藥量的0.8 倍時，除氧率可達90%以上。

除了以上針對保護劑的配比濃度進行實驗外，還針對保護劑處理時間、處理溫度逐項進行實驗。結果顯示，當處理時間達到30 min、處理溫度達到30 ℃時，復配劑1 使水中的溶解氧含量下降了理論值的90%，起到了良好的消耗氧效果。

通過對5 種水處理保護劑的性能研究發現，單一的水合肼和丙酮肟對蒸汽鍋爐水進行處理，效果不是很理想，然而將二者按一定比例進行復配，通過調和劑和融合劑進行混合均勻后，對蒸汽鍋爐水的處理效果比較理想，并且處理條件比較溫和，可操作性也較強。

2.3 開展先期試驗驗證藥劑防腐蝕效果

為了保證設備安全運行，確保蒸汽管網加藥試驗結果有效，藥劑濃度選定后，沒有立即投入使用，而是先針對藥劑的防腐蝕效果做了一個實驗。取3 個容量瓶，分別裝入等量自來水、蒸汽冷凝水、保護劑水溶液，標號分別為①、②、③。再將鋼管截成3 段，縱向剖開，分別裝入上述盛有不同溶液的容器中，封閉瓶口，觀察瓶內管段的腐蝕情況。10 個月后，對比實驗結果，發現自來水、冷凝水瓶內的管段腐蝕較嚴重，表面布滿腐蝕產物，尤其冷凝水容器底部出現磚紅色沉淀。撥動冷凝水樣中的管段時，表面的腐蝕物成塊脫落。而保護劑水溶液中的管段表面僅有少量磚紅色斑點腐蝕，瓶底部出現少量絮狀沉淀（圖1～圖3），表明保護劑對減緩鋼管腐蝕起到了積極作用。

3 應用效果及前景

該成果已在大慶油田南一油庫、南三油庫、北油庫、西油庫等15 座低壓蒸汽鍋爐上進行了應用。成果應用后，冷凝水鐵含量從1.38 mg/L 下降到0.3 mg/L 以下，pH 值從6.0 上升到8.0 以上，水質呈無色透明；通過加注水處理藥劑有效減緩了管線腐蝕速率，延長管線使用壽命；回水利用率達到100%，有效提高了鍋爐給水溫度，節約天然氣14%。通過此項措施4 座油庫年可節約蒸汽冷凝水15×104t，節約天然氣用量330×104m3，節約生產成本350 多萬元。

圖1 溶液封存情況

圖2 水質變化情況對比

圖3 管線腐蝕情況對比

蒸汽冷凝水水質問題是企業面臨的一個普遍問題，很多工廠、車間都存在蒸汽冷凝水質不合格、不能回收利用的現象，造成能源、資源大量浪費。此蒸汽鍋爐水處理保護劑可廣泛用于油田內外蒸汽回水不達標的低壓蒸汽鍋爐上，將給企業帶來顯著的經濟效益和社會效益。

[1]侯紅霞.淺談鍋爐水質處理工作的重要性[J].同煤科技,2006,28(4):38.