高純度水和由此產(chǎn)生的蒸汽構(gòu)成大多數(shù)工藝裝置的生命線,。設(shè)備故障和由于水/蒸汽問題而導(dǎo)致的減產(chǎn)，每年可能會花費數(shù)十萬美元或更多的費用,。更糟糕的是,，有些故障會造成人身傷害或人員死亡。因此,，本文我們將討論與蒸汽發(fā)生器有關(guān)的水處理和化學(xué)控制的幾個重要問題,。
讓我們從一個案例開始。幾年前,，我和一位同事參觀了美國中西部一家有機化學(xué)品廠,，由于內(nèi)部結(jié)垢，這家工廠的四臺550 psig機組鍋爐中的蒸汽過熱器管束,，不得不每兩年左右進行一次更換,。我們首先察看了一根最近拆卸的管束，其內(nèi)管表面上有大約¼英寸厚的沉積物,。
然后我們檢查了鍋爐,，立刻注意到飽和蒸汽取樣管線上流出泡沫。隨后的調(diào)查顯示,，鍋爐冷凝液回流中的總有機碳TOC濃度有時達(dá)到200 ppm,，ASME指南[1]要求在這種壓力下的鍋爐，TOC的最大濃度為0.5 ppm,。因此,，很容易看出為什么鍋爐水中存在大量泡沫，以及為什么雜質(zhì)會持續(xù)地被帶到到過熱器,。
雜質(zhì)的影響
雜質(zhì)會引起腐蝕,、結(jié)垢等問題。隨著鍋爐壓力和溫度的升高,，這些情況變得更加嚴(yán)重,。幸運的是，電力行業(yè)已經(jīng)吸取了一些直接應(yīng)用于化工裝置的經(jīng)驗教訓(xùn),，特別是那些因工藝需要或發(fā)電而產(chǎn)生高壓蒸汽的裝置,。例如，表1和表2總結(jié)了電力研究所(Electric Power Research Institute，EPRI)為熱回收蒸汽發(fā)生器的補給水排放和冷凝液泵排放制定的指導(dǎo)方針[2],。
熱回收蒸汽發(fā)生器補給水的一般化學(xué)限值*
熱回收蒸汽發(fā)生器冷凝液泵排放的一般化學(xué)限值*
圖1氫氣分子滲入金屬壁
——注意這里的厚唇故障
對其中一些雜質(zhì)影響的研究,，揭示了為什么限值如此之低?？紤]氯化物,。即使是從冷凝器管泄漏或受污染的冷凝液回流少量進入蒸汽發(fā)生器，如果長期存在且未被鍋爐水處理程序中和,，將集中在鍋爐內(nèi)部構(gòu)件的沉積物之下,。高溫鍋爐環(huán)境中的氯鹽可根據(jù)以下條件與水發(fā)生反應(yīng)：
所產(chǎn)生的鹽酸本身可能會造成一般腐蝕——更糟糕的是，酸會在沉積物之下積聚,，在那里會與鐵發(fā)生反應(yīng)生成氫,。氫氣分子滲入金屬壁，然后與鋼中的碳原子結(jié)合生成甲烷(CH4)：
形成的氣態(tài)甲烷和氫分子會造成鋼出現(xiàn)裂紋,，這會大大削弱鋼的強度(圖1),。氫損傷是非常麻煩的問題，因為不容易檢測到,。發(fā)生此類損壞后,，工廠可能會更換管道，但會發(fā)現(xiàn)其他管線繼續(xù)破裂,。我曾經(jīng)是一個必須處理1250 psig公用工程鍋爐氫損傷問題的團隊中的一員,。在知道冷凝器泄漏的情況下，運行人員堅持將設(shè)備運行了數(shù)周,。盡管我們團隊盡了最大努力保持足夠的鍋爐水的化學(xué)性質(zhì),，但最終結(jié)果是大范圍的氫損傷，要求對整臺鍋爐重新更換管線,。
電導(dǎo)率和鈉的測定非常簡單,，對于檢測污染物是否進入蒸汽發(fā)生器非常好。當(dāng)然,，這種監(jiān)測只有在化學(xué)專家或操作人員迅速采取補救措施時才具有實際價值[3],。正如已經(jīng)指出的,，有機化合物會造成蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)問題,，并在高溫下分解形成短鏈有機酸和二氧化碳，這可能會對蒸汽和冷凝液回流的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重大影響,。
滿足補給水指南需要有可靠的高純水處理系統(tǒng),。一種非常常見的方法是采用二級反滲透(RO)，其中包括精制混床離子交換裝置或進行最終的電極電離,。由于RO膜非常容易受到顆粒物質(zhì)污染,，因此需要在上游進行過濾，這其中微濾或超濾越來越受歡迎[4]。
化學(xué)處理問題
幾十年前,，人們普遍認(rèn)為,，所有的氧都應(yīng)該從鍋爐給水中去除，否則會造成嚴(yán)重的腐蝕,。當(dāng)一臺設(shè)備停工且空氣會進入系統(tǒng)時,，的確如此。然而,，在正常運行期間,，除非冷凝液/給水系統(tǒng)含有銅合金，否則這種想法已被證明是錯誤的,。不管怎樣,，這種信念催生一個給水調(diào)理的化學(xué)程序，稱之為還原性全揮發(fā)處理(All-Volatile Treatment Reducing,，AVT(R)),，用氨或胺進料建立了一個適度基本的pH值和還原劑(氧清除劑)注入，以去除從機械除氧器中逸出的氧氣,。對于高壓設(shè)備,，常用的還原劑曾經(jīng)是肼，但現(xiàn)在已經(jīng)用更為安全的化學(xué)物質(zhì)取代了,。
圖2 單相FAC導(dǎo)致壁厚大幅變薄
現(xiàn)在已經(jīng)知道AVT(R)化學(xué)過程會導(dǎo)致給水系統(tǒng)的流體加速腐蝕(FAC),；這會導(dǎo)致壁厚變薄(圖2)，并最終導(dǎo)致災(zāi)難性故障,。過去30年,，美國幾次流體加速腐蝕導(dǎo)致的故障曾導(dǎo)致人員死亡。
簡而言之,，蒸汽發(fā)生器投入使用時,，碳鋼形成了一層薄的磁鐵(Fe3O4)。流體擾動和還原環(huán)境結(jié)合在一起會導(dǎo)致鐵離子從鋼/磁鐵基體中浸出,，從而引起壁厚變薄,。溫度和pH值影響溶解程度，通常在150℃左右達(dá)到峰值,，并且隨pH值(如9及以下)的降低而升高,。
因此，最容易發(fā)生這種腐蝕的區(qū)域是傳統(tǒng)蒸汽發(fā)生器的給水/節(jié)能器系統(tǒng),，以及熱回收蒸汽發(fā)生器的低壓,，有時是中壓節(jié)能器和蒸發(fā)器。
對于給水系統(tǒng)中不含銅合金的設(shè)備(如熱回收蒸汽發(fā)生器),，推薦的給水處理已變成氧化性全揮發(fā)處理(All-Volatile Treatment Oxidizing,，AVT(O)),。這一程序允許(正常)通過冷凝器泄漏的少量氧氣得以保留，甚至可能注入一點補充氧氣,，從而使給水中溶解的氧氣濃度保持在5-10 ppb范圍內(nèi),。氨或胺的加入使pH值維持在中間至上限9的范圍內(nèi)。在這些條件下,，磁鐵層散布其中并被一層水合氧化鐵(FeOOH)覆蓋,。隨著還原環(huán)境的消除，其保護作用非常顯著,。但該程序僅在陽離子電導(dǎo)率小于0.2 μS/cm的高純水中有效,。否則，會導(dǎo)致氧腐蝕,。因此,，冷凝液回流可能產(chǎn)生高電導(dǎo)率升高的裝置不應(yīng)采用AVT(O)。
推薦的熱回收蒸汽發(fā)生器鍋爐水監(jiān)測點
關(guān)于給水的化學(xué)監(jiān)測,，表2中引用的冷凝液泵排放陽離子電導(dǎo)率,、pH值和鈉的一般限值均適用。這是可以理解的,，因為許多現(xiàn)代工業(yè)蒸汽發(fā)生器和幾乎所有的熱回收蒸汽發(fā)生器都沒有給水加熱器,；因此，在蒸汽發(fā)生器的通道中,，冷凝液的化學(xué)性質(zhì)變化很小,。但是，熱回收蒸汽發(fā)生器給水的建議溶解氧范圍為5–10 ppb,。還建議采用總鐵監(jiān)測,，最好使用腐蝕產(chǎn)物取樣器，以確保程序(無論是AVT(O)或替代程序)充分保護冷凝液和給水管線,。在適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)條件下,，給水中的總鐵含量應(yīng)保持在2 ppb以下。如果出于某種原因,，需要AVT(R),，腐蝕產(chǎn)物取樣器也會收集銅腐蝕產(chǎn)物，這為銅腐蝕控制提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù),。
鍋爐水處理
八十年來,，蒸汽發(fā)生化學(xué)專家一直利用磷酸鈉化合物對汽包鍋爐水冷壁回路進行腐蝕控制并防止固體物沉積。目前,，對于高壓裝置,，磷酸三鈉(TSP-Na3PO4)是推薦的種類，可能會補充少量的苛性堿(NaOH)以提高開車時的pH值,。三磷酸鈉通過以下方式在鍋爐中產(chǎn)生弱堿性：
堿性在一定程度上會減輕等式2中的影響,。三磷酸鈉的優(yōu)點還有通過與硬性離子(鈣和鎂)反應(yīng)，形成可被排出的軟淤泥,。
三磷酸鈉的一個缺點是,，當(dāng)溫度超過300?F時，其溶解度大大降低,。因此,，在滿負(fù)荷的高壓裝置中，大部分磷酸鹽沉淀在水冷壁管和其他內(nèi)件上,。這種現(xiàn)象通常被稱為“隱藏”,。許多裝置化學(xué)專家現(xiàn)在運行裝置的散裝水磷酸鹽濃度約為1–2 ppm，是因為知道大部分原來的磷酸鹽已隱藏,，并將在鍋爐負(fù)荷降低或停工時重新溶解,。
鍋爐水化學(xué)處理和監(jiān)測在很大程度上是設(shè)計用于保護蒸汽純度的。對于通過汽輪機發(fā)電的裝置來說尤其如此,。表3匯總了最重要的檢測指標(biāo),。
推薦的蒸汽樣品檢測指標(biāo)
在很大程度上，給水和鍋爐水化學(xué)性質(zhì)的化學(xué)指南旨在防止過量雜質(zhì)帶入蒸汽,，如果蒸汽驅(qū)動一臺或多臺汽輪機機,，這一點尤其重要。汽輪機是精密機械,，需要仔細(xì)的安裝,、平衡和操作。(有關(guān)汽輪機的更多信息,，請參閱：“依靠汽輪機”,。)表4詳細(xì)說明了最重要的指導(dǎo)原則。
預(yù)防問題
正確的蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)至關(guān)重要,，因為需要一直監(jiān)測和控制化學(xué)反應(yīng),。忽視冷凝液回流、鍋爐給水,、鍋爐水或蒸汽化學(xué)反應(yīng),，從成本和安全角度來看，代價都很大,。
此外,，正確的蒸汽發(fā)生器停工、保養(yǎng)和開工程序是關(guān)鍵問題,，尤其是防止停用氧氣腐蝕[6,7],。
原文英文版收錄于《Chemical Processing》2015年刊，
作者：Brad Buecker, Kiewit Engineering & Design
參考文獻(xiàn)
1.“現(xiàn)代鍋爐給水和鍋爐水化學(xué)性質(zhì)控制操作規(guī)程共識”,，美國機械工程師協(xié)會(ASME),，紐約市(1994),。
2.“聯(lián)合循環(huán)/熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)綜合循環(huán)化學(xué)指南”，出版編號3002001381,，美國電力研究協(xié)會(EPRI),，帕洛阿爾托，加州(2013),。
3.Buecker,，B.和D.McGee，“改進水/蒸汽化學(xué)控制和裝置可靠性的智能系統(tǒng)”,，電力工程(2014年5月),。
4.Buecker，B.,，“微型或超過濾和反滲透：工業(yè)水處理的流行組合”,，工業(yè)水世界(2014年1月/2月)。
5.“技術(shù)指導(dǎo)文件：汽輪機運行用蒸汽純度”,，水和蒸汽特性國際協(xié)會,，倫敦(2013)。
6.Mathews,，J.,，“化石裝置的保養(yǎng)規(guī)程”，電力(2013年2月),。
7.Buecker,，B.和D.Dixon，“聯(lián)合循環(huán)熱回收蒸汽發(fā)生器停工,、保養(yǎng)和開工化學(xué)控制”,，電力工程(2012年8月)。
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