水处理保护剂在低压蒸汽锅炉上的应用

杨林（大庆油田有限责任公司储运销售分公司）

锅炉水质的好坏对锅炉安全运行、能源消耗及锅炉使用寿命等方面均有很大影响，改善锅炉水处理对锅炉的安全状况具有十分重要的意义。然而，现行的锅炉水处理存在诸多问题，使锅炉水达不到GD1576—2001 工业锅炉水质的要求，造成锅炉腐蚀、结垢严重，易产生工伤事故并浪费了大量能源[1]。

大庆油田各油库低压蒸汽锅炉凝结水水质普遍不达标，大部分蒸汽凝结水直接外排，能源浪费严重。其中南一油库情况最为严重，所以将其作为重点调查和研究对象。南一油库现有6 t/h 蒸汽锅炉4台，负责生产区工艺用气、生产区采暖及生活区采暖。蒸汽冷凝水呈明显铁锈色，内有悬浮杂质，蒸汽伴热回水对采暖管网存在严重腐蚀，蒸汽锅炉运行1～2年就需要化学清洗，蒸汽伴热管网一般使用寿命为4年。

1 蒸汽冷凝水水质较差的原因

针对蒸汽冷凝水呈酸性的问题，广泛查找相关资料，发现这是一个普遍存在的现象，很多工厂、车间的蒸汽冷凝水均因水质不合格而无法回收利用。通过深入分析研究，了解到冷凝水呈酸性是因为溶入了微量CO2，呈砖红色是蒸汽回水管线内部发生了酸腐蚀和氧腐蚀，产生大量铁的氧化物所致。

由于低压锅炉用水没有进行降碱处理，锅炉补给水中含有碳酸氢盐，碳酸氢根进入锅炉后将分解成CO2气体，随着蒸汽一起进入蒸汽管网：

CO2气体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虽然只显弱酸性，但由于蒸汽一般都比较纯净，冷凝成水后少量的CO2就会使其pH 值显著降低。当每升纯水中溶有1 mg CO2时，其pH 值便可由7.0 降至5.5 左右（表1）。

表1 CO2对纯水pH 值的影响

由于低于10 t/h 的蒸汽锅炉用水一般不进行除氧处理，给水中的溶解氧进入锅炉，随着蒸汽一起带出，热量释放后溶解到蒸汽冷凝水中；如果蒸汽冷凝水回收系统不密闭，空气中的溶解氧也会溶解到冷凝水中，进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气体和溶解氧，发生一系列化学反应，对冷凝回水系统的设备、管道和阀门造成腐蚀。

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

通过上述反应，生成了一定量的铁离子和铁的氧化物，并混入蒸汽冷凝水中，使冷凝水的颜色偏红色，严重时呈现砖红色。

在采暖期内，蒸汽伴热管网与冷凝水接触，浸泡在酸性溶液内，发生酸腐蚀；采暖期结束后，管网内残留了少许冷凝水，其余部分充满空气，处于酸腐蚀和氧腐蚀双重作用下，造成许多蒸汽伴热管网腐蚀情况严重。

2 探索适合低压蒸汽系统的水处理药剂配方并开展相关试验

通过对目前国内外锅炉水处理技术以及常用的水处理药剂进行文献调研，并结合南一油库低压蒸汽锅炉回水化验结果，制定了水处理药剂实验方案，并以水合肼和丙酮肟为主要成分，最终研制出一种适合锅炉用水的多功能保护剂。

2.1 水合肼和丙酮肟的作用原理

水合肼为一种强还原剂，可以与水中具有氧化性能的物质发生氧化还原反应。对南一油库蒸汽锅炉水进行分析，其中起作用的主要是水中的溶解氧和铁的氧化物。向锅炉给水加入水合肼，不但能脱氧，还能防止锅炉内铁垢的生成，起到缓蚀的双重作用。具体反应原理如下：

N2H4+O2→N2+H2O

N2H4+Fe2O3→N2+Fe3O4+H2O

N2H4+ Fe3O4→N2+FeO+H2O

N2H4+ FeO→N2+Fe+H2O

丙酮肟具有较强的还原性，很容易与给水中的氧反应，降低给水中的溶解氧含量，反应式如下：

2C3H7NO + O2→2C3H6CO + N2O + H2O

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

同时，丙酮肟也同金属发生钝化反应，反应式如下：

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

在充分收集两种化学药品的相关资料后，开展试验，期待它能够从根本上解决几座油库蒸汽伴热回水水质较差、腐蚀管网的问题。

2.2 保护剂的配备及实验过程

首先称取一定量的水合肼和丙酮肟，在室温下溶解到一定量的水中，然后向其中加入适量的融合剂和调和剂，配制成不同浓度的水溶液。其中，复配剂1 水合肼与丙酮肟的摩尔比为7∶3，复配剂2水合肼与丙酮肟的摩尔比为1∶1，复配剂3 水合肼与丙酮肟的摩尔比为3∶7，其他条件均不变。在处理温度25 ℃、处理体系pH 值8.0、除盐水、处理时间30 min 的条件下，考察了不同处理剂浓度对锅炉水处理效果的影响。

实验得出，当5 种保护剂随加药量增加、水中溶解氧减少时，其中纯水合肼及丙酮肟的处理效果不如复配剂的处理效果。3 种复配剂的除氧效果比较接近，但复配剂1 的处理效果最佳；当加药量为理论加药量的0.8 倍时，除氧率可达90%以上。

除了以上针对保护剂的配比浓度进行实验外，还针对保护剂处理时间、处理温度逐项进行实验。结果显示，当处理时间达到30 min、处理温度达到30 ℃时，复配剂1 使水中的溶解氧含量下降了理论值的90%，起到了良好的消耗氧效果。

通过对5 种水处理保护剂的性能研究发现，单一的水合肼和丙酮肟对蒸汽锅炉水进行处理，效果不是很理想，然而将二者按一定比例进行复配，通过调和剂和融合剂进行混合均匀后，对蒸汽锅炉水的处理效果比较理想，并且处理条件比较温和，可操作性也较强。

2.3 开展先期试验验证药剂防腐蚀效果

为了保证设备安全运行，确保蒸汽管网加药试验结果有效，药剂浓度选定后，没有立即投入使用，而是先针对药剂的防腐蚀效果做了一个实验。取3 个容量瓶，分别装入等量自来水、蒸汽冷凝水、保护剂水溶液，标号分别为①、②、③。再将钢管截成3 段，纵向剖开，分别装入上述盛有不同溶液的容器中，封闭瓶口，观察瓶内管段的腐蚀情况。10 个月后，对比实验结果，发现自来水、冷凝水瓶内的管段腐蚀较严重，表面布满腐蚀产物，尤其冷凝水容器底部出现砖红色沉淀。拨动冷凝水样中的管段时，表面的腐蚀物成块脱落。而保护剂水溶液中的管段表面仅有少量砖红色斑点腐蚀，瓶底部出现少量絮状沉淀（图1～图3），表明保护剂对减缓钢管腐蚀起到了积极作用。

3 应用效果及前景

该成果已在大庆油田南一油库、南三油库、北油库、西油库等15 座低压蒸汽锅炉上进行了应用。成果应用后，冷凝水铁含量从1.38 mg/L 下降到0.3 mg/L 以下，pH 值从6.0 上升到8.0 以上，水质呈无色透明；通过加注水处理药剂有效减缓了管线腐蚀速率，延长管线使用寿命；回水利用率达到100%，有效提高了锅炉给水温度，节约天然气14%。通过此项措施4 座油库年可节约蒸汽冷凝水15×104t，节约天然气用量330×104m3，节约生产成本350 多万元。

图1 溶液封存情况

图2 水质变化情况对比

图3 管线腐蚀情况对比

蒸汽冷凝水水质问题是企业面临的一个普遍问题，很多工厂、车间都存在蒸汽冷凝水质不合格、不能回收利用的现象，造成能源、资源大量浪费。此蒸汽锅炉水处理保护剂可广泛用于油田内外蒸汽回水不达标的低压蒸汽锅炉上，将给企业带来显著的经济效益和社会效益。

[1]侯红霞.浅谈锅炉水质处理工作的重要性[J].同煤科技,2006,28(4):38.