蒸汽凝结水回用对工业锅炉的腐蚀风险分析

张居光 黄 容 吴继权

（深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518029）

蒸汽凝结水回用对工业锅炉的腐蚀风险分析

张居光 黄 容 吴继权

（深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518029）

蒸汽凝结水回收利用可促进锅炉节能减排，已获广泛应用。而凝结水系统的腐蚀产物及漏入的其他杂质进入锅炉，锅水中杂质离子的组成关系发生改变。当锅炉排污率太低时，一些次要杂质对锅炉的腐蚀风险亟待重视。建议采取给水除氧、选择适当水处理药剂，以及加强凝结水水质化验等措施来控制锅炉的腐蚀风险。

蒸汽凝结水 工业锅炉 腐蚀风险 回用

蒸汽作为一种能量传递介质，其能量主要有显热和潜热组成。蒸汽做功或传热后，释放潜热，凝结成同温同压下的饱和水，既凝结水。蒸汽压力0.1MPa～1MPa下的蒸汽凝结后，凝结水具有蒸汽全热能的20%～30%，回收蒸汽凝结水的热量并加以利用，既可提高锅炉给水温度，也可减少锅炉补给水用量，是提高锅炉的热效率的有效途径[1]。

蒸汽凝结水回用的应用，相关报道很多[2-3]。深圳地区的在用工业锅炉有1000多台，具备凝结水回用条件的约1/2。广州地区约3000多台工业锅炉，具备凝结水回用条件的占2/3[4]。理论上，蒸汽凝结水是纯净的，是非常好的锅炉补给水。但是回收系统无论采用开式还是封闭式，凝结水系统热力设备腐蚀问题难以很好解决，间断运行的锅炉系统腐蚀更为严重。此外，蒸汽凝结水回用比例较高的锅炉，锅水中的杂质组成及比例发生改变，一些次要杂质（如有机物、硫酸根）可能变成主要杂质，从而给锅炉运行增加腐蚀风险，这一点尚未引起业内人士的重视。

1 蒸汽凝结水回用增加锅炉生成氧化铁垢和垢下腐蚀的风险

凝结水系统中产生的腐蚀主要是酸腐蚀和氧腐蚀。酸性物质来源于工业锅炉的软化水水源和含有碳酸盐成分的药剂。软化水中碳酸盐进入锅炉后，受热分解产生二氧化碳。南方地区的锅炉往往选择碳酸钠作为锅炉水处理药剂来提高锅水碱度，也是二氧化碳的主要来源。蒸汽中含有二氧化碳在用汽设备换热后产生的凝结水中转化为碳酸，使凝结水呈酸性，产生酸腐蚀。氧来源途径有两个方面，一方面是开式冷凝水回收系统中，空气中氧气不断溶入凝结水，即使是闭式系统，换热设备间断运行造成正负压交替，也会导致空气吸入，使得氧溶入凝结水；另一方面，锅炉补给水中带入的溶解氧进入锅炉后，只有少量的氧消耗于锅内的腐蚀反应，大量的氧从沸腾的锅水中逸出进入蒸汽和凝结水中。由于凝结水几乎不含其他可溶性盐类，缓冲能力小，少量二氧化碳的存在显著降低pH值，溶解氧与二氧化碳协同作用造成腐蚀加速。

凝结水管网系统中的腐蚀产物（主要是Fe3+离子）被凝结水携带进锅炉，由于氢氧化铁溶度积常数非常小（Ksp[Fe(OH)3]=4×10-38），铁离子（Fe3+）与锅水中的氢氧根（OH-）迅速转化为氢氧化铁[Fe(OH)3]胶体，分散在锅炉水体中，使锅水带黄色，采取0.8μm滤膜可将氢氧化铁胶体颗粒过滤，见图1。部分氢氧化铁胶体在锅炉运行中聚集失稳，沉积后就可能转化为坚硬的铁垢，见图2。沉积的铁垢与碳酸钙、二氧化硅混合后会在锅炉受热面上生成难以清除的水垢。

水垢降低锅炉的热效率，增加燃料消耗，严重时造成炉管过热爆管。一般钢材的导热系数在46.40～69.60W/(m·℃)，而氧化铁垢的导热系数仅为0.116～0.232W/(m·℃)，这样低的导热系数严重阻碍了传热[5]。

图1 水中的氢氧化铁颗粒

图2 锅炉水侧沉积的铁垢

氧化铁垢还可能引起锅炉出现垢下金属腐蚀。氧化铁垢生成后，炉水渗透进入垢下后又不断蒸发、浓缩，垢下盐类离子浓度与周围炉水中离子浓度相差较大，从而形成浓差腐蚀电池，金属成为阳极而遭到破坏[6]。此外，氧化铁垢中Fe3+价态高，表现为阴极，锅炉受热面的金属表现为阳极，构成电化学腐蚀[7]。

2 蒸汽凝结水回用增加锅炉酸腐蚀的风险

蒸汽凝结水中溶解盐类非常少，主要杂质离子为Fe3+离子，它进入高温运行的锅炉后几乎全部转化为Fe(OH)3胶体颗粒或沉积为水垢，对锅炉排污控制指标（电导率或溶解固形物）几乎没贡献。因此，蒸汽凝结水回用后锅炉排污率变小，锅水浓缩率升高。举例：某地区的工业锅炉给水电导率100μS/cm，锅水控制电导率3000μS/cm，则冷凝水回用占比为0时锅炉的平均排污率为3.3%，浓缩率30倍；当冷凝水回用占比50%时，给水电导率降为50μS/cm，锅炉控制电导率依然控制为3000μS/cm，则此时的锅炉排污率约为1.5%，浓缩率达到60倍；当回水利用率达到80%时，锅水浓缩率几乎达到150倍。

锅水高倍率浓缩后，一些微量、次要的杂质如有机物、硫酸根，转化为锅水中主要杂质组分，相应的危害也逐步显著起来。由于这些杂质组分不在工业锅炉的水质控制指标范围内，它的浓度升高及其表现出的危害往往不引人重视。

有机物的来源可能是锅炉原水、离子交换器中的树脂碎片、水处理药剂中有机物组分。理论而言，由于工业锅炉压力不高，锅水温度通常不超过300℃，大部分的聚合类有机物未分解。但是，当锅水中有机物浓度浓缩上百倍后，可能与其他物质作用并沉积在锅炉受热面上，金属表面的温度远超过300℃，此时有机物发生高温分解，生成的低分子有机酸如甲酸（HCOOH）、乙酸（CH3COOH）等。有机酸在垢下构成有机酸腐蚀，进入锅水后降低锅水pH值。低分子有机酸达到一定浓度后，在锅水中构成缓冲体系，造成锅水pH值难以提升，也会加剧金属的腐蚀[8]。低分子有机酸具有挥发性，可随着蒸汽进入蒸汽系统和凝结水系统，进一步加剧蒸汽系统与凝结水系统的腐蚀，造成更多腐蚀产物回流至锅炉中。深圳地区一台采用回水再利用的卧式燃油锅炉，多次出现烟管腐蚀穿孔事故，腐蚀形貌如图3所示；除了腐蚀穿孔外，烟管的其他位置上发现大量的“腐蚀瘤”，剥离后底部存在穴状腐蚀，形貌见图4。

图3 锅炉火管发生腐蚀穿孔形貌

图4 锅炉火管发生穴状腐蚀的形貌

硫酸盐主要来源于锅炉化学除氧的副产物，通常情况下锅水中硫酸根浓度为几十毫克/升。当锅水浓缩达到百倍时，硫酸根浓度也增加百倍达到几百毫克/升。硫酸根浓度升高不仅增加硫酸盐水垢形成的风险，也会增加垢下酸腐蚀风险。

3 蒸汽凝结水回用后锅炉预防腐蚀的几点措施

3.1 做好锅炉给水的处理

给水应采取除氧措施。工业锅炉比较理想的除氧方式是热力除氧和化学除氧。相对化学除氧而言，热力除氧可去除溶解氧和二氧化碳，且不会增加杂质，但它需要自耗蒸汽。化学除氧方式操作上更加灵活，非常适合起停频繁、负荷不稳定的低压锅炉。

高碱度的原水应采取降碱处理，如氢-钠离子交换法，从源头上降低凝结水中二氧化碳的总量，减缓凝结水系统的酸腐蚀。

3.2 选择合适的锅炉水处理药剂

锅内水处理不宜选用碳酸钠提升碱度，建议采用氢氧化钠和磷酸盐。碳酸根在高温运行时水释放出二氧化碳，增加蒸汽及凝结水中二氧化碳气体浓度；而直接投用氢氧化钠来调节锅水pH值和碱度，可避免二氧化碳的释放。

封闭式回收且管线比较长的凝结水回收系统，建议采取锅水加氨（NH4OH）或中和胺处理[9]，氨（或中和胺）挥发后进入凝结水以提高凝结水pH值。也可以采取凝结水成膜胺处理，成膜胺在金属管道的表面形成一层保护膜，将金属与腐蚀性物质隔离开来从而抑制腐蚀。

锅内阻垢处理采取有机聚合物时，对锅水中的药剂残留浓度进行监测是必要的，要避免超量药剂加入后造成有机酸腐蚀。

3.3 对凝结水水质进行定期化验

对凝结水进行定期化验，化验项目有硬度、铁、铜、油、碱度、电导率、pH值等，用户可根据用热设备工艺特性和自身的检测能力选择一项或几项，一旦发现水质异常可及时采取措施。凝结水进行定期化验可以避免特殊情况下车间的用热设备发生泄漏造成其他物料大量进入凝结水，可能造成重大锅炉事故。

在深圳地区，因为用热设备泄漏造成凝结水污染进而造成锅炉严重结垢或腐蚀的事件每年都有发生。

3.4 维持适当的排污率

GB/T 1576—2008 《工业锅炉水质》要求：以除盐水作补给水的锅炉排污率不应超过2%，以软化水做补给水的锅炉排污率不应超过10%。国标对最大排污率进行限制，目的是促进锅炉的节能减排。

美国ASME《工业锅炉给水与锅水控制指引》[10]要求锅炉排污率不得小于1%，除盐水作为补给水亦如此，以防止次要杂质经过高度浓缩后危害到锅炉的安全。

凝结水回用情况下，控制锅炉最小排污率不低于1%，显得十分必要。

[1] 李茂东，杨麟．工业锅炉水处理节能降耗现状与对策[J]．清洗世界，2010，26（5）：33-36．[2] 汤凤，尹显录，胡念武，等．蒸汽锅炉冷凝水回收控制方法及效益分析[J]．工业锅炉，2008（4）：32-34+40．

[3] 王群，任保波．蒸汽锅炉冷凝水的回收利用实践研究[J]．产业与科技论坛，2012，11（6）：52-53．

[4] 杜玉辉．工业锅炉凝结水余热利用与回收一体化装置[D]．广州：华南理工大学，2011．

[5] 李茂东．工业锅炉铁杂质污染与控制[J]．腐蚀与防护，2002，23(9) ：414-416．

[6] 孙光武．氧化铁垢的形成与危害[J]．中国锅炉压力容器安全，2001，17(5)：28-30．

[7] 王金山，矫良田．氧化铁垢下腐蚀[J]．中国锅炉压力容器安全，1996，12（5）：49-50．

[8] 杨崇豪，韩云中．水中有机污染物对锅炉安全运行的影响[J]．安全与环境学报，2004，4(6)：90-92．

[9] 雍士玮．冷凝水回收过程中酸腐蚀产生的原因分析及预防措施[J]．节能，2003，22（8）：40-42．

[10] ASME 1994 Consensus on operating practices for the control of feedwater and boiler water chemistry in modern industrial boilers[S]．

Risk Analysis of Industrial Boilers Corrosion When Steam Condensate Water Reused

Zhang Juguang Huang Rong Wu Jiquan
(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029)

Steam condensate recovery promote energy saving and emission reduction has been widely used. Corrosion products of condensed water system and other impurities leaking into the boiler, composition of impurity ions change in boiler water. If the blowdown rate is too low, corrosion on the boiler by the minor impurities needs to pay attention. Recommended to take deaerator, appropriate water treatment chemicals, and condensation water inspecting to control the boiler corrosion risk.

Steam condensate water Industrial boilers Corrosion risk Reused

X933．2

B

1673-257X(2016)12-0068-03

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．12．016

张居光(1978～)，男，硕士，高级工程师，从事锅炉水处理及金属理化相关工作。

2016-01-29）