锅炉的给水碱度与安全经济运行杨保永

2009.2(总第153期）山东食品发酵-29-ShandongFoodFermentation专题综述引言工业锅炉是我国耗能最多的设备之一，每年消耗的能源约占整个国家能源消耗的三分之一。锅炉房水处理是保证锅炉安全经济运行的重要措施，是锅炉房科学管理的一个十分重要的环节。锅炉房水处理方式选择不当不仅造成能源的巨大浪费，还将直接影响锅炉的安全可靠运行。当前运行的单台蒸发量小于10t/h的工业锅炉房一般都没有根据不同情况分别对给水采取除碱、除盐、除氧措施，通常工业锅炉用户都比较重视锅炉的防垢工作，因此锅炉给水硬度一般不会超过国家规定的标准，而锅水的碱度、含盐量、含氧量或排污率往往大大超出标准。从《低压锅炉水质标准》GB1576－79、GB1576-85、GB1576-96到现在的《工业锅炉水质标准》GBl576-2001都只对给水规定了总硬度和含氧量指标，而没有明确标明给水的总碱度、相对碱度和含盐量指标，而在生产过程中怎样控制调节软水的碱度指标呢?一般资料中没有详细说明。有些人错误地理解为只要有了软化水处理设备，锅炉水处理工作就做好了，实际上一些较小规模的锅炉房在确定水处理方案时，一些设计人员也往往忽视对给水碱度的处理。例如济南地区地下水碱度一般在4.0~4.8me/L范围内，而10t/h以下蒸汽锅炉房大多数没有对锅炉给水做碱度处理，如果没有或只有少量凝结水回收，很明显会造成锅炉排污量过大而影响锅炉出力，或者锅水碱度上升危及锅炉安全运行。如果单纯严格控制锅水碱度，只要增加锅炉排污量就能迅速降低锅水碱度，而排污量又不易计量，所以不对给水进行碱度处理就很难稳定控制锅水碱度指标。1碱度过高对锅炉运行的危害工业锅炉由于负荷波动范围大，造成锅水浓缩倍率变化频繁，致使锅水碱度不易调控，即使锅炉安监部门需要检查锅水碱度数据，也由于排污频率不固定、排污量不易计量等无法对碱度指标严格把关。长期以来，苛性脆化(碱脆)被认为是锅炉金属破裂的重要原因，是金属腐蚀的一种特殊形式，其危险性表现在这种腐蚀不容易被发现，它不会形成腐蚀溃疡点，也不会使金属变薄或变形，破裂是突然发生的，往往导致空难性的结果。苛性脆化是锅炉锅筒的胀接部位因局部应力集中和游离碱含量过高产生晶间裂纹时的脆化现象，这种腐蚀发生在金属晶粒的边际上，削弱了金属晶粒间的结合力．使金属所能承受的压力大为降低，其直接原因是必须出现高浓度碱性溶液的情况。如蒸发受热面结有水垢时，某些离子在水垢下炉水局部浓缩可达正常炉水浓度的上万倍。如果炉水的pH值为10，当炉水有游离氢氧化钠时，局部浓缩的结果可使垢下浓缩液的pH值达14，在炉水的饱和温度下，锅炉的给水碱度与安全经济运行杨保永韩广钧（山东省食品发酵工业研究设计院山东济南250013）摘要通过对当前工业锅炉房水处理方案中往往忽视给水除碱现象的分析，指出锅水碱度超标将严重影响锅炉的安全运行，给水碱度或含盐量处理不当将导致锅炉排污量增大而造成能源浪费。根据新的《工业锅炉水质标准》GBl576—2001和对锅炉排污率的计算确定了合理的给水碱度指标控制范围。关键词锅炉给水处理碱度安全节能山东食品发酵2009.2(总第153期）-30-ShandongFoodFermentation专题综述受热面管子将产生强烈的碱腐蚀。要降低锅水的总碱度或相对碱度最好的办法是通过降低锅炉给水碱度来实现，因为天然水碱度可以认为是HCO3-、CO32-、OH-离子含量的总和，水通过钠离子交换法处理只能除去水中的硬度(Ca2-、Mg2-)，对HCO3-不起化学反应，而碱性水碱度的主要成份是重碳酸盐，进入锅炉后由于压力变大，会发生热分解。HCO3-进入锅炉受热发生如下化学反应：2HCO3-=CO2↑+H2O+CO32-CO32+H2O=2(OH)-十CO2↑(1)水中的HCO3-在炉内变为OH一和CO2↑，其摩尔量并没减少，经蒸发浓缩炉水碱度上升很快。一方面锅炉水中碱性过高，另一方面会使凝结水系统产生CO2腐蚀，由(1)式产生的CO2随蒸汽进入凝结水中，使凝结水呈酸性，会造成凝结水设备和管路的酸性腐蚀，这是给水碱度过高的又一危害。降低水中碱度，蒸汽中所携带的CO2减少，可以解决凝结水管路的腐蚀问题，为凝结水的回收创造条件。2碱度过低对锅炉系统的危害给水碱度过低主要会造成锅炉和热力系统的金属腐蚀，如果水处理系统除碱工艺选择不当，或者有较多凝结水回用而回收又不够稳定时，往往很容易造成锅水碱度偏低，这样不利于汽包和管束内氧化层的保护，以至于造成较大的腐蚀，也不利于金属表面的防垢。例如受热面管子结垢时，炉水在水垢下局部浓缩，如果炉水pH值为8，当有游离酸进入时，可使垢下的炉水浓缩液pH值低达4左右，发生严重的酸腐蚀。锅炉设备发生酸腐蚀时，其损坏范围广，因为低PH值的水使金属表面原有的保护膜大面积地遭到破坏，因而它可能在金属与水接触的整个面上均产生腐蚀，而不是只局限于某些部位。例如采用磷酸三钠和氢氧化钠联合处理锅炉水以提高水的PH值，有助于消除锅炉产生酸性腐蚀的危险；有时突然出现事故性的水质恶化、锅炉水PH值下降的{情况时，采取适当提高锅炉水中过剩磷酸盐含量以及增大锅炉排污量的方法，作为减轻产生锅炉酸性腐蚀的应急措施；钠离子软化加酸系统在钠离子交换软化以后，在出水中加酸，一般用硫酸，用于中和水中的碱度，反应生成的CO2可经除碳器除去，运行时要控制加酸的量，使出水不致呈酸性。这些都是防止锅水碱度过低避免对锅炉及热力系统产生酸性腐蚀的措施。3碱度指标的合理确定GBl576—2001中按照锅炉额定蒸汽压力1.0MPa、1.6MPa、2.5MPa的划分分别给出了锅炉给水和锅水的控制指标，这里的额定蒸汽压力应理解为实际运行压力，工业锅炉目前最多的品种是额定压力为1.25MPa的蒸汽锅炉，而实际使用压力大部分在1.0MPa以下，且无过热器，所以工业锅炉锅水碱度控制指标可以确定为6—26mmol/L。锅炉给水与锅水存在着如下的关系：1100%AgsPAgAgs=×−（2）式中：P1-------按碱度计算的排污率Ags------给水的碱度Ag-------锅水允许的碱度因此，必须通过合理确定锅炉排污率才能得出给水碱度指标。锅炉排污率取决于锅水允许的给水浓缩倍数，从节能的角度出发，浓缩倍率越低越好，有的国家规定此类锅炉的浓缩倍率是40～100倍，也就是说排污率已经降低到1～2.5%的水平。《锅炉房设计规范》GB50041-2008规定：采用锅外化学水处理时，蒸汽压力小于或等于2.5MPa的锅炉排污率不宜大于10%。显然与国外先进水平差距较大，通常在确定锅炉房水处理方案时按较小排污量计算，即确定为5%以下。这样，锅炉给水碱度可以由(2)式得：111AgPAgsP×=+(3)当原水碱度较高，且锅炉类型符合炉外化学水处理时，排污率和锅水碱度指标均应取下限：则65%0.2915%Ags×==+(mmol/L)考虑到给水碱度过低容易造成锅水的PH值2009.2(总第153期）山东食品发酵-31-ShandongFoodFermentation专题综述偏低而出现酸性腐蚀，适当提高锅水碱度对于防止锅炉受热面腐蚀具有不可低估的作用。那么0.29mmol/L的给水碱度指标值就不宜作为实际水处理操作的控制指标。而给水碱度下限具体规定多少呢？当锅水的PH值低于8或大于13时，锅炉金属的腐蚀加剧，维持锅水PH值在10~12之间最合适。通过锅水碱度调整试验可以得出结论:只要锅水碱度控制在9~12毫克当量/升，则PH值也一定在合格范围内(11-12)，具有较明显的防腐效果。但锅水pH值合格，其总碱度不一定在规定范围内[1]。所以控制锅水碱度，使其保持在9~12毫克当量/升范围内至关重要。即：9≤Ag≥12则由(3)式得：0.43≤Ags≥0.57实践证明，当给水的PH值≥7且碱度指标不低于0.5mmol/L时[2]，锅水PH值就会在合适的范围内，锅炉及热力系统金属就不会发生酸性腐蚀。陈志和等[3]提出用强碱性阴离子交换树脂(氯型)交换碳酸氢根去除碱度的方法,并且提出以软化水中碱度达1.25mmol/L为控制指标，可以满足工业锅炉对给水碱度的要求。卢宗义[4]利用锅炉的排污率不超过10%,按照锅中的碱度要求和生产脱碱软水安全角度出发(防止锅水PH太低)，曾提出软化水的碱度应该以0.5～2.0mmol/L为宜。当原水碱度不算太高而锅炉房规模又不大时，为减少水处理设备投资不再进行炉外化学水处理时，那么原水碱度指标的最大允许值是多少呢？这时应取排污率和锅水碱度指标的上限值：则2610%2.36(/)110%AgsmmolL×==+当有蒸汽凝结水回用时，给水碱度Ags指的是原水与凝结水混合后的指标。凝结水碱度很低，可粗略地认为碱度等于零。这样就可以根据凝结水回收量相应地提高原水碱度指标。一般情况下，当原水一即补充水的碱度不超过2.5mmol/L时，一般可不必采取除碱措施。4经济效果对比我国北方地区蒸汽锅炉房用原水大部分采用地下水，其地下水的碱度一般在5．0mmol/L以上，都是HCO3-。如果对原水不进行除碱处理，为维持锅水达到GBl576-2001规定碱度，就必须加大锅炉排污量。按国标最低要求，取锅水碱度上限值即26mmol/L，其排污率按（2）式计算，得：5.01100%24%265.0P=×≅−　　即锅炉排污率必须保持在24％以上。目前我国单台蒸发量在10T/h以下的锅炉房多数没有除碱设施，下面以2×10T/h锅炉房为例测算不除碱造成的资源浪费。锅炉排污量为：2×10T/h×24%=4.8T/h排污热损失为：Q=cm(t2-t1)=4.1868×4.8×103×(110-15)=1.9×106kj/h折合成蒸汽量为：G=Q/γ=1.9×106/2014.4=943kg/h(1.0MP时水的汽化潜热γ=2014.4kj/kg)外供汽目前价格按140元/吨计，则年损失为：0.943×24×300×140≈95万元(工业锅炉年运行天数为300天)水处理运行费用：氢一钠离子交换水处理或反渗透一钠离子交换水处理系统比单纯钠离子软化水处理系统的运行费用增加约1.2元/吨，现按2元/吨估算，每年因除碱而增加的运行费用为：2×10×24×300×2=28.8万元/年。自来水成本及软化费用总计按4.0元/吨计，则因增加排污量而造成的损失为：4.8×4×24×300=13.8万元/年排污率达到5%时的年排污费用为：2×10×5%×4.1868×(110-15)/2014.4×24×300×140≈19.9万元/年一套20T/h的氢—钠串联离子交换除碱除硬水处理的设备投资比单纯钠离子交换除硬设备多增加投资约20万元左右；一套20T/h的反渗透一钠离子交换脱盐、除碱、除硬水处理系统投资比单纯钠离子交换水处设备多增加投资约35万元。这样通过对比可以很容易发现：严格按标准规范对原水进行脱碱处理而增加的投资和运行费用明显低于因加大排污量一年造成的损失，年节约费用为：95-28.8+13.8-19.9=60.1万元山东食品发酵2009.2(总第153期）-32-ShandongFoodFermentation专题综述即半年左右的时间就可以收回除碱设备的全部投资。5结论碱度是锅炉水处理工作中一项关键性的控制指标，合适的给水或锅水碱度对锅炉安全运行是至关重要的，同时给水脱碱处理是工业锅炉节能的一条重要途径，使锅炉排污率大为降低，从而提高锅炉的热效率。在确定锅炉房水处理方案时要充分考虑原水水质中的碱度(负硬度)及含盐量指标、锅炉房规模、实际运行压力、凝结水回收率等因素，详细计算锅炉排污率。当原水碱度超过2.5mmol/L时，一定要采取除碱措施，使锅炉的给水碱度控制在0.50～1.25mmol/L为宜。参考文献[1]阵志伟.锅水碱度限值的试验与探讨.工业水处理.1992Vol.12No.4[2]韩广钧.锅炉给水处理中的碱度问题.山东食品发酵.1996,12(4)[3]陈志和，王宜昌.氯离子交换脱碱水处理的试验研究.工业水处理,1992,12(1)[4]卢宗义.软水碱