节能减排视角下锅炉内加药水处理方法及应用

2022-10-04

锅炉是工业的心脏, 水是锅炉的血液。而锅炉水处理则是能够为心脏注入新鲜的血液, 是锅炉能够在经济、安全和环保状态下运行的重要手段。从节能减排角度上看, 选择合适的锅炉内加药水处理方法, 搞好锅炉水处理有着非常重要的现实意义。2009年5月初出台的《特种设备安全监察条例》中, 对锅炉水处理监管等方面内容做了详细规定, 如提倡国家锅炉水处理行业协会加强行业自律, 在水处理设备、药剂及锅炉化学清洗等单位自愿的前提下, 合理注册锅炉水处理设备、树脂及药剂, 并科学评定锅炉化学清洗单位的资质, 从而不断改善锅炉水处理产品及化学清洗质量。这表明, 国家已逐步重视对锅炉水处理的节能减排工作。

一、我国工业锅炉水处理药剂现状

我国工业锅炉水处理现状

国内大部分工业锅炉均已配备软化设备, 有些甚至还配了除氧设备。然而, 调查结果显示, 很多软化设备管理水平不高, 运行状况较差。除氧设备使用率较低, 约有85%的锅炉补给氧含量不合格。在北方部分地区, 原水总硬度超过了25mmol/L, 而沿海地区则达到80mmol/L。上述两种情况下, 一级软化根本不能保障锅炉水的给水硬度合格, 从而导致大量腐蚀结垢产生。据统计, 超过90%的工业锅炉都有结垢和腐蚀现象出现, 其锅炉热效率不断降低, 维修频率则相应增加。要解决这些问题, 我们可通过在锅内加药 (如除垢剂、缓蚀剂等) 来调节水质, 从而达到防腐除垢之目的。

二、节能视角下几种锅炉水处理锅内加药处理方法

锅内加药处理是对锅炉补给水、生成返回水处理及凝结水所做的补充处理。它的作用在于:让给水带入锅炉内的结垢物质和所加药剂发生反应, 从而形成分散的果悬浮颗粒, 而后经锅炉排污排入锅内, 或是将其溶解后留在锅水中, 从而实现防垢的功效。

1. 纯碱处理法

纯碱, 俗称工业碳酸钠。纯碱处理法可使锅水中和在某种浓度范围, 避免锅内产生各种形状不一的水渣, 降低锅炉水的浓度, 从而达到防垢的效果。纯碱处理通常拥有0.2Mpa<压力<1.3Mpa的锅炉, 也可用在火管、卧式三回程快装等锅炉中。使用纯碱处理法时, 如果锅炉压力<0.2MPa, 可当添加一些氢氧化钠。

2. 磷酸盐处理法

(1) 磷酸盐处理

通常而言, 中、高压锅炉可采用磷酸盐处理法, 具体是指在锅水呈碱性的状态下, 添加一些磷酸盐溶液, 使其磷酸能够维持在某个浓度范围内, 水中的钙离子也会和磷酸根发生反应, 并形成碱式磷酸钙, 有部分镁离子还会与锅水中硅酸根发生作用, 并生成蛇纹石。

碱式磷酸钙与蛇纹石均属于难溶化合物, 在锅水中会形成分散性水渣, 并会在锅炉排污时被排出锅炉, 不会在受热面上粘附成二次水垢。

(2) 平衡磷酸盐处理

平衡磷酸盐处理 (简称EPT法) , 其基本原理为:降低锅水磷酸盐含量, 使其达到与硬度成分反应的最低浓度, 从而避免沉淀物产生, 该种情况下, PO33-浓度将处于“平衡”状态。采用平衡磷酸盐处理法时, 还需添加部分Na OH。实际上, “平衡”磷酸盐处理的基本原理类似于低磷酸盐处理法, 对于锅炉防垢现行, 有较为明显的控制作用。

(3) 混合防垢剂处置法

是根据各类防垢剂所产生的不同效果, 将两类或两类以上的防垢剂, 根据适当配比混合制成, 从而起到防垢作用的一类防垢剂。常见的类型有:碳酸钠—磷酸钠盐混合防垢剂、碳酸钠一栲胶混合防垢剂、磷酸钠盐一火碱混合防垢剂、碳酸钠一胡敏酸钠混合防垢剂、四钠 ( (含纯碱、烧碱、磷酸钠及腐钠) ) 混合防垢剂、三钠一胶 (含碳酸钠、氢氧化钠、磷酸钠及栲胶在内) 混合防垢剂。

(4) 聚合物处理法

聚合物处理法, 主要是采用有机聚合物或同其他药剂联合使用, 来处理锅水的一种方法。该法是利用聚合物的分散作用, 来减少和避免锅内水垢沉积。使用较多的聚合物, 大体可分为聚丙烯酸、水解聚马来酸酐、聚甲基丙烯等多种。聚合物处理法既能够大都使用, 同时也可联合其他水处理法一起使用, 联合处理效果要比其单独使用的效果更明显。

(5) 螯合剂处理法

上世纪中后期, 人们开始采用螯合剂来处理锅内水。使用较多的螯合剂, 大体了分为乙二胺四乙酸 (EDTA) 和氨基三乙酸 (NTA) 等。如锅炉通常以除盐水作为补给水, 在较高的热负荷情况下, 运用螯合剂EDTA对锅内水进行处理, 能避免铁垢沉积在锅内, 其效果较为明显。

(6) 其他处理方法

全挥发性处理

全挥发性处理 (AVT) 无需向锅内加入磷酸盐等药剂, 而是只需在给水中加入少量氨和联氨。该方法能有效避免热力系统金属材料被腐蚀, 避免给水中产生腐蚀产物和沉积物, 不该种方法未添加磷酸盐, 因而也不存在磷酸盐“隐藏”现象。实际中, 给水纯度较高的超高参数汽包锅炉与直流锅炉, 更适宜使用该种处理方法。

中性水处理

中性水处理 (NWT) 是在高纯度给水中加入氧化剂, 其p H值通常为6.5-7.5, 是一种稳定性较好的水处理方法。溶解氧的含量应维持在50-500mg/L之间, 实际中多为50-150mg/L。该种方法能在金属表面产生一层保护膜, 从而增强了碳钢材料的耐蚀性, 有效控制了给水含盐量与锅炉受热面的结垢程度。

联合水处理

联合水处理 (CWT) 法, 是指向电导率<0.15μS/cm的高纯度给水中添加一定含量的氨, 从而将无铜系统锅炉给水的p H值增加到8.0-8.5, 或使有铜系统给水的p H值增加到8.7-8.9之间, 而后添加少量溶解氧。锅内水的浓度通常在30-500mg/L (现实中以50-150mg/L为多) 。

联合水处理法与中性处理相比, 其共同之处在于, 都需加入一定含量的氧, 不过, 中性处理的p H值不高, 如果是有铜系统机组, 其在处理过程中, 铜管很容易被腐蚀和溶出, 这就会给系统带来污染;联合水处理使p H值增加了, 它不仅能降低碳钢的腐蚀程度, 同时还可减少凝汽器与低压加热器中铜合金的腐蚀现象, 使加氧处理工艺能够在有铜系统机组的给水处理中得到充分应用。

氢氧化钠处理

自锅炉被发现会发生碱性腐蚀后, 人们最担心的问题则为锅水中产生了游离Na OH。现实中, 很多国家都在采用氢氧化钠来处理锅炉水, 尤其是在锅水p H值下降的情况下, 该种处理方法更为有效, 如果可以有效控制其含量, 氢氧化钠处理法的安全性也会被大大提升。

三、案例分析

本次对某生产企业的5台锅炉水质情况做了详细统计, 其结垢超过0.5mm的运行锅炉有3台。工业锅炉以前采用软化法, 也就是将水中硬度 (多为水中钙、镁离子) 去除或降低一定程度的水, 并辅之运用钠离子交换法水处理技术。据实验数据显示, 这种技术能有效脱除原水中的钙、镁、铁、氯、四氧化硫等离子, 原水水质经二级反渗透处理后, 硬度、电导率和二氧化硅含量方面均可, 通过该种方法, 水水质被软化, 结垢问题也有有所减少, 但水质并未得到本质上改善, 且锅炉容易结垢, 水质较差, 清除水垢的难度较大, 同时还造成了大量的资源浪费;之后, 该生产企业对几台锅炉采用锅外处理与锅内加药处理相结合的方式进行处理。其中两台还采用了钠离子交换处理方法, 锅炉结垢现象明显减少, 清洗锅炉的频率也大大降低, 3台结垢锅炉设备进行处理后, 水质已基本合格。从上述资料中我们可看出, 采用锅外水处理与锅内加药水处理相结合的方法, 能够有效减轻和消除锅炉结垢问题, 现行东莞市锅炉的水质合格率也有了逐步提升。

1. 锅内水处理药剂处置应注意的问题

锅内添加药水处置是向锅炉供水或锅水里添加一定的药剂 (又称防垢试剂) , 使之同锅水中的钙离子、二氧化硅及镁离子等容易结垢的物质发生物理或化学反应, 从而形成形态较为分散的水渣, 并通过排污措施将其排放到锅炉外, 或使结垢的离子逐步在炉水中溶解, 从而达到预防或降低锅炉结垢的效果。在实际操作过程中, 锅内水处理药剂处置应注意下列几个问题:

(1) 空炉给水应投入药, 使水质能达到基本的标准和要求; (2) 应尽可能使锅水指标维持稳定状态, 避免其频繁变动 (添加药水的间隔时间不应太长) ; (3) 药物必须在充分溶解后, 才能被投入到锅炉中, 加药前还应先对锅炉进行排污; (4) 一旦锅内存在老垢, 加药后的一个月内, 就应该将所有的孔盖打开, 通过人工来进行清理, 以便后续使用; (5) 加药后, 也应做好相应的排污工作, 直到停炉检查时, 锅内不会存在大量垢片脱落或堆积的现象后, 才能予以正常使用; (6) 应在高水位、低负荷的状态下对锅炉定期进行排污;7) 应认真观察锅炉水的状况以及加药产生的效果, 如果锅炉水清, 则表示加药处理效果不佳, 反之, 如果水变浑浊, 则表示除垢效果较为良好。

2. 锅内水处理药剂的发展方向

工业锅炉炉内水处理药剂的发展方向大体为:逐步实现以有机药剂为主, 以无机药剂为辅的复配药剂, 积极研发用量少、成本低、效率高、适合多种水质状况、不会产生副作用, 且有利于节能环保的高性能药剂。未来的研究方向为:药剂的成分配比将逐步由定性转向定量和机理方面;研究与多种锅炉水质条件相适应, 且分散性较好、缓蚀和螯合功能较为突出的水溶性共聚物;进一步深入和发挥药剂间的协同效应;深入研究绿色锅内水处理药剂, 如聚环氧琥珀酸等。