天津市某企業的燃煤立式水管蒸汽鍋爐工作壓力為1.25 MPa，蒸汽量為19 t/h，屬于較常見的低壓鍋爐。該鍋爐產生的蒸汽主要用于包括冬天供暖、企業的日常生產、職工食堂做飯和洗衣間清洗衣物。此類低壓鍋爐的水處理技術本已經比較成熟，各種相關水處理藥劑市場應用范圍很廣，效果也比較顯著，然而由于該廠鍋爐蒸汽在日常生產生活過程中被直接用來加熱物品，如在生產車間，蒸汽直接加熱產品，在食堂直接蒸煮食物，在洗衣間直接燙洗衣物，故要求蒸汽品質較高，且絕不能因為添加藥劑而污染蒸汽，使蒸汽帶毒，從而引發生產生活事故。其次，該企業為了節約成本，原本應該開啟的除氧器系統并未開啟，只能僅僅依靠添加除氧劑使鍋爐補水含氧量降至0.1 mg/L以下。
該廠由于種種原因其鍋爐水系統已經近三個月沒有進行任何的加藥處理，省煤器結垢嚴重，并且伴有嚴重的垢下腐蝕，爐水中鐵含量極高，呈明顯的鐵紅色渾濁狀，冷凝回水的鐵黃色也十分明顯，水質較渾濁。各種跡象表明該鍋爐水系統亟需處理，否則鍋爐運行的風險很大。
1 水質情況
該廠的蒸汽鍋爐水系統主要分為鍋爐補水、爐水 與蒸汽冷凝回水三部分。其中鍋爐補水使用廠方自制的軟化水與蒸汽冷凝回水的混合水，冷凝回水與軟化水的混合比例大約是1∶4。該鍋爐水系統已經近3個月沒有進行水處理工作，此時蒸汽冷凝回水、自制軟化水、鍋爐補水以及爐水的水質情況如表 1所示。
從表 1可以看出，鍋爐蒸汽的冷凝水回水pH過低，導致冷凝水管道發生腐蝕，總鐵質量濃度達到了1.67 mg/L。由于補水中混入了冷凝水，直接導致補水的鐵含量超標(要求≤0.3 mg/L)，而且還使補水的pH偏低，間接又會導致補水管道的腐蝕，進一步增加了補水的含鐵量。此外，爐水的鐵含量過高，水冷壁腐蝕嚴重，究其原因，主要是補水未經除氧，含氧量過高導致。而且爐水的電導率偏高，容易發生汽水共騰。軟化水箱通大氣保存，測定其含氧量沒有意義。鍋爐產生的蒸汽被送到各處使用，使用過程中充分接觸空氣，所以測定冷凝水的含氧量也沒有意義。冷凝水與軟化水混和后成為鍋爐補水，只要去除補水的含氧量就可以有效地控制爐水對水冷壁的腐蝕。而投加冷凝水緩蝕劑提高冷凝水的pH，可以有效地降低冷凝水管道的腐蝕，從而降低冷凝水中的鐵含量，改善水質。所以，此鍋爐水系統的處理方案主要從上述幾個方面入手。
2 鍋爐水系統處理方案
2.1 鍋爐補水的處理
2.1.1 鍋爐補水除氧處理
該廠鍋爐水系統中最亟需處理的就是鍋爐補水，其含氧量過高，造成鍋爐金屬氧腐蝕是必然的。氧腐蝕是鍋爐系統最常見也是較嚴重的腐蝕形態，它的形式一般是潰瘍型和小孔型的局部腐蝕，一旦形成小孔型腐蝕，則孔內外形成電位差，構成微型腐蝕電池，孔內腐蝕將會越來越嚴重，若不加以控制，就有穿孔的危險，嚴重危害鍋爐的安全運行。
然而，該廠以節約成本、降低能耗為由，不愿開啟除氧器，希望純粹通過添加藥劑將補水的含氧量降到0.1 mg/L以下，達到《工業鍋爐水質》(GB/T1576—2008)要求的補水指標。如果不開除氧器，確實可以更有效地利用省煤器，降低排煙溫度，并減少操作工的勞動量，但這也為補水的處理工作帶來了一定的困難。采用中海油天津化工研究設計院自行研制的高效除氧劑TS-9001可以很好地滿足現場的需求。TS-9001是由催化亞硫酸鈉-亞硫酸氫鈉以及其他輔劑所組成的復合藥劑，亞硫酸根實際投加量比理論值過量20%，可以將補水中的溶解氧在10 s之內降至0.1 mg/L以下，充分保證了除氧效果。
2.1.2 鍋爐補水阻垢處理
雖然鍋爐的補水都是軟化水，但是軟化水也是有一定硬度的，如果不處理，長期運行累積，也會在金屬管道表面形成一層水垢。垢層越厚，管道的傳熱效果就越差，損耗的燃料就越多，水冷壁的壁溫就越高〔1〕。當垢層達到一定的厚度時，損失的燃料姑且不提，壁溫會上升到金屬材質無法承受的程度，輕則變形，重則龜裂，直至爆管，引發生產事故。所以鍋爐補水的阻垢處理也很重要。傳統的處理方法是在爐水中加入Na3PO4或Na2HPO4，有時也復配Na2CO3或NaOH，使磷酸根與水中的鈣離子反應生成不溶性的堿式磷酸鈣。這種沉淀物在水中呈分散、松軟狀水渣，流動性大，可隨鍋爐定期排污而排出，而磷酸鎂是一種高度分散的膠體顆粒，不易結垢。
經過實驗篩選，最終選用了純有機阻垢劑TS-9002D，其主要成分為乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-Na2)、氨基三亞甲基磷酸(ATMP)和聚羧酸鹽。該阻垢劑對成垢離子的螯合力強，且耐高溫、不易水解，而且可以分散爐水中的鐵雜質，防止金屬腐蝕物在爐管上的沉積。除了能螯合金屬離子、分散小顆粒之外，該有機阻垢劑還可以通過晶格畸變的作用改變成垢物質的形態，使其生成疏散的絡合物水渣，通過排污排出，從而兼具了無機阻垢劑的功能。加藥質量濃度為100 mg/L，控制爐水中總磷質量濃度在20 mg/L左右，可以保持很好的阻垢效果。
2.2 鍋爐冷凝水的處理
蒸汽做功冷凝后變為熱水凝結水，其品質遠遠高于軟化水，接近純水，是優良的鍋爐給水，如果能夠充分加以回收利用，不僅可以顯著降低鍋爐蒸汽生產過程中的燃料消耗，減少軟化水用量，降低蒸汽生產成本，而且因給水質量的提高，還可以大大減少鍋爐因蒸發濃縮鹽分而必須排污造成的熱能損耗，提高鍋爐蒸汽生產效率，使鍋爐運行更加安全經濟〔2〕。然而由于蒸汽中含有大量的CO2，蒸汽在冷凝成水的過程中吸收了CO2，且冷凝水沒有任何緩沖的能力，使冷凝水的pH較低，再加上冷凝水的溫度較高，其對管道的腐蝕比常溫的低pH水更甚。如不處理，冷凝水管道會發生嚴重的腐蝕，不但損壞設備而且污染水質，浪費資源和能源。
蒸汽中的CO2主要來源于鍋爐補水中的碳酸鹽堿度，鍋爐補充的軟化水中有不同數量的碳酸鹽及碳酸氫鹽，遇高溫后分解放出CO2。如果冷凝水中只有CO2，沒有溶解氧時會發生下列反應：Fe+2CO2+2H2O→Fe(HCO3)2+H2。當CO2完全消耗后，反應就停止了，處理時只要把冷凝水中溶解的CO2中和掉即可有效抑制腐蝕。但是蒸汽做功后與空氣充分接觸，其冷凝水中必然含有溶解氧，在既有CO2又有溶解氧時發生如下反應：
Fe+2CO2+2H2O→Fe(HCO3)2+H2
2Fe(HCO3)2+1/2O2→Fe2O3+4CO2+2H22O
總反應式為：2Fe+2H2O+1/2O2→Fe2O3+2H2
由此可以看出，當冷凝水中有溶解氧時，CO2就變成了催化劑，其本身并沒有消耗，腐蝕的實質是CO2使水的酸度增加，水中的氫離子奪取鐵中的電子，變為氫氣而逸出，水變為碳鋼的腐蝕劑。
中和掉溶于冷凝水中的CO2，降低水的酸度，提高pH即可有效地防止腐蝕，雖然腐蝕反應仍然發生，但是反應速率被極大地降低。針對本研究中的鍋爐系統冷凝水，采用TS-9000A，該藥劑可以在中和CO2、提高冷凝水pH的同時，在冷凝水回水管道金屬表面上形成致密的多分子層吸附憎水性保護膜，使氧氣與金屬表面隔絕，進一步抑制了腐蝕的發生。該藥劑主要成分為多組分揮發性多胺，沸點在120~130 ℃，經國家安全衛生檢測部門認定為無毒級產品，可以放心添加在蒸汽中使用。將加藥地點選在鍋爐的分汽缸內，保證緩蝕劑可以進入各個分支蒸汽管道，加藥質量濃度定為100 mg/L，可以確保管道內壁成膜并保證冷凝水回水pH在8.0~8.5。
3 鍋爐水系統處理效果
采用以上水處理方案運行1個月之后，鍋爐各系統的水質情況如表 2所示。
從表 2可以看出，經加藥處理后，鍋爐各個系統的水質均符合《工業鍋爐水質》(GB/T 1576—2008)的要求，鍋爐運行安全可靠。
對比表 1、表 2中加藥前后冷凝回水與爐水的水質，可以看出，加入緩蝕劑提高冷凝回水的pH后，水質有了較大的改善，鐵質量濃度由原來的1.67 mg/L降至0.08 mg/L，濁度由原來的15.52 mg/L降至1.34 mg/L，冷凝回水也由原來的鐵黃色變得清澈透明。由于水質的大幅改善，冷凝水的利用率從原來的20%提高到80%，使鍋爐的燃料消耗與用水消耗大幅度下降，節能減排的效果非常明顯。
爐水的水質在加藥前后也變化明顯。鐵質量濃度由原來的10.92 mg/L驟降至僅0.03 mg/L，濁度由原來的43.84 mg/L降至0.34 mg/L，爐水中的氧質量濃度由原來的0.23 mg/L降至0.02 mg/L，可以說爐水中幾乎沒有氧，這也是爐水的腐蝕得到抑制的主要原因。肉眼可見的是爐水自加藥處理后顏色逐漸變淺，最后由原來較濃的鐵紅色渾濁狀變為幾乎無色。還需要一提的是，在未加藥之前，現場發現只要爐水中氯離子質量濃度接近350 mg/L時就必須要排污，否則就會發生汽水共騰。加藥之后，由于補水中大量使用的是冷凝回水，水中雜質很少，其含鹽量也比軟化水低很多，爐水中的氯離子質量濃度即使濃縮到400 mg/L以上仍不會發生汽水共騰，現場實際操作中，爐水中的氯離子質量濃度在450 mg/L左右才開始強制排污。
省煤器在進行水處理一個月后，管道內的老垢層在阻垢劑強大的螯合和分散的功能下逐漸溶解和脫落，現管道內部幾乎沒有垢層沉積，補水經過除氧之后，以前存在的垢下腐蝕現象也基本消失。具體參見http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。
4 結論
(1)可以在除氧器不開啟的情況下完全依靠添加除氧劑將鍋爐補水的含氧量降至0.1 mg/L以下。
(2)有機阻垢劑比無機阻垢劑在阻垢方面的功能更加強大，不但可以阻止新垢層的產生，還可以軟化脫落老垢層。
(3)冷凝水緩蝕劑可以極大地改善冷凝回水的水質，提高其利用率，對于企業的節能減排有著重大意義。
