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公用工程中的水蒸汽

发布日期:2021-08-25 09:54:45 发布人员: 浏览次数:35

高纯度水和由此产生的蒸汽构成大多数工艺装置的生命线。设备故障和由于水/蒸汽问题而导致的减产,每年可能会花费数十万美元或更多的费用。更糟糕的是,有些故障会造成人身伤害或人员死亡。因此,本文我们将讨论与蒸汽发生器有关的水处理和化学控制的几个重要问题。

让我们从一个案例开始。几年前,我和一位同事参观了美国中西部一家有机化学品厂,由于内部结垢,这家工厂的四台550 psig机组锅炉中的蒸汽过热器管束,不得不每两年左右进行一次更换。我们首先察看了一根最近拆卸的管束,其内管表面上有大约¼英寸厚的沉积物。

然后我们检查了锅炉,立刻注意到饱和蒸汽取样管线上流出泡沫。随后的调查显示,锅炉冷凝液回流中的总有机碳TOC浓度有时达到200 ppm,ASME指南[1]要求在这种压力下的锅炉,TOC的最大浓度为0.5 ppm。因此,很容易看出为什么锅炉水中存在大量泡沫,以及为什么杂质会持续地被带到到过热器。


杂质的影响

杂质会引起腐蚀、结垢等问题。随着锅炉压力和温度的升高,这些情况变得更加严重。幸运的是,电力行业已经吸取了一些直接应用于化工装置的经验教训,特别是那些因工艺需要或发电而产生高压蒸汽的装置。例如,表1和表2总结了电力研究所(Electric Power Research Institute,EPRI)为热回收蒸汽发生器的补给水排放和冷凝液泵排放制定的指导方针[2]


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热回收蒸汽发生器补给水的一般化学限值*

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热回收蒸汽发生器冷凝液泵排放的一般化学限值*

氢损伤

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资料来源:ChemTreat。


图1氢气分子渗入金属壁

——注意这里的厚唇故障


对其中一些杂质影响的研究,揭示了为什么限值如此之低。考虑氯化物。即使是从冷凝器管泄漏或受污染的冷凝液回流少量进入蒸汽发生器,如果长期存在且未被锅炉水处理程序中和,将集中在锅炉内部构件的沉积物之下。高温锅炉环境中的氯盐可根据以下条件与水发生反应:


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所产生的盐酸本身可能会造成一般腐蚀——更糟糕的是,酸会在沉积物之下积聚,在那里会与铁发生反应生成氢。氢气分子渗入金属壁,然后与钢中的碳原子结合生成甲烷(CH4):


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形成的气态甲烷和氢分子会造成钢出现裂纹,这会大大削弱钢的强度(图1)。氢损伤是非常麻烦的问题,因为不容易检测到。发生此类损坏后,工厂可能会更换管道,但会发现其他管线继续破裂。我曾经是一个必须处理1250 psig公用工程锅炉氢损伤问题的团队中的一员。在知道冷凝器泄漏的情况下,运行人员坚持将设备运行了数周。尽管我们团队尽了最大努力保持足够的锅炉水的化学性质,但最终结果是大范围的氢损伤,要求对整台锅炉重新更换管线。

电导率和钠的测定非常简单,对于检测污染物是否进入蒸汽发生器非常好。当然,这种监测只有在化学专家或操作人员迅速采取补救措施时才具有实际价值[3]。正如已经指出的,有机化合物会造成蒸汽发生器出现问题,并在高温下分解形成短链有机酸和二氧化碳,这可能会对蒸汽和冷凝液回流的化学性质产生重大影响。

满足补给水指南需要有可靠的高纯水处理系统。一种非常常见的方法是采用二级反渗透(RO),其中包括精制混床离子交换装置或进行最终的电极电离。由于RO膜非常容易受到颗粒物质污染,因此需要在上游进行过滤,这其中微滤或超滤越来越受欢迎[4]


化学处理问题

几十年前,人们普遍认为,所有的氧都应该从锅炉给水中去除,否则会造成严重的腐蚀。当一台设备停工且空气会进入系统时,的确如此。然而,在正常运行期间,除非冷凝液/给水系统含有铜合金,否则这种想法已被证明是错误的。不管怎样,这种信念催生一个给水调理的化学程序,称之为还原性全挥发处理(All-Volatile Treatment Reducing,AVT(R)),用氨或胺进料建立了一个适度基本的pH值和还原剂(氧清除剂)注入,以去除从机械除氧器中逸出的氧气。对于高压设备,常用的还原剂曾经是肼,但现在已经用更为安全的化学物质取代了。


壁厚变薄


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资料来源:ChemTreat。


图2 单相FAC导致壁厚大幅变薄


现在已经知道AVT(R)化学过程会导致给水系统的流体加速腐蚀(FAC);这会导致壁厚变薄(图2),并最终导致灾难性故障。过去30年,美国几次流体加速腐蚀导致的故障曾导致人员死亡。

简而言之,蒸汽发生器投入使用时,碳钢形成了一层薄的磁铁(Fe3O4)。流体扰动和还原环境结合在一起会导致铁离子从钢/磁铁基体中浸出,从而引起壁厚变薄。温度和pH值影响溶解程度,通常在150℃左右达到峰值,并且随pH值(如9及以下)的降低而升高。

因此,最容易发生这种腐蚀的区域是传统蒸汽发生器的给水/节能器系统,以及热回收蒸汽发生器的低压,有时是中压节能器和蒸发器。

对于给水系统中不含铜合金的设备(如热回收蒸汽发生器),推荐的给水处理已变成氧化性全挥发处理(All-Volatile Treatment Oxidizing,AVT(O))。这一程序允许(正常)通过冷凝器泄漏的少量氧气得以保留,甚至可能注入一点补充氧气,从而使给水中溶解的氧气浓度保持在5-10 ppb范围内。氨或胺的加入使pH值维持在中间至上限9的范围内。在这些条件下,磁铁层散布其中并被一层水合氧化铁(FeOOH)覆盖。随着还原环境的消除,其保护作用非常显著。但该程序仅在阳离子电导率小于0.2 μS/cm的高纯水中有效。否则,会导致氧腐蚀。因此,冷凝液回流可能产生高电导率升高的装置不应采用AVT(O)。


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推荐的热回收蒸汽发生器锅炉水监测点


关于给水的化学监测,表2中引用的冷凝液泵排放阳离子电导率、pH值和钠的一般限值均适用。这是可以理解的,因为许多现代工业蒸汽发生器和几乎所有的热回收蒸汽发生器都没有给水加热器;因此,在蒸汽发生器的通道中,冷凝液的化学性质变化很小。但是,热回收蒸汽发生器给水的建议溶解氧范围为5–10 ppb。还建议采用总铁监测,最 好使用腐蚀产物取样器,以确保程序(无论是AVT(O)或替代程序)充分保护冷凝液和给水管线。在适当的化学条件下,给水中的总铁含量应保持在2 ppb以下。如果出于某种原因,需要AVT(R),腐蚀产物取样器也会收集铜腐蚀产物,这为铜腐蚀控制提供了关键数据。


锅炉水处理

八十年来,蒸汽发生化学专家一直利用磷酸钠化合物对汽包锅炉水冷壁回路进行腐蚀控制并防止固体物沉积。目前,对于高压装置,磷酸三钠(TSP-Na3PO4)是wei一推荐的种类,可能会补充少量的苛性碱(NaOH)以提高开车时的pH值。三磷酸钠通过以下方式在锅炉中产生弱碱性:


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碱性在一定程度上会减轻等式2中的影响。三磷酸钠的优点还有通过与硬性离子(钙和镁)反应,形成可被排出的软淤泥。

三磷酸钠的一个缺点是,当温度超过300︒F时,其溶解度大大降低。因此,在满负荷的高压装置中,大部分磷酸盐沉淀在水冷壁管和其他内件上。这种现象通常被称为“隐藏”。许多装置化学专家现在运行装置的散装水磷酸盐浓度约为1–2 ppm,是因为知道大部分原来的磷酸盐已隐藏,并将在锅炉负荷降低或停工时重新溶解。

锅炉水化学处理和监测在很大程度上是设计用于保护蒸汽纯度的。对于通过汽轮机发电的装置来说尤其如此。表3汇总了最重要的检测指标。


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推荐的蒸汽样品检测指标


在很大程度上,给水和锅炉水化学性质的化学指南旨在防止过量杂质带入蒸汽,如果蒸汽驱动一台或多台汽轮机机,这一点尤其重要。汽轮机是精密机械,需要仔细的安装、平衡和操作。(有关汽轮机的更多信息,请参阅:“依靠汽轮机”。)表4详细说明了最重要的指导原则。


预防问题

正确的蒸汽发生化学反应至关重要,因为需要一直监测和控制化学反应。忽视冷凝液回流、锅炉给水、锅炉水或蒸汽化学反应,从成本和安全角度来看,代价都很大。

此外,正确的蒸汽发生器停工、保养和开工程序是关键问题,尤其是防止停用氧气腐蚀[6,7]


原文英文版收录于《Chemical Processing》2015年刊,

作者:Brad Buecker, Kiewit Engineering & Design



参考文献

1.“现代锅炉给水和锅炉水化学性质控制操作规程共识”,美国机械工程师协会(ASME),纽约市(1994)。

2.“联合循环/热回收蒸汽发生器(HRSG)综合循环化学指南”,出版编号3002001381,美国电力研究协会(EPRI),帕洛阿尔托,加州(2013)。

3.Buecker,B.和D.McGee,“改进水/蒸汽化学控制和装置可靠性的智能系统”,电力工程(2014年5月)。

4.Buecker,B.,“微型或超过滤和反渗透:工业水处理的流行组合”,工业水世界(2014年1月/2月)。

5.“技术指导文件:汽轮机运行用蒸汽纯度”,水和蒸汽特性国际协会,伦敦(2013)。

6.Mathews,J.,“化石装置的保养规程”,电力(2013年2月)。

7.Buecker,B.和D.Dixon,“联合循环热回收蒸汽发生器停工、保养和开工化学控制”,电力工程(2012年8月)。

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