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公用工程中的水蒸汽
高純度水和由此產生的蒸汽構成大多數工藝裝置的生命線。設備故障和由于水/蒸汽問題而導致的減產，每年可能會花費數十萬美元或更多的費用。更糟糕的是，有些故障會造成人身傷害或人員死亡。因此，本文我們將討論與蒸汽發生器有關的水處理和化學控制的幾個重要問題。
讓我們從一個案例開始。幾年前，我和一位同事參觀了美國中西部一家有機化學品廠，由于內部結垢，這家工廠的四臺550 psig機組鍋爐中的蒸汽過熱器管束，不得不每兩年左右進行一次更換。我們首先察看了一根最近拆卸的管束，其內管表面上有大約¼英寸厚的沉積物。
然后我們檢查了鍋爐，立刻注意到飽和蒸汽取樣管線上流出泡沫。隨后的調查顯示，鍋爐冷凝液回流中的總有機碳TOC濃度有時達到200 ppm，ASME指南[1]要求在這種壓力下的鍋爐，TOC的最大濃度為0.5 ppm。因此，很容易看出為什么鍋爐水中存在大量泡沫，以及為什么雜質會持續地被帶到到過熱器。
雜質的影響
雜質會引起腐蝕、結垢等問題。隨著鍋爐壓力和溫度的升高，這些情況變得更加嚴重。幸運的是，電力行業已經吸取了一些直接應用于化工裝置的經驗教訓，特別是那些因工藝需要或發電而產生高壓蒸汽的裝置。例如，表1和表2總結了電力研究所(Electric Power Research Institute，EPRI)為熱回收蒸汽發生器的補給水排放和冷凝液泵排放制定的指導方針[2]。
熱回收蒸汽發生器補給水的一般化學限值*
熱回收蒸汽發生器冷凝液泵排放的一般化學限值*
圖1氫氣分子滲入金屬壁
——注意這里的厚唇故障
對其中一些雜質影響的研究，揭示了為什么限值如此之低。考慮氯化物。即使是從冷凝器管泄漏或受污染的冷凝液回流少量進入蒸汽發生器，如果長期存在且未被鍋爐水處理程序中和，將集中在鍋爐內部構件的沉積物之下。高溫鍋爐環境中的氯鹽可根據以下條件與水發生反應：
所產生的鹽酸本身可能會造成一般腐蝕——更糟糕的是，酸會在沉積物之下積聚，在那里會與鐵發生反應生成氫。氫氣分子滲入金屬壁，然后與鋼中的碳原子結合生成甲烷(CH4)：
形成的氣態甲烷和氫分子會造成鋼出現裂紋，這會大大削弱鋼的強度(圖1)。氫損傷是非常麻煩的問題，因為不容易檢測到。發生此類損壞后，工廠可能會更換管道，但會發現其他管線繼續破裂。我曾經是一個必須處理1250 psig公用工程鍋爐氫損傷問題的團隊中的一員。在知道冷凝器泄漏的情況下，運行人員堅持將設備運行了數周。盡管我們團隊盡了最大努力保持足夠的鍋爐水的化學性質，但最終結果是大范圍的氫損傷，要求對整臺鍋爐重新更換管線。
電導率和鈉的測定非常簡單，對于檢測污染物是否進入蒸汽發生器非常好。當然，這種監測只有在化學專家或操作人員迅速采取補救措施時才具有實際價值[3]。正如已經指出的，有機化合物會造成蒸汽發生器出現問題，并在高溫下分解形成短鏈有機酸和二氧化碳，這可能會對蒸汽和冷凝液回流的化學性質產生重大影響。
滿足補給水指南需要有可靠的高純水處理系統。一種非常常見的方法是采用二級反滲透(RO)，其中包括精制混床離子交換裝置或進行最終的電極電離。由于RO膜非常容易受到顆粒物質污染，因此需要在上游進行過濾，這其中微濾或超濾越來越受歡迎[4]。
化學處理問題
幾十年前，人們普遍認為，所有的氧都應該從鍋爐給水中去除，否則會造成嚴重的腐蝕。當一臺設備停工且空氣會進入系統時，的確如此。然而，在正常運行期間，除非冷凝液/給水系統含有銅合金，否則這種想法已被證明是錯誤的。不管怎樣，這種信念催生一個給水調理的化學程序，稱之為還原性全揮發處理(All-Volatile Treatment Reducing，AVT(R))，用氨或胺進料建立了一個適度基本的pH值和還原劑(氧清除劑)注入，以去除從機械除氧器中逸出的氧氣。對于高壓設備，常用的還原劑曾經是肼，但現在已經用更為安全的化學物質取代了。
圖2 單相FAC導致壁厚大幅變薄
現在已經知道AVT(R)化學過程會導致給水系統的流體加速腐蝕(FAC)；這會導致壁厚變薄(圖2)，并最終導致災難性故障。過去30年，美國幾次流體加速腐蝕導致的故障曾導致人員死亡。
簡而言之，蒸汽發生器投入使用時，碳鋼形成了一層薄的磁鐵(Fe3O4)。流體擾動和還原環境結合在一起會導致鐵離子從鋼/磁鐵基體中浸出，從而引起壁厚變薄。溫度和pH值影響溶解程度，通常在150℃左右達到峰值，并且隨pH值(如9及以下)的降低而升高。
因此，最容易發生這種腐蝕的區域是傳統蒸汽發生器的給水/節能器系統，以及熱回收蒸汽發生器的低壓，有時是中壓節能器和蒸發器。
對于給水系統中不含銅合金的設備(如熱回收蒸汽發生器)，推薦的給水處理已變成氧化性全揮發處理(All-Volatile Treatment Oxidizing，AVT(O))。這一程序允許(正常)通過冷凝器泄漏的少量氧氣得以保留，甚至可能注入一點補充氧氣，從而使給水中溶解的氧氣濃度保持在5-10 ppb范圍內。氨或胺的加入使pH值維持在中間至上限9的范圍內。在這些條件下，磁鐵層散布其中并被一層水合氧化鐵(FeOOH)覆蓋。隨著還原環境的消除，其保護作用非常顯著。但該程序僅在陽離子電導率小于0.2 μS/cm的高純水中有效。否則，會導致氧腐蝕。因此，冷凝液回流可能產生高電導率升高的裝置不應采用AVT(O)。
推薦的熱回收蒸汽發生器鍋爐水監測點
關于給水的化學監測，表2中引用的冷凝液泵排放陽離子電導率、pH值和鈉的一般限值均適用。這是可以理解的，因為許多現代工業蒸汽發生器和幾乎所有的熱回收蒸汽發生器都沒有給水加熱器；因此，在蒸汽發生器的通道中，冷凝液的化學性質變化很小。但是，熱回收蒸汽發生器給水的建議溶解氧范圍為5–10 ppb。還建議采用總鐵監測，最好使用腐蝕產物取樣器，以確保程序(無論是AVT(O)或替代程序)充分保護冷凝液和給水管線。在適當的化學條件下，給水中的總鐵含量應保持在2 ppb以下。如果出于某種原因，需要AVT(R)，腐蝕產物取樣器也會收集銅腐蝕產物，這為銅腐蝕控制提供了關鍵數據。
鍋爐水處理
八十年來，蒸汽發生化學專家一直利用磷酸鈉化合物對汽包鍋爐水冷壁回路進行腐蝕控制并防止固體物沉積。目前，對于高壓裝置，磷酸三鈉(TSP-Na3PO4)是推薦的種類，可能會補充少量的苛性堿(NaOH)以提高開車時的pH值。三磷酸鈉通過以下方式在鍋爐中產生弱堿性：
堿性在一定程度上會減輕等式2中的影響。三磷酸鈉的優點還有通過與硬性離子(鈣和鎂)反應，形成可被排出的軟淤泥。
三磷酸鈉的一個缺點是，當溫度超過300?F時，其溶解度大大降低。因此，在滿負荷的高壓裝置中，大部分磷酸鹽沉淀在水冷壁管和其他內件上。這種現象通常被稱為“隱藏”。許多裝置化學專家現在運行裝置的散裝水磷酸鹽濃度約為1–2 ppm，是因為知道大部分原來的磷酸鹽已隱藏，并將在鍋爐負荷降低或停工時重新溶解。
鍋爐水化學處理和監測在很大程度上是設計用于保護蒸汽純度的。對于通過汽輪機發電的裝置來說尤其如此。表3匯總了最重要的檢測指標。
推薦的蒸汽樣品檢測指標
在很大程度上，給水和鍋爐水化學性質的化學指南旨在防止過量雜質帶入蒸汽，如果蒸汽驅動一臺或多臺汽輪機機，這一點尤其重要。汽輪機是精密機械，需要仔細的安裝、平衡和操作。(有關汽輪機的更多信息，請參閱：“依靠汽輪機”。)表4詳細說明了最重要的指導原則。
預防問題
正確的蒸汽發生化學反應至關重要，因為需要一直監測和控制化學反應。忽視冷凝液回流、鍋爐給水、鍋爐水或蒸汽化學反應，從成本和安全角度來看，代價都很大。
此外，正確的蒸汽發生器停工、保養和開工程序是關鍵問題，尤其是防止停用氧氣腐蝕[6,7]。
原文英文版收錄于《Chemical Processing》2015年刊，
作者：Brad Buecker, Kiewit Engineering & Design
參考文獻
1.“現代鍋爐給水和鍋爐水化學性質控制操作規程共識”，美國機械工程師協會(ASME)，紐約市(1994)。
2.“聯合循環/熱回收蒸汽發生器(HRSG)綜合循環化學指南”，出版編號3002001381，美國電力研究協會(EPRI)，帕洛阿爾托，加州(2013)。
3.Buecker，B.和D.McGee，“改進水/蒸汽化學控制和裝置可靠性的智能系統”，電力工程(2014年5月)。
4.Buecker，B.，“微型或超過濾和反滲透：工業水處理的流行組合”，工業水世界(2014年1月/2月)。
5.“技術指導文件：汽輪機運行用蒸汽純度”，水和蒸汽特性國際協會，倫敦(2013)。
6.Mathews，J.，“化石裝置的保養規程”，電力(2013年2月)。
7.Buecker，B.和D.Dixon，“聯合循環熱回收蒸汽發生器停工、保養和開工化學控制”，電力工程(2012年8月)。