锅炉水和蒸汽化学

锅炉水和蒸汽化学的重要性

蒸汽纯度

对蒸汽的纯度或化学要求可以像规定的最大水分含量一样简单，也可以包括各种化学物质的最大浓度。通常，对于低压建筑或过程加热器蒸汽，只规定了最大水分含量。这可能高达0.5%，也可能低至0.1%。相反，一些涡轮机制造商指定蒸汽冷凝水最大阳离子电导率，pH值和总溶解固体，钠和钾，二氧化硅，铁和铜的最大浓度。涡轮蒸汽通常必须有总溶解固体小于0.050 ppm，在某些情况下小于0.030 ppm。个别物种的限制可能更低。如果要对蒸汽进行过热，则必须规定蒸汽溶解固体的最大限度，以避免过热器的过度沉积和腐蚀。该限值通常为0.100 ppm或更低。即使在应用中没有施加蒸汽纯度要求，建议在压力高达600 psig （4.1 MPa）时溶解固体浓度小于1.0 ppm，在600至1000 psig（4.1至6.9 MPa）时小于0.5 ppm，在1000 psig （6.9 MPa）以上时小于0.1 ppm。

对于运行高达2000 psig （13.8 MPa）的鼓式锅炉，蒸汽中的大多数非挥发性化学物质和杂质由分离蒸汽中的小水滴携带。由于这些液滴含有与锅炉水浓度相同的溶解固体，因此这种机械携带贡献的蒸汽中杂质的量是锅炉水杂质浓度乘以蒸汽含水量的总和。放置在蒸汽路径上的水分分离装置限制了机械携带。

在滚筒的水线以上形成泡沫或过多的喷雾会导致过多的水分携带，因此，蒸汽杂质浓度过高。起泡的常见原因是过多的固体或碱度，以及有机物质如油的存在。将溶解的固体保持在引起泡沫的浓度以下需要对锅炉进行连续或定期的排污。锅炉水的高碱度增加了起泡的可能性，特别是在存在悬浮物的情况下。

当一种化学物质具有足够的挥发性时，它也会以蒸汽的形式携带过去。总携带量是机械携带量和蒸汽携带量的总和。蒸汽携带取决于在蒸汽中的溶解度，并且对于每种化学物质是不同的。对于锅炉水中发现的大多数溶解固体，与压力低于2000 psig （13.8 MPa）时的机械残余相比，可以忽略不计。一个例外是二氧化硅，它的蒸气在较低的压力下可以大量携带。蒸汽携带取决于压力和锅炉水的化学性质。不受锅炉设计的影响。因此，如果一种物质的蒸汽携带过量，则只能通过改变锅炉水的化学性质来减少携带。锅炉设计只影响机械传递。非相互作用气体，如氮气、氩气和氧气，几乎完全随蒸汽携带，与水汽携带无关。

过量的蒸汽杂质浓度也可能由给水和锅炉水的化学物质引起，有利于挥发性物质的形成。在高于1000 psig （6.9 MPa）的压力下，挥发性二氧化硅的残留可能会出现问题。pH值为10.0时的气相二氧化硅携带量是pH值为8.8时的88%。pH值为11.0时的气相二氧化硅携带量是pH值为8.8时的74%。防止过量二氧化硅或其他蒸气携带的唯一有效方法是降低锅炉水的浓度。蒸汽中杂质过多的另一个常见来源是温喷雾水纯度不足。喷雾水中的所有杂质直接进入蒸汽。

水质取样及分析

有效的采样是控制水和蒸汽化学的关键因素。这包括获取有代表性的样品，防止样品被污染，防止待测物种的损失。一般来说，样品线应尽可能短，并由不锈钢制成，除非条件另有规定。样品应从连续流动的样品流中获得。取样和分析之间的时间应该尽可能短。样品应迅速冷却到100华氏度（38摄氏度），以避免丢失感兴趣的物种。样品喷嘴和管道应提供等速样品速度，并保持恒定的高水速度（至少6英尺/秒[1.8米/秒]），以避免材料损失。采样点应在最后一个弯道或水流扰动的下游至少10个直径处。

美国材料测试协会（ASTM）和美国机械工程师协会（ASME）提供了抓取样品化学分析的详细方法。

在可行的情况下，应考虑将在线监测作为采集样本的替代方法。这提供了实时数据，可以跟踪趋势，并提供历史数据。然而，在线监视器需要校准，维护和检查抓取样品或在线合成标准样品，以确保可靠性。

充分的水化学控制取决于锅炉操作员一致测量指定参数的能力。因此，应该使用正式的质量保证程序来量化和跟踪测量的精度和偏差。应制定详细的程序，包括实验室结构、培训、标准化、校准、样品收集/储存/分析、报告、维护记录和纠正措施程序。

锅炉水的纯度控制

由于锅炉水中杂质和处理化学品的局部浓度是蒸汽产生所固有的，因此必须控制水化学物质，使浓缩物不具有腐蚀性。例如，锅炉运行过程中的腐蚀通常是由氢氧化钠的浓度、碳酸钠等形成苛性盐的浓度或氯化镁或硫酸镁等形成酸盐的浓度引起的。有效的给水处理，以及工程控制，通过减少这些杂质进入锅炉，最大限度地减少腐蚀。

从空气泄漏和从碳酸盐和有机化合物的分解二氧化碳倾向于酸化给水和蒸汽冷凝水。锅炉系统中的溶解氧也必须加以控制。在大多数操作条件下，氧气特别具有腐蚀性，因为它有助于铁、铜和其他金属的氧化，形成可溶解的金属离子。在较高的温度下，氧较难溶于水，但化学反应的速度加快了。氧和残余氯化物的结合特别具有腐蚀性，氧和游离螯合剂的结合也是如此。然而，在高纯水系统中，例如用于超临界锅炉的系统，在运行过程中控制氧气的添加是有益的，因为它减少了腐蚀产物向锅炉的运输，随后降低了锅炉内沉积的速度。

杂质从锅炉水到蒸汽的携带也是锅炉运行所固有的。虽然汽包锅炉中的分离装置除去了大部分由蒸汽携带的水滴，但仍有一些含有少量溶解固体的残余水滴随蒸汽携带。此外，在较高的压力下，有一些蒸汽携带。过多的杂质会损坏过热器、蒸汽涡轮机或下游工艺设备。

锅炉给水

为了保持锅炉的完整性和性能，并提供适当的汽轮机或工艺纯度的蒸汽，锅炉给水必须经过净化和化学调节。可容纳的给水杂质的数量和性质取决于锅炉运行压力、锅炉设计、蒸汽纯度要求、锅炉水内部处理类型、排污速率以及给水是否用于蒸汽温化。要控制的给水化学参数包括溶解固体、pH值、溶解氧、硬度、悬浮固体、总有机碳（TOC）、油、氯化物、硫化物、碱度和酸或碱形成倾向。

至少，低压锅炉的锅炉给水必须是软化水，高压锅炉的锅炉给水必须是去矿化水。它必须不含氧，基本上不含硬度成分和悬浮物。建议的给水限值如表1所示。使用高纯度给水可以最大限度地减少汽包锅炉的排污要求，并最大限度地减少整个蒸汽-水循环过程中可能出现的残留、沉积和腐蚀问题。

在这些指导方针内的操作本身并不能确保无故障操作。一些给水污染物，如钙、镁、有机物和碳酸盐，在浓度低于工业锅炉常用分析方法的检测限时可能会有问题。此外，操作人员必须对给水化学和锅炉运行条件的变化敏感，并必须相应地进行调整。

在表1中，主要含有含铁材料的工厂和含有含铜材料的给热水器的工厂的pH值控制是有区别的。混合冶金系统（铁和铜材料）使适当的水处理规范复杂化，因为碳钢需要较高的pH值以尽量减少腐蚀，而铜需要较低的pH值以尽量减少腐蚀。在混合冶金系统中，有必要降低pH值以最大限度地减少整体腐蚀产物的输送，而不是利用提高pH值来主要控制全铁系统中铁腐蚀产物的输送。