广东省特种设备检测研究院（潮州检测院） 广东潮州 521000
摘要：蒸汽凝结水如果得不到及时的处理，将给工业锅炉的安全运行带来一定危害。本文从工业锅炉蒸气中的凝结水产生特性入手，详细阐述了其危害性质，并提出了有效的防范措施，以期为有关方面提供参考借鉴。
关键词：锅炉；蒸汽；凝结水；防范对策
工业锅炉作为重要的能源设备，应用于众多工业生产中。在工业锅炉的运行过程中普遍存在着一些问题，而蒸汽凝结水问题是其比较突出的问题之一。针对于此，为保证工业锅炉的安全运行，需要采取相关防范对策，以解决凝结水带来的危害，从而促进锅炉的运行效率及保证生产，现对此作相关研究分析。
1 蒸气中水的冷凝
1.1 水蒸气的凝结过程
烟气露点指的是烟气中水蒸气开始凝结时的温度，当水蒸气在低于露点温度时即冷凝成水。不考虑酸性气体的影响，烟气露点随着烟气中水蒸气含量的增加而增加，随过量空气系数的增加而减少。
凝结水的形成取决于燃气气流截面的温度分布。以烟管为例，烟气流经烟管，烟气的芯流温度最高，壁面温度最低，当壁面温度高于露点时，无凝结水产生，当壁面温度低于露点而芯流温度高于露点时，部分水蒸气冷凝，当芯流温度低于露点时，气流截面均出现冷凝。烟气产生凝结水的量受多方面因素的影响，如锅炉大小、燃料特性、排烟温度、过量空气系数、换热面结构等。通过实验分析讨论了进水温度、排烟温度和过量空气系数对凝结水量的影响，得出结论，即凝结水量随着排烟温度和过量空气系数的增加而降低，进水温度在较高的情况下所得的凝结水量较少。
1.2 凝结水在锅炉中的凝结位置
为了提高锅炉热效率，有效回收烟气中水蒸气的气化潜热，带有冷凝器的锅炉在工业生产和供热系统中被推广应用，即通过加装节能器、冷凝器来吸收烟气中水蒸气的潜热。在设计工况下，锅炉本体出口的烟气温度高于水蒸气的露点温度，烟气中的水蒸气主要在节能器、冷凝器中冷凝。
蒸汽锅炉由于介质温度较高，进入节能器前排烟温度一般都高于烟气露点温度，因而蒸汽锅炉生成的凝结水量较少；而热水锅炉由于锅内介质温度较低，在冬季冷炉启动或者低负荷运行时回水温度低于烟气露点温度，导致排烟温度低于露点温度，因而部分烟气中的水蒸气在进入节能器前，就在锅炉本体尾部受热面冷凝成水。
在用燃气热水锅炉常见炉型分为两种：一种为卧式内燃锅壳式锅炉，多为中小型锅炉，额定热功率多小于29MW，其特点是炉胆内燃烧，烟气主要通过炉胆和烟管进行换热，燃烧空间相对较小，在锅炉内部凝结水容易在尾部烟管内形成；另一种为（双锅筒）水管锅炉，多为大中型锅炉，额定热功率多在29MW以上，其特点是炉膛内燃烧，烟气主要通过水冷壁管及对流管进行换热，燃烧空间较大，在锅炉内部凝结水容易在对流管束区尾部位置产生。
综合以上分析可知，凝结水生成的主要部位是节能器和锅炉本体尾部受热面，所以燃气工业锅炉在节能器和尾部受热面出口一般都设置有疏水管口。
1.3 凝结水的物理化学特性
由前文可知烟气的主要成分为CO2、N2、H2O和O2，另有少量的NOx、CO、SO2等，当烟气中的水蒸气冷凝时，部分CO2、NOx、SO2等会溶解在凝结水中。表1是对SZS型热水锅炉不同位置凝结水的物理、化学特性分析，凝结水取自三台同型锅炉的节能器、炉膛内靠近下锅筒处位置，如图1。
图1 炉膛凝结水取样处
由表1可知，炉膛处的凝结水pH值较低，酸性较强，铁离子浓度较高，电导率也较高。当水中只溶有CO2至饱和时，水的pH值是4.3，而炉膛处凝结水pH值为3.31～4.13，证实了凝结水中溶有其它酸性气体，如NOx；而节能器处凝结水的pH值均高于锅筒处，这是由于节能器处于烟气流程的尾部，烟气在进入节能器前，部分酸性气体已溶解，导致进入节能器的酸性气体量变少。凝结水中含有的铁离子是由于凝结水对受热面的腐蚀作用引起的，炉膛处的铁离子浓度高表明炉膛处所受到的腐蚀作用更强。凝结水的电导率表征凝结水的纯净程度，炉膛处的凝结水杂质含量高于节能器位置。
（1）析氢腐蚀
随着烟气的冷凝，部分CO2溶解在凝结水中，CO2遇H2O生成弱电解质H2CO3，电离出氢离子，使得冷凝液呈弱酸性，另有部分氮氧化物和极少量的含硫氧化物溶解在冷凝液中，会增强冷凝液的酸性，如表1锅筒位置的凝结水pH值均低于4.3。铁在酸性溶液中会发生析氢腐蚀，且酸性越强，反应速率越快，化学反应式如下：
阳极（Fe）：Fe－2e－→Fe2+（1）
Fe2++2H2O→Fe（OH）2+2H+（2）
阴极：2H++2e－→H2（3）
总反应：Fe+2H2O→Fe（OH）2+H2（4）
（2）吸氧腐蚀
由于燃气锅炉燃烧过程需保证一定的过量空气系数，燃烧后的烟气中含有氧气，水蒸气冷凝时，部分氧气会溶解在凝结水中，对金属受热面造成氧腐蚀，化学反应式如下：
阳极（Fe）：Fe－2e－→Fe2+（5）
阴极：O2+2H2O+4e－→4OH－（6）
总反应：2Fe+O2+2H2O→Fe（OH）2（7）
析氢腐蚀和吸氧腐蚀在凝结水对受热面的腐蚀过程中同时存在，反应生成的Fe（OH）2在有氧的条件下是不稳定的，容易发生以下反应：
4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3（8）
Fe（OH）2+2Fe（OH）3→Fe3O4+4H2O（9）
Fe（OH）3会进一步脱水生成Fe2O3，腐蚀产物中Fe2O3和Fe3O4同时存在，Fe2O3呈红棕色，Fe3O4呈黑褐色。Fe2O3在腐蚀产物的最外侧，所以由排污口排出的凝结水呈红褐色，腐蚀越严重，排出的凝结水颜色越深。
2.2 降低烟气流通截面积
当锅炉如WNS型锅炉在低负荷运行时，烟气在尾部受热面冷凝，产生的凝结水在烟管内聚集，生成的腐蚀产物也会聚集在烟管底部，甚至堵塞部分烟管，从而降低烟气的流通截面积，增加烟气阻力，进而增加了鼓风机的电耗。
2.3 降低炉膛温度、损害燃烧器
在锅炉内部检验过程中常常发现炉膛内聚集一定量凝结水，经检验发现，此类锅炉凝结水疏水管均严重堵塞，导致凝结水无法排出，回流并聚集在位置较低的炉膛内。在锅炉启动的时候，炉膛内聚集的凝结水会吸收燃料燃烧产生的热量而蒸发，从而降低了炉膛内的温度，炉膛内凝结水聚集过多时，甚至会浸入燃烧器，对燃烧器造成损害，曾出现因凝结水过多浸入燃烧器造成运行过程中锅炉突然熄火、锅炉因燃烧器浸水无法正常启动等情况，进而影响锅炉的安全运行。
2.4 对保温密封材料的影响
锅炉产生的凝结水，部分会渗入到锅炉的密封保温材料当中，如图3，WNS型锅炉后烟箱箭头所指部位。密封保温材料长期在凝结水的浸泡下，保温效果会减弱，甚至材料脱落，使得散热损失增加。同时凝结水也会使得密封材料老化变形，密封能力减弱，导致一定的烟气排出，既会造成危险，也会造成一定的热量损失。
图3 WNS型锅炉尾部烟箱凝结水渗出
2.5 热量损失、浪费水资源
在工作中发现，锅炉排出的凝结水的量也相当可观，凝结水温度在40～50℃。对一台29MW的燃气锅炉进行计算，得到在排烟温度为50℃，额定运行状态下每小时的凝结水量可达到1.95t。然而多数时候锅炉产生的凝结水直接通过排污管排出，这部分热量未被有效利用而损失掉，同时对于水资源匮乏地区也造成了水资源的浪费。
3 凝结水危害的防治措施
3.1 疏水管加粗且疏水可见
在锅炉检验过程中发现，水管锅炉内部不容易聚集凝结水，而卧式锅壳锅炉虽然设置了多处疏水口，但部分锅炉（新安装运行锅炉居多）内仍聚集大量凝结水。通过分析发现，水管锅炉由于燃烧侧空间大，凝结水疏水管布置均匀且管径较大，凝结水在锅炉对流管束内形成后可及时排出。卧式烟管锅炉由于燃烧空间较小，因结构限制疏水管只能布置在锅炉前后管板下部，疏水管径均小于30mm，且设计时为了防止锅炉烟气泄漏，疏水管均直接接入排污管路。在运行中锅炉内的一些杂物如焊渣、锈皮等极易堵塞疏水管。由于疏水管道为封闭状态，维修人员无法方便检查疏水情况，疏水管堵塞不易被发现，造成锅炉内凝结水长期无法正常排出，从而导致大量积水。针对上述情况，首先应加粗输水管孔及管道直径，内径宜大于60mm，以防止渣垢堵塞疏水管路，并应使各个疏水管排水改为可见方式，方便检查人员检查锅炉疏水情况，同时应在管路上加装S形存水弯或其它隔绝烟气的装置，以防止烟气的泄漏，如图4所示。
图4 锅炉疏水改进示意图
3.2 调整节能器位置
水管锅炉由于锅炉体积较大，节能器多安装在锅炉尾部水平位置，而部分卧式锅壳锅炉节能器安装在锅炉烟气出口的正上方或斜上方，如图5，使锅炉成为烟气流程内的最低点。虽然节能器底部装设了疏水管路，但大部分节能器、冷凝器及烟道内凝结水因重力原因回流至锅炉内部，运行期间凝结水长期冲刷、浸泡锅炉本体受热部位。由于锅炉材质与节能器材质不同，节能器在设计时采用了09CrCuSb，材质有很强的抗腐蚀能力，而锅炉本体设计时未考虑凝结水冲刷状态，材质多为20G，抗腐蚀能力较差，长期易产生腐蚀。所以应尽量使节能器、冷凝器位置位于烟气流程的最底位置，避免节能器、冷凝器及烟道内凝结水回流至锅炉本体，如不能满足，应改变烟道走向，使烟道最低点在锅炉本体以外，如图6，同时在改变烟道走向时还应重新进行烟风阻力计算，防止改造后烟风阻力过大而产生的问题。
图5 节能器安装在锅炉尾部烟气出口正上方
3.3 适当提高锅炉负荷或者回水温度
在工业锅炉能效测试过程中发现，多数锅炉存在低负荷运行的情况。在设计负荷下运行，锅炉在进入节能器前的排烟温度高于烟气露点温度，而低负荷运行时，锅炉排烟温度会低于烟气露点温度，因而在条件满足的情况下，应尽量使得锅炉在接近设计负荷下工作，或者可以采取措施提高热水锅炉回水温度，例如在二次网供热系统中，适当减少一次网流量，来提高一次网供、回水温度，从而提高烟气离开锅炉本体尾部受热面时的温度，避免水蒸气在锅炉本体尾部受热面凝结。
图6 节能器安装位置改进示意图
（上：改进前，下：改进后）
3.4 凝结水的深度回收利用
如前文所述，燃气锅炉产生的凝结水量是相当可观的，并且这部分凝结水含有部分未被有效利用的热量，可以采取有效措施将这部分热量和水资源进行深度回收利用。例如可以通过对凝结水进行一定的处理，如加碱化剂（氨水、环己胺等）来调整凝结水的pH，然后再通过泵打入到供热系统中，既节约了水资源也回收了热量。
4 结语
综上所述，工业锅炉作为人们生活生产活动中的重要设备，随着低耗环保的理念越来越深入，带有冷凝器的燃气锅炉的应用会越来越广泛，因此，针对凝结水所带来的问题，必须积极研究改进其防范对策，定期检查，从而在实现节能减排的目标的同时，保证锅炉工作效率。
参考文献：
[1]姚艾.锅炉水处理不良引发的危害分析[J].兰州大学学报（自然科学版）.2008（01）.
[2]李茂东、杨麟.工业锅炉水处理节能降耗现状与对策[J].清洗世界.2010（05）.
论文作者:林振江
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/1
标签：凝结水论文; 锅炉论文; 烟气论文; 疏水论文; 温度论文; 炉膛论文; 节能器论文; 《基层建设》2017年第21期论文;