HEDP水化學工況與中低壓鍋爐節能減排技術研究

(廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東 廣州 510663)

HEDP水化學工況與中低壓鍋爐節能減排技術研究

李茂東 劉 娟 葉向榮 吳從容

(廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東 廣州 510663)

有機膦酸鹽羥基亞乙基二膦酸(HEDP)廣泛應用于工業水阻垢緩蝕，在中低壓鍋爐鍋水溫度下性能穩定。文章在實驗室采用電導法和靜態阻垢法以及電化學方法評價了HEDP的阻垢、緩蝕性能，結果表明HEDP濃度為25mg/L時阻垢、緩蝕效果最佳。同時，現場向在用中低壓鍋爐鍋水中投加HEDP，在鍋水中建立有機膦HEDP水化學工況，應用結果表明HEDP水化學工況具有投資少、效率高特點，能有效減少鍋爐排污，改善鍋水水質，提高鍋爐熱效率，對中低壓鍋爐的節能減排效果顯著。

HEDP 阻垢緩蝕 中低壓鍋爐 節能減排

0 引言

目前我國中低壓鍋爐占絕大多數，在生產、生活中發揮著非常重要的作用。由于中低壓鍋爐補給水處理方式相對簡單和運行管理差等原因，結垢、腐蝕情況突出。傳統的解決方法是投加無機阻垢劑，但存在加藥量大、阻垢緩蝕效果差、鍋爐能效指標超標等不足。有機膦酸鹽羥基亞乙基二膦酸(HEDP)在工業循環冷卻水中除垢、防垢效率高，用量少，在250℃水溫下仍能具有良好的阻垢、緩蝕作用，在高pH下性能仍很穩定，不易水解，是工業上應用較為廣泛的一種有機膦酸鹽類阻垢劑[1-3]。如何把其應用于中低壓鍋爐，提高鍋水的阻垢緩蝕、鍋爐能效是關注的重點。王英英[4]研究發現，將HEDP等有機膦系水質穩定劑在“九水”投運后，效果顯著，腐蝕率、結垢率和污垢熱阻均達到了規定的技術指標。黃金營等[5]通過不同條件下的失重和酸堿滴定試驗，研究了HEDP溶解碳酸鈣垢的性能和規律，為HEDP在工業鍋爐酸洗中的應用提供了依據。

徐華山[6]、張利[7]等采用靜態阻垢法，測定不同濃度的HEDP藥劑對碳酸鈣垢的阻垢效果，考察了不同鈣離子濃度與HEDP的沉積效應。王清等[8]研究得出HEDP在水介質中對碳鋼有良好的緩蝕作用，Ca2+濃度對HEDP的緩蝕作用無顯著的影響。

目前阻垢劑性能評定方法有靜態阻垢法和鼓泡法。電導法[9-11]具有測定時間短、操作簡單等優點。本文選擇電導法和靜態阻垢法以及電化學方法[12]來評定HEDP的阻垢緩蝕效果，同時將其應用到在用中低壓鍋爐中，建立新型鍋內水化學工況，考察中低壓鍋爐HEDP水化學工況的建立與鍋爐節能減排的關系。

1 試驗方法

1.1 HEDP阻垢性能試驗

1.1.1 電導法

在一定濃度的氯化鈣溶液中，加入阻垢劑混合均勻，待溶液溫度穩定在25℃時，滴加Na2CO3溶液，記錄消耗的Na2CO3溶液體積，待電導率儀讀數穩定后記錄相應的電導率，繼續滴加Na2CO3溶液，并記錄溶液電導率。計算電導率突變點時Na2CO3的過飽和度值S。以相對過飽和度來評價阻垢劑的性能。相對過飽和度Sr按式(1)進行計算:

式中：

SP—加有阻垢劑時CaCO3的過飽和度；

S0—空白溶液CaCO3的過飽和度。

1.1.2 靜態阻垢法

阻垢率α(%)由式(2)進行計算：

式中：

V"' —不加阻垢劑且未經恒溫的試液所耗EDTA體積，mL；

V" —不加阻垢劑但經恒溫的試液所耗EDTA體積，mL；

V' —加入阻垢劑且經恒溫的試液所耗EDTA體積，mL。

1.2 HEDP緩蝕性能試驗

配制好模擬鍋水，采用三電極體系：甘汞電極(參比電極)、鉑電極(輔助電極)、20#碳鋼電極(工作電極)。工作電極經打磨、清洗后，置于模擬鍋水中浸泡1h，待自腐蝕電位穩定后開始測量。試驗在室溫下進行。

2 結果與討論

2.1 阻垢性能試驗結果

2.1.1 電導法

25℃時，不同的HEDP濃度下，滴定劑Na2CO3體積與溶液電導率的關系見圖1。可以看出，不加HEDP時，隨著Na2CO3的加入，電導率值先升高而后迅速下降，繼續滴加Na2CO3溶液，溶液的電導率值又開始快速增大。分別加入0.5mg/L、1mg/L、5mg/L的HEDP后，臨界點依次為1.1mL、1.5mL、1.6mL，由式(1)計算其相對過飽和度分別為3.7、5.0、5.6。表明HEDP的加入能有效的抑制CaCO3垢的生成，相對增大了CaCO3的溶解度，表明HEDP有優良的阻垢性能。

2.1.2 靜態阻垢法

圖2給出了不同溫度、不同HEDP濃度時阻垢率的變化曲線。由圖2可以看出溫度較低(溫度≤100℃)時，隨著溫度的升高，HEDP的阻垢率逐漸下降。HEDP濃度在5mg/L以內時，阻垢率隨其濃度升高而急劇增大，此后隨HEDP濃度的繼續增大，阻垢率略有下降后，呈現相對穩定狀態。溫度較高時(溫度＞100℃)，溫度對HEDP的阻垢率影響不大，阻垢率隨著HEDP濃度增加而變大，其最大阻垢率較低溫時有所降低，要達到較高的阻垢效果，需投加的HEDP的量也較大。

電導法和靜態阻垢法對HEDP的阻垢性能評價結果具有一致性。隨著HEDP濃度的增加，阻垢率逐漸增大；但當HEDP濃度增大一定值后，阻垢率相對穩定。

圖1 不同HEDP濃度下，Na2CO3體積與溶液電導率的關系

圖2 不同溫度、不同HEDP濃度下阻垢率的變化

2.2 緩蝕性能試驗結果

2.2.1 交流阻抗法

圖3為碳鋼電極在含不同濃度HEDP的模擬鍋水中的Nyquist譜。橫坐標Z＇為阻抗實部，縱坐標Z＂為阻抗虛部。由圖3可見，阻抗譜圖都出現了不同程度的大半圓特征，并且隨著HEDP濃度增加，容抗弧半徑逐漸增大。表明HEDP對碳鋼有明顯的緩蝕作用，且當HEDP濃度為25mg/L時緩蝕效果最佳。

2.2.2 Tafel極化法

碳鋼在含不同濃度HEDP的模擬鍋水中的極化曲線見圖4。碳鋼電極在不同濃度HEDP的模擬鍋水中的極化參數列于表1中。HEDP對碳鋼的緩蝕效率可由下式進行計算。

式中：

I0corr為未加緩蝕劑的腐蝕電流密度；

Icorr為加緩蝕劑后的腐蝕電流密度。

由圖4以及表1可以看出：相對空白溶液，加入HEDP后，自腐蝕電位Ecorr顯著地正向移動，碳鋼的腐蝕電流密度減小，且陽極的Tafel斜率βa相對于陰極Tafel斜率βc變化較大，表明緩蝕劑對碳鋼腐蝕產生抑制作用，其最佳緩蝕濃度為25mg/L。當HEDP濃度超過25mg/L時，腐蝕速率又有所增加，這與交流阻抗所得的結果一致。

圖3 碳鋼電極在含不同濃度HEDP模擬鍋水中的Nyquist譜

圖4 碳鋼在含不同濃度HEDP的模擬鍋水中的極化曲線

表1 室溫下碳鋼電極在含不同濃度HEDP模擬鍋水中的極化參數

表2 試驗鍋爐信息表

表3 低壓鍋爐試驗前后數據對比表

3 HEDP水化學工況與中低壓鍋爐節能減排

3.1 試驗方案

對在用的2臺低壓鍋爐、1臺中壓鍋爐進行現場試驗，建立HEDP有機膦酸鹽水化學工況。3臺鍋爐的信息見表2。低壓鍋爐試驗周期為3個月，中壓鍋爐為1個月。試驗前停爐，對鍋爐內部進行全面檢查，并記錄受熱面沉積物情況。試驗在額定工作壓力下進行，給水符合相應的水質標準，僅除氧劑繼續添加，其他藥劑停止加入，鍋內改投加HEDP，投加濃度為25mg/L。

低壓鍋爐采用間斷加藥方式直接加在給水系統管道上，中壓鍋爐利用鍋爐原有的磷酸鹽加藥系統。試驗過程中測量鍋爐水質、鍋爐排煙溫度，試驗前后測量鍋爐熱效率。

3.2 現場試驗結果及分析

3.2.1 低壓鍋爐試驗結果

試驗前，兩臺低壓鍋爐適當添加磷酸三鈉作為阻垢劑，受熱面煙管平均約有1mm厚的沉積物，腐蝕狀況不明顯。試驗數據對比如表3所示。

由表3以及試驗結束后現場檢查結果可以得出，添加HEDP后，不僅鍋爐受熱面沉積物的生成減少，而且HEDP的絡合或螯合作用使鍋爐受熱面的沉積物脫落，排煙溫度降低，鍋爐熱效率升高。鍋水中建立了HEDP水化學工況，殘余硬度等雜質與有機膦生成溶于水的螯合物，不增加鍋水的溶解固形物和水渣量，鍋爐排污率降低。此外，由于不再添加無機堿性阻垢劑，鍋水的總堿度也有所下降。

3.2.2 中壓鍋爐試驗結果

試驗前，該中壓鍋爐配有專門的磷酸鹽加藥裝置，運行過程中鍋水添加磷酸三鈉。日常運行過程鍋爐平均排煙溫度為180℃左右，分別割取受熱面水冷壁管和省煤器管檢查發現沉積物厚度平均約0.5mm左右，省煤器略高，水冷壁管腐蝕狀況不明顯，低溫省煤器管氧腐蝕較嚴重。鍋爐運行過程中補給水水質基本滿足GB/T 12145要求，溶解氧有超標現象(＜15μ g/L)，凝汽器有泄漏情況，蒸汽Na和SiO2超標。試驗數據對比如表4所示。

從表4和圖5可見，中壓鍋爐鍋內采用HEDP調節水化學工況后，鍋爐排煙溫度、排污率有所下降，熱效率升高。這是因為鍋水中HEDP的存在不僅可以絡合水中的殘余硬度、鐵等成垢雜質，使其在鍋水中處于懸浮分散狀態而不沉積，而且由于HEDP的晶格畸變、分散的作用，還可以清潔受熱面的沉積物，使得鍋爐受熱面沉積物的生成量和存在量減少。同時鍋水溶解固形物量減少，鍋爐排污率降低。若鍋爐補給水為除鹽水，采用HEDP水化學工況過程中應考慮用堿調節鍋水pH值在規定范圍。

表4 中壓鍋爐試驗前后數據對比表

圖5 鍋爐排煙溫度和排污率變化曲線

4 結論

HEDP在中低壓鍋爐鍋水環境下性能穩定，阻垢緩蝕效果好。

(1)一定濃度范圍內，HEDP的投加量與鍋爐節能減排效果具有線性關系，但當其濃度增加到一定值時，鍋爐節能減排效果不再明顯增加。當鍋爐給水指標滿足要求時，最佳濃度為25mg/L。

(2)在額定壓力≥3.82MPa的中低壓鍋爐鍋水中，采用HEDP水化學工況對節能減排的作用比傳統的無機阻垢劑效果更明顯，尤其是以軟化水做補給水的鍋爐。

(3)在HEDP水化學工況下，由于其螯合和緩蝕作用，鍋水表面形成的保護膜更穩定致密，受熱面結垢速率和腐蝕速率都有所降低。此外，由于鍋爐受熱面沉積物量減少以及HEDP水工況下受熱面金屬表面保護膜更穩定致密牢固，垢下腐蝕等局部腐蝕的發生幾率大大降低，鍋爐運行安全系數提高。

中低壓鍋爐采用HEDP水化學工況，只需改變鍋爐原來的鍋內水化學工況所使用的藥劑，不需要增加任何設備投資，就能大幅度減少鍋爐排污，提高鍋爐熱效率，對中低壓鍋爐的節能減排效果顯著，經濟、社會效益良好。

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A Study on HEDP Water Chemistry Conditions and the Energy Conservation in Medium & Low-pressure Boilers

LI Mao-dong, LIU Juan, YE Xiang-rong, WU Cong-rong
(Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute, Guangzhou 510663, China)

Organic phosphonates hydroxy ethylidene diphosphonic acid (HEDP) is widely used in industrial water as scale and corrosion inhibitor, for stable performance in water of medium and lowpressure boilers. The scale and corrosion inhibition performance of HEDP was evaluated by conductivity method, static scale inhibition method and electrochemical method in the laboratory. It could reach higher inhibiting and corrosion efficacy with the HEDP concentration of 25mg/L. Meanwhile, adding HEDP in medium and Low-pressure Boilers in use, an HEDP water chemistry condition was established. It showed that HEDP water chemistry condition could reduce boiler blowdown effectively, improve water quality, improve thermal efficiency, and could be beneficial to the energy conservation in medium and Lowpressure Boilers significantly, with less investment, high efficiency characteristics.

HEDP; scale and corrosion inhibition; medium & low-pressure; energy conservation

TG174.42

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.077.05

李茂東 (1972－) ，男，遼寧葫蘆島人，總工程師，高級工程師，碩士，主要研究特種設備安全與節能。