工業鍋爐零排污蒸汽發生技術
一、概況
零排污蒸汽發生技術是工業鍋爐成套節水技術，也是一種新的鍋爐水處理技術。鍋爐是工業生產和人類生活的熱能動力之源，在國民經濟中占有重要地位，被譽為工業的心臟是當之無愧的。鍋爐的工作介質是水，鍋爐水處理是保證鍋爐安全經濟運行的重要環節。鍋爐是一種熱交換設備，把外部能源（煤、油和天然氣）燃燒所產生的能量傳遞到工作介質，使水變成蒸汽。不良的水質中含有較多的有害雜質，如果這種水不經任何處理就進入鍋爐，那么水中的雜質會在鍋爐中形成水垢或水渣，水垢的形成會大大降低鍋爐的導熱能力，鍋爐結垢將導致爐管過熱損壞、燃料消耗量增加、出力降低、縮短鍋爐使用壽命，甚至出現事故。因此對鍋爐給水的處理十分重要。
二、工作原理
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1. 傳統工業鍋爐運行模式
傳統工業鍋爐運行特點：
（1）采用離子交換設備對原水進行軟化處理，防止鍋爐結垢。
在鍋爐給水處理環節，離子交換法在我國鍋爐房的普及已達90%以上。當原水經過鈉離子交換樹脂床時，水中的鈣、鎂離子與樹脂上的無害離子交換，從而把鈣、鎂離子從原水中去掉，其殘余硬度可降至0.05mol/L 以下。對于堿度較高的原水，還需要采用軟化一降堿處理。采用離子交換法進行水處理，必須排放再生廢液，其再生廢鹽水可導致淡水咸化，在這一環節，排放的廢水約占原水的5－15%。
（2）采用熱力除氧器除氧，防止鍋爐氧腐蝕。
（3）在工業鍋爐運行過程中，由于水的高倍濃縮，水中的溶解固形物及懸浮物增加，為了保證蒸汽品質，確保鍋爐安全，鍋爐要進行必要的連續排污和定期排污。這一環節的排污量約占鍋爐補水量的5－10%。
（4）在蒸汽應用環節，傳統運行方式只注重熱能的利用，而忽視了含能介質的回收。蒸汽做功冷凝后變為熱水，這些含有高熱值的凝結水，其品質遠遠高于軟化水，接近純水。但由于凝結水在回收過程中會對鋼質管道產生嚴重腐蝕，鐵等腐蝕產物對水質造成嚴重污染。未經處理的凝結水作為鍋爐補充水時，水中所含大量鐵離子會在鍋爐傳熱面發生二次結垢及垢下腐蝕，造成更大的危害，使得蒸汽凝結水的回收利用有一定的難度。以前，有很多工業鍋爐在系統和用汽裝置設計、安裝時就沒有考慮凝結水的回收利用，將蒸汽凝結水排至地溝而白白浪費。有些用戶雖然將凝結水回收作鍋爐給水，但由于缺乏有效的管道防腐措施和凝結水處理技術，凝結水回收管道腐蝕嚴重，凝結水中鐵離子含量較高，直接影響鍋爐的安全運行。目前，工業鍋爐凝結水達標回收利用率不到20%。
2. 工業鍋爐零排污蒸汽發生技術
零排污蒸汽發生技術是工業蒸汽鍋爐節水成套技術。該技術利用化學方法，采用系統綜合處理的設計，從蒸汽發生的源頭上杜絕污染，消除或減少離子交換再生廢鹽水、溶鹽廢水、反洗水、沖洗水、連續排污水、定期排污水和污染凝結水等的排放：抑制凝結水回收系統管道金屬腐蝕，消除鐵離子對凝結水的污染，實現高熱值、高品質的凝結水能夠回收至鍋爐作為鍋爐的補水，可明顯減少鍋爐燃料消耗，減少軟化水用量，降低蒸汽生產成本，改善鍋爐水質狀況。由于鍋爐水質狀況的改善，還可以大大減少鍋爐排污及排污造成的熱能損失，提高鍋爐效率，使鍋爐運行更加安全。
零排污蒸汽發生技術使鍋爐蒸汽發生系統運行方式由大量排污情況下運行（開環運行）改為封閉循環（閉環）運行。該技術改變了鍋爐必須在大量排污工況下運行的傳統模式，是鍋爐水處理技術的重大突破。
零排污蒸汽發生技術的基本工藝流程是：
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（1）凝結水處理：在蒸汽管道加入BF－31T高效緩蝕劑，防止蒸汽凝結水對管道的腐蝕，最大限度地回收凝結水。
（2）在凝結水回收率≥70%的情況下，去掉離子交換器（或者盡量減少離子交換器的使用），以盡量減少離子交換劑的再生廢水排放；
（3）加入對鍋爐運行和停用都起保護作用的BF－30a高效防腐阻垢劑，以防止鍋爐本體的腐蝕和結垢；
（4）水質自動監測控制系統。對鍋爐水質和蒸汽凝結水質指標的實時檢測并自動投加保護劑，使水質指標控制在最佳范圍內，使保護劑的各項技術在系統中得到充分發揮。
3. 零排污蒸汽發生技術的關鍵技術
（1）BF－31T凝結水保護劑
BF－31T具有成膜，中和功能，并有合理的汽液相分配比。BF－31T中的成膜劑在金屬表面形成單分子層的具有吸附和憎水作用的保護膜，由于成膜劑分子間的空隙比CO2，O2的截面小，從而防止了CO2，O2對金屬的腐蝕。中和劑為堿性，既中和了水中的碳酸又為在線檢測冷凝水中的保護劑濃度提供依據，合理的汽液相分配比可有效保護金屬管道中氣相空間，防止了凝結水管道的金屬腐蝕及腐蝕產物對凝結水的污染。
（2）BF－30a高效防腐阻垢劑
BF－30a具有使鍋爐本體金屬處于鈍化狀態和抑制金屬腐蝕過程中陰極反應的雙重保護功能，有效地防止了金屬本體在運行狀態和停爐狀態下的氧腐蝕；同時由于BF－30a具有強力螯合作用，加入鍋爐水中后，與水中的硬度離子形成穩定的水溶性螯合物，增加了硬度離子在水中的溶解度，大大抑制水垢的形成，同時可以產生緩慢溶解原有水垢的效果；由于BF－30a具有較強的晶格畸變作用、分散作用，晶格畸變功能使碳酸鈣晶體在生長過程中破碎，形成外觀不規則的小晶體，分散劑吸附在小晶體及金屬表面形成雙電層，在靜電作用下，小晶體之間及小晶體與鍋爐金屬表面之間互相排斥，避免了在較高硬度水中鍋爐金屬表面沉積生成水垢。
（3）水質自動監測控制系統：
要充分發揮BF－30a防腐阻垢藥劑和BF－31T凝結水保護劑的功效，必須保證鍋爐水系統中BF－30a和凝結水系統中BF－31T的濃度在一定的范圍內。水質自動監測控制系統由檢測單元、顯示控制單元和投藥單元組成。檢測單元在線動態檢測水質（爐水和凝結水，下同）的PH值和人為的設定值進行比較：將其比較結果經過數據處理后控制投藥計量泵的投藥量；藥劑投加量的變化引起水質PH值的變化；檢測探頭從采樣單元中檢測到水質PH值的變化；新的檢測結果再和設定值進行比較，改變藥劑投加量。這樣，就形成了閉環調節控制系統，從而達到較佳的水質控制效果。
4. 如何實現鍋爐系統的零排污
零排污蒸汽發生技術的基本思路是從環保出發的成套節水節能技術，既排除了鍋爐運行過程中排污對環境的污染，又保證了鍋爐的節水節能，以及鍋爐的安全運行。目前，國際上普遍采用的鍋爐的節水節能措施是防止結垢以提高鍋爐熱效率，減少排污量和回收排污熱以減少排污熱損失，回收凝結水以提高熱利用率和節約鍋爐給水。防止結垢和減少排污率，必須通過提高給水質量和加入阻垢劑才能實現，而回收凝結水的前提條件是凝結水不被腐蝕產物等污染，三個方面節水節能措施都必須有水處理技術作保證。
新建鍋爐系統的設計，首先應考慮供出蒸汽應全部安裝換熱器間接使用，所有換熱設備均應安裝凝結水回收裝置，以保證足夠的凝結水回收率。在凝結水回收率≥70%的情況下，原則上可不安裝離子交換系統和除氧器，自來水管道直接與鍋爐給水箱連接。考慮到傳統觀念的影響，若用戶要求安裝離子交換系統和除氧器時，應安裝與離子交換系統和除氧器并聯的管道，使自來水管道可直接與鍋爐給水箱連接。
對于現有鍋爐系統實現零排污技術改造，首先必須具備或建立凝結水回收系統。凝結水回收系統包括凝結水回收管道、凝結水箱、循環泵。增加全自動凝結水水質監控設備向系統中投加保護劑，防止凝結水系統的金屬腐蝕，使凝結水中鐵離子含量控制在＜200μg/L ；硬度為＜0.01mmol/L ，pH值≥7，符合2001《工業鍋爐水質》標準。
在鍋爐給水側安裝鍋爐水質監控設備，向鍋爐給水系統中投加BF－30a鍋爐防腐阻垢劑，以防止鍋爐本體的結垢和腐蝕。
安裝集中控制的鍋爐自動排污裝置，在保證鍋爐安全運行的同時，盡量減少鍋爐運行排污及排污熱損失。
回收蒸汽凝結水作鍋爐給水，可以大大減少鍋爐原水和軟化水用量、節約用水和降低水處理的運行費用，還可去除或縮小補水的水處理系統，節省投資；
回收蒸汽凝結水，還可以提高給水品質，降低鍋爐排污率，使鍋爐的排污率控制在3%以下；
回收蒸汽凝結水，可大幅度提高鍋爐給水溫度，從平均給水溫度20℃提高到65℃，降低燃料消耗；而利用凝結水作給水，不但提高了水溫，而且凝結水中的溶解氧含量較低，可確保給水余氧含量達到合格標準。即使對于給水無除氧措施的小型工業鍋爐，回收凝結水可大幅度提高給水溫度，也能降低水中溶解氧含量，可顯著減少鍋爐的氧腐蝕。
采用凝結水回收技術，保證凝結水直接達到回收利用的同時，又解決了凝結水回收管道的腐蝕問題，延長了凝結水回收管道的使用壽命，其效益顯而易見。
5.系統運行數據對比
從凝結水回收前、后系統運行參數比較可以看出：
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（1）凝結水回收后比回收前生產每噸蒸汽節約用水量≥80%；每噸蒸汽的燃料消耗，天然氣消耗減少8 m3，燃煤鍋爐房的燃料煤減少0.036t；生產每噸蒸汽的耗電量減少1.5kWh左右。
（2）生產每噸蒸汽的費用在采用凝結水回收技術后，可節約14元左右。
6. 零排污蒸汽發生技術應用裝置的特點
（1）具有廣泛的適用性：凡是具有凝結水回收管道的工業鍋爐系統都可以應用該技術實現凝結水的達標利用，對系統的復雜程度、凝結水回收管線的長短、鍋爐水質情況沒有任何限制。
（2）系統自動化程度高，不需要增加專職運行人員，系統運行、維護、操作簡單易學。
（3）系統安裝施工量小；設備占地面積小（2m2）；不用改變原有凝結水回收系統。
（4）節約用水≥80，節約燃料≥10%，一次投資回收期＜1年。
三、零排污蒸汽發生技術經濟技術評價
以某鍋爐房三臺lot/h 燃汽蒸汽鍋爐為例，運行條件：使二備一，出力100%，運行天數150天；給水水質：硬度5mmol/L 、堿度2.5mmol/L ；水處理方式：鈉離子交換和熱力除氧。有凝結水回收管道，凝結水箱及循環泵。
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（一）運行成本及效益分析
傳統運行方式下生產一噸蒸汽所需相關費用
1、 水耗：
軟化水耗：1.05t/噸蒸汽（含軟化生產過程中反洗、配制再生液、置換、正洗的自耗水）
鍋爐排污水耗：0.05t/噸蒸汽（按5%排污率計）（不含減少除氧處理費及節電費用）
水耗總量：1.1t/噸蒸汽
2、 軟化用再生劑一鹽的消耗：
以再生劑比耗0.11kg/mol計算，軟化處理硬度為5mmol/L的鍋爐給水的鹽耗：0.11×5＝0.55kg/噸蒸汽
3、 能源消耗：
（1）以天然氣為燃料，每噸蒸汽含熱能6×105Kcal，按鍋爐總體效率75%，天然氣發熱量按QYdw8740Kcal/m3計算，燃料消耗：
m=Q/QYdwη=6×105/8740/75%=91.5m3
（2）如以煤為燃料，每噸蒸汽含熱能6×105Kcal，按鍋爐總體效率75%，煤發熱量按QYdwη＝6×105/6×105/75%=133kg計算，燃料消耗：
m=Q/QYdwη=6×105/6×105/75%=133kg
（二）以凝結水回收率70%計算，回收凝結水后，生產一噸蒸汽所節約的相關費用：
1. 節約用水：
回收1噸凝結水可減少給水水耗1.1噸,以凝結水回收率70%計算，生產每噸蒸汽可節約用水1.1×70%=0.77t
2. 節約的再生劑――鹽：
回收1噸凝結水可減少鹽耗0.55kg,以凝結水回收率70%計算，生產每噸蒸汽可節約用鹽0.55×70%＝0.39kg
3. 節約的燃料：
條件：軟化水溫度15℃，凝結水回水溫度65℃，
（1）回收1噸凝結水鍋爐給水溫度提高，減少的熱量損失：
Q1=mc(t1-t2)=1000kg×4.187KJ/kg. ℃×(65℃-15℃)＝209350kJ
（2）以天然氣為燃料，按鍋爐總體效率75%，天然氣發熱量按QYdw36533Kcal/m3計算。
回收1噸凝結水節約的天然氣燃料：m=Q1/QYdwη=20935/36533/75%=7.64m3
以凝結水回收率70%計算，生產一噸蒸汽所節約天然氣燃料：m×70%=5.3m3
（3）以煤為燃料，按鍋爐總體效率75%，煤發熱量按QYdw×103Kcal/kg計算。
回收1噸凝結水節約的煤：m=Q1/QYdwη=20935/4.18×103/75%=11.12kg
以凝結水回收率70%計算，生產一噸蒸汽所節約煤燃料：m×70%＝7.78kg
4. 回收凝結水后，生產一噸蒸汽所節約的總費用（不含減少除氧處理費及節電費用）：按水價4元/噸、鹽價450元/噸、天然氣價1.8元/m3、煤價400元/噸計算。
以天然氣為燃料，生產噸蒸汽節約：4×0.77＋0.45×0.39＋1.8×5.3＝12.8元
以煤為燃料，生產噸蒸汽節約：4×0.77＋0.45×0.39＋0.4×7.78＝6.4元
（三）此鍋爐房年節約運行成本計算：
三臺10t/h 蒸汽鍋爐，運行條件：使二備一，出力100%。運行天數150天計年產汽量：10×2×24×150＝7.2×104噸
年節水：7.2×104×0.77＝5.5×104噸
年減少鹽耗及鹽的排放：7.2×104×0.39×10-3＝28噸
年減少天然氣用量：7.2×104×5.3＝3.8×105m3
年節約運行費用：（不含減少除氧處理費及節電費用）7.2×104×12.8＝92.16萬元
（四）技術改造費用及投資回收期：
零排污蒸汽發生技術全部技術改造費用：25萬元
其中：BGK－DP/N20鍋爐水質監控設備1臺，14.8萬元；BGK－DP/G20（簡易）鍋爐給水投藥設備1臺，7.7萬元；現場水電，檢測取樣冷卻管道材料及安裝，2.5萬元。
投資回收期：25萬元/（92.16萬元/12月）＝3.25月
四、應用實例
廊坊開發區熱力供應中心第三供熱站現有2臺SZL15-2.5-AⅡ型燃煤蒸汽鍋爐，2臺SZL20-2.5-AⅡ型燃煤蒸汽鍋爐，主要為東方大學城冬季采暖、夏季制冷提供熱源；使用鈉離子交換軟化水處理方法，未使用除氧器。 因為負荷的特殊性，本站蒸汽流量比較穩定，而且冷凝水可回收率比較大，所以凝結水處理方式采用計量泵在蒸汽側投加BF-31T，由人工根據蒸汽流量按比例調整藥劑投加量。經過5天的藥劑投加，冷凝水的“紅水”現象消失，回收的凝結水各項指標均符合鍋爐給水標準。其中，鐵離子含量（平均）小于200μg /L；堿度為2.5～2.2 mmol/L；硬度為0.01 mmol/L；氯根為6～7；pH值為8.7～8.8；凝結水回收率在95%以上，超過國標要求的回收率＞60%的標準。凝結水鐵離子含量小于200μg/L,低于國標的小于300μg /L的指標，回收凝結水實際成本在1元／噸以下。
在充分回收凝結水的基礎上，我們停用了軟化設備，采用自來水中投加BF－30a防腐阻垢劑的方法，以減少離子交換劑再生廢水排放。運行一個月后，我們開爐檢查，鍋爐受熱面尚未發現新水垢，原有水垢也消失，未發現鍋爐腐蝕，鍋爐金屬表面光滑潔凈。運行三年來，每年鍋爐年檢只是在集箱中發現少量泥狀垢，只需用水槍沖洗即可除掉。使用BF-30a藥劑后，三站未進行過化學清洗。
從改造前后運行數據的對比可以看出，節水、節能效果顯著。噸蒸汽耗水量由過去的1.256噸水/噸蒸汽，降低到現在的0.1185噸水/噸蒸汽；噸蒸汽耗煤量由過去的0.178噸煤/噸蒸汽，降低到現在的0.142噸煤/噸蒸汽；在運行中鍋水堿度一直維持在6.5～9.2之間，鍋爐排污率降低到3%以下。
綜上所述，三站采用了北京化工大學化新通達公司的蒸汽鍋爐成套節水技術，包括鍋爐給水、鍋內加藥處理，凝結水回收等技術。通過在爐內投加BF－30a，可防止鍋爐腐蝕結垢，同時可去除軟化水處理環節，用自來水直接作為鍋爐給水；在蒸汽系統中投加BF－31T藥劑，可使凝結水合格回收，節水節能效果顯著。三站不僅每年可降低一百萬元的運行成本，而且抑制鍋爐、冷凝水管道和設備腐蝕，減少維修和安全事故的發生，安全運行，延長設備使用壽命；消除離子交換劑再生廢水排放，降低鍋爐的排污率，減少了環境污染。
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