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浅析国外标准对工业锅炉水质的要求

新闻来源:《特种设备》 发布时间:2018-01-12

深圳市特种设备安全检验研究院/张居光

       本文摘录了美国、英国、欧洲、日本、印度等国家和地区的标准体系所要求的工业锅炉水质指标,结合我国的工业锅炉水质标准和锅炉水处理现状提出意见:锅炉水质在锅炉类型分类上可以进一步细化,锅内水处理和锅外水处理的分类容易引起歧义,锅内水处理硬度4mmol/L太大,热水锅炉水处理的理念与国外存在明显差异。

       一、ASME Consensus关于锅炉水质要求

ASME 锅炉水质指引》由美国机械研究协会下面的一个热电厂水质质量分会编制,涉及的锅炉类型包含工业锅炉、电站锅炉、船舶锅炉,不包括火车机车锅炉、特殊材质锅炉、电极锅炉、热水锅炉和油田注汽锅炉。1979年第一版,1994年进行更新,为了适应美国锅炉制造水平的进步和锅炉种类增多,该标准并未对锅炉用水预处理、锅炉水调节处理、以及锅内处理进行限制,而是从锅炉设计、操作方便的角度提出推荐条件。因此,它不考虑化学药剂处理的特点与优势。ASME Consensus列出6个表格,分别适用于6种不同类型锅炉。其中火管锅炉和带过热器的水管锅炉水质要求如表1,表2

表1.  2.0MPa以下的火管锅炉水质

给水水质

溶解氧 mg/L(除氧剂加入前)

溶解氧(除氧剂加入后)

总铁mg/L

总铜mg/L

总硬度mg/L

pH

TOC

mg/L

油脂mg/L

0.04

0.007

0.1

0.05

1.0

7.0-10.5

10

1

锅水水质

SiO2 mg/L

总碱度 mg/L

酚酞碱度mg/L

电导(中和前)μS/cm

150

700

7000

 

表2.  2.0MPa以下带过热器的水管锅炉

给水水质(除氧器之前)

溶解氧

总铁mg/L

总铜mg/L

总硬度mg/L

pH

TOCmg/L

油脂mg/L

0.007

0.1

0.05

0.3

8.3-10.0

1

1

锅水水质

SiO2 mg/L

总碱度 mg/L

TSS(悬浮物)mg/L

电导(中和前)μS/cm

TDS mg/L

150

350

15

1100-5400

700-3500

补给水水质

排污率0.5%

排污率1%

排污率2%

排污率3%

TDS

 mg/L

SiO2 mg/L

TDS

mg/L

SiO2 mg/L

TDS

mg/L

SiO2 mg/L

TDS

 mg/L

SiO2 mg/L

11.4

0.75

22.8

1.5

45.5

3

68.3

4.5

蒸汽品质

TDS mg/L

0.2-1.0

       评论: ①ASME对锅炉给水的要求很高,可能与美国自来水水质较好,以及起草机构属于发电锅炉领域有关。②ASME对锅水的悬浮物有要求,悬浮物在锅水中容易沉积,转化为二次水垢。③补给水水质与锅炉排污率相关,排污大的锅炉对应补给水的TDS和硅酸盐可以适当放宽。

       二、BS 2486-1997《蒸汽锅炉和热水锅炉水处理推荐规范》的要求

BS2486-1997 Treatment of water for steam boilers and water heaters第一版是1954年编制,1978年更新,1997年再次更新。其中1978版标准中锅壳式锅炉以给水硬度不同来对锅水分类要求(给水硬度分为0.04mmol/L0.4mmol/L1mmol/L),而1997版以受热面的热流密度不同来对锅水分类要求,这种改变主要是为了锅炉设计和操作的方便。本文摘录热水锅炉、锅壳式锅炉、火焰直接加热的水管锅炉和非火焰加热的水管锅炉中低压部分的水质指标作简单评价。

3 热水锅炉水质

锅炉类型

常压热水锅炉(出水温度120℃以下)

承压热水锅炉(出水温度120℃以上)

锅炉材质

钢铁

钢铁、铜合金

钢铁、铜合金、铝合金

钢铁

钢铁、铜合金

钢铁、铜合金、铝合金

补水水质

生水

生水

生水

生水

生水

生水

pH

8.0-10.5

7.5-9.2

7.0-8.0

8.0-10.5

7.5-9.2

7.0-8.0

碱度控制

NaOH

NaOH

不控制或缓冲液

氢氧化钠/

氢氧化钠/

铜缓蚀

None

苯并三氮唑

苯并三氮唑/甲基苯并三氮唑

None

苯并三氮唑

苯并三氮唑/甲基苯并三氮唑

除氧/缓蚀剂

亚硫酸钠/丹宁/联氨/DEHA

适当的缓蚀混合物

亚硫酸钠/丹宁/联氨/DEHA

适当的缓蚀混合物

亚硫酸钠/丹宁/联氨/DEHA

适当的缓蚀混合物

挥发性除氧剂

挥发性除氧剂

挥发性除氧剂

污泥防止

适当有机物及混合物

适当有机物及混合物

适当有机物及混合物

适当有机物及混合物

适当有机物及混合物

适当有机物及混合物

       评论:①热水锅炉补给水推荐使用生水而不是软化水或除盐水,铝材锅炉系统明确不允许使用软化水和除盐水,这是因为热水锅炉的温度低,浓缩倍率小,腐蚀问题比结垢更为突出,而生水比软化水和除盐水对金属的侵蚀性小。②热水锅炉对腐蚀的控制主要借助除氧剂和缓蚀剂,而不是采用除氧器来降低溶解氧。③热水锅炉推荐投加药剂防止污泥沉积,而不是软化和除盐,防止污泥沉积的药剂主要成分为有机分散剂。

 表4 锅壳锅炉水质(仅摘录压力3.0MPa以下锅炉水质指标)

给水

外观

清澈、不产生稳定泡沫

pH

8.5-9.5

总硬度

2 mg/L

溶氧

除氧器降低至最大能力

总碱度

建议控制25mg/L以内

油脂

1mg/L

锅水

热流密度

300KW/m2

300KW/m2

总碱度

1000 mg/L

100 mg/L

除氧剂

亚硫酸钠

联氨

丹宁

抗坏血酸

DEHA

 

30-70  mg/L

0.1-1.0

120-160

15-30

0.1-1.0(给水)

 

可能造成酸腐蚀等后果

0.1-1.0 mg/L

可能造成酸腐蚀等后果

 

0.1-1.0(给水)

磷酸根 mg/L

30-60(如果给水软化且自带碳酸盐碱度,锅水维持25mg/L碳酸盐碱度,或者其他聚合物处理,磷酸根可不控制)

10-30(螯合剂EDTA NTA以及聚合物等不能使用)

SiO2mg/L

150

5

悬浮固形物mg/L

200

20

TDS mg/L

3500

1000

电导率(中和前),μS/cm

7000

2000

      评论:锅壳式锅炉对给水溶解氧没有具体要求,注释中要求越低越好。锅水水质与锅炉设计的受热面热流密度有关,热流密度大则水质要求严格,这种考虑是科学合理的。锅水对悬浮物、硅酸盐进行限制,避免悬浮物、硅酸盐沉积转化为更难清洗的水垢。

 表5  火焰加热的水管锅炉水质(仅摘录4.0MPa以下参数锅炉水质指标)

 

出口压力 MPa

0-2.0

2.1-4.0

给水

总硬度,mg/L(以CaCO3计)

2

1

pH

8.5-9.5

8.5-9.5

溶解氧,mg/L

0.02

0.02

Fe+Cu+Ni mg/L

0.05

0.05

TDS

取决于排污率和蒸汽品质要求

有机碳

 

锅水

磷酸根 PO43-mg/L

30-70

20-50

酚酞碱度,mg/L

50-300

50-150

SiO2mg/L

0.4*酚酞碱度

0.4*酚酞碱度

除氧剂,mg/L

亚硫酸钠

联氨

DEHA

丹宁

抗坏血酸

 

30-50

0.1-1.0

0.1-0.25(给水)

120-160

15-30

 

20-40

0.1-0.5

0.1-0.25

None

15-30

TDSmg/L

3000

2500

电导率(中和前),μS/cm

6000

5000

      评论:水管锅炉锅水不控制总碱度和pH值,只控制酚酞碱度,原因可能是控制适当的酚酞碱度足以避免锅炉发生酸、碱腐蚀。水管锅炉锅水需控制硅酸盐浓度,且硅酸盐控制值与酚酞碱度相关,酚酞碱度高,硅酸盐可允许浓度相对放宽。

 

表6 非火焰加热的水管锅炉水质(类似余热锅炉、热交换器)

 

出口压力 MPa

0-4.0

4.1-8.0

给水

总硬度,mg/L(以CaCO3计)

0

0

pH

9.3-9.8

9.3-9.8

溶解氧,mg/L

0.02

0.01

Fe+Cu+Ni mg/L

0.05

0.03

锅水

磷酸根 PO43-mg/L

20-40

15-30

酚酞碱度,mg/L

50-300

50-150

SiO2 mg/L

20

5

除氧剂,mg/L

亚硫酸钠

联氨

DEHA

丹宁

抗坏血酸

 

15-20

0.1-0.5

0.1-0.25(给水)

120-160

15-30

 

0.05-0.1

0.1-0.25

None

15-30

TDSmg/L

1000

200

电导率(中和前),μS/cm

2000

400

评论:非火焰加热与火焰直接加热的水管锅炉水质在给水pH值和锅水电导率上存在较大差异。

       三、欧洲标准BS EN12592:12-2003 水管锅炉和辅助设备 12部分:锅炉给水和锅水水质的要求

7 BS EN 12592:12水管锅炉的给水和锅水水质

 

参数

有溶解固形物的水(软化水)

除盐水

操作压力,bar

0.5-20

20-40

40-100

不限

外观

无色透明、无悬浮物

直接电导率μS/cm

与锅水指标相关

阴离子电导μS/cm

0.2

pH

9.2

9.2

9.2

9.2

总硬度,mmol/L

0.02

0.01

0.005

0

Na+Kmg/L

0.010

Femg/L

0.050

0.030

0.020

0.020

Cumg/L

0.020

0.010

0.003

0.003

SiO2mg/L

0.020

溶解氧 mg/L

0.020

0.020

0.020

0.1

油脂,mg/L

1

0.5

0.5

0.5

TOC mg/L

0.5

0.2

CODMnmg/L

5

5

3

5

 

参数

给水电导>30μS/cm

给水电导≤30μS/cm

除盐水

操作压力bar

0.5-20

20-40

40-60

0.5-60

60-100

0-100

100-

外观

清澈,无稳定泡沫

直接电导μS/cm

6000

与压力相关,曲线图1

与压力相关,曲线图2

100

30

pH

10.5-12

10.5-11.8

10.3-11.5

10-11

9.8-10.5

9.5-10.5

9.3-9.7

总碱度

1-15

1-10

0.5-5

0.1-1

0.1-0.3

磷酸根

10-20

8-15

8-15

5-10

6

6

3



 评论:给水根据补给水处理方式不同分为软化水和除盐水,其中软化水包括软水器和反渗透出水,除盐水为阴阳离子交换器出水。软化水以电导率不同,分为30μS/cm以上和30μS/cm以下两类。锅水指标与给水处理方式、给水电导率有关。给水电导率越低,锅水碱度控制上限值越低。锅水控制总碱度和pH值,不控制酚酞碱度。锅水碱度下限值设置的很低,在给水溶解氧和锅水pH值合格前提下,降低碱度不会增加金属的腐蚀风险。

       四、欧洲标准BS EN12593:10-2003 锅壳锅炉 第10部:锅炉给水和锅水水质

8 BS EN 12593:10锅壳锅炉的给水和锅水水质

给 水

参数

蒸汽锅炉

热水锅炉

操作压力 bar

0.5-20

20-

不限

外观

无色透明,无悬浮物

直接电导

与锅水相关

pH

9.2

9.2

7.0

总硬度 mmol/L

0.01

0.01

0.05

Fe mg/L

0.3

0.1

0.2

Cu mg/L

0.05

0.03

0.1

溶解氧mg/L

0.05

0.02

油脂 mg/L

1

1

1

锅 水

参数

给水电导>30μS/cm

给水电导≤30μS/cm

热水锅炉

操作压力 MPa

0.5-20

20

0.05

不限

直接电导μS/cm

6000

1

1500

1500

pH

10.5-12

10.5-11.8

10-11

9-11.5

总碱度

1-15

1-10

0.1-1.0

5

磷酸根

(磷酸根处理)

10-30

10-30

6-15

评论:给水根据电导率不同,分为30μS/cm以上和30μS/cm以下两类。锅水指标与给水电导率有关。给水电导率越低,锅水碱度控制上限值越低。锅水控制总碱度和pH值,不控制酚酞碱度。与表7不同之处,锅壳锅炉对给水溶解氧要求有放宽,锅水磷酸根上限有所提高。

       五、日本JIS B8223:2006锅炉给水和锅水水质

 JIS B8223:2006火管和锅壳锅炉水质


使用压力,MPa

1

1-2

单位面积蒸发率

Kg/(m2·h)

30

30-60

60

补给水类型

原水

软化水

给 水

pH

5.8-9.0

5.8-9.0

5.8-9.0

5.8-9.0

硬度,mg/L

60

1

1

1

油脂

尽可能低

溶解氧

尽可能低

锅水

处理方式:碱处理

pH

11.0-11.8

11.0-11.8

11.0-11.8

11.0-11.8

总碱度(pH4.8)

2-16

2-16

2-16

12

酚酞碱度mmol/L

1.8-12

1.8-12

1.8-12

10

全蒸发物 mg/L

4000

3000

2500

2300

电导率 uS/cm

6000

4500

4000

3500

氯化物mg/L

600

500

400

350

磷酸根mg/L

20-40

20-40

20-40

20-40

亚硫酸根mg/L

10

10

10

10

联氨 mg/L

0.1-1.0

0.1-1.0

0.1-1.0

0.1-1.0

 

10 B8223:2006水管锅炉水质

区分

使用压力 MPa

1

1-2

2-3

单位面积蒸发率Kg/(m2·h)

50

50

补给水类型

软化

除盐

除盐

给水

pH

5.8-9.0

5.8-9.0

5.8-9.0

8.5-9.7

8.5-9.7

硬度 mg/L

1

1

1

未检出

未检出

mg/L

0.3

0.3

0.1以下

0.1

锅水

处理方式

碱处理

磷酸盐处理

碱处理

磷酸盐处理

pH

11.0-11.8

11.0-11.8

11.0-11.8

10.5-11.5

9.8-10.8

10.0-11.0

9.4-10.5

总碱mmol/LpH4.8

2-16

2-16

12

5

2.6

3

2

酚酞碱度(pH4.3

1.6-12

1.6-12

10

4

2

2.4

1.6

全蒸发残留 mg/L

3000

2500

2000

电导率uS/cm

4500

4000

3000

1500

1200

1000

800

氯化物mg/L

500

400

300

150

150

100

100

磷酸根mg/L

20-40

20-40

20-40

10-30

10-30

5-15

5-15

亚硫酸根mg/L

10

10

10-20

10-20

5-10

5-10

5-10

联氨mg/L

0.1-1.0

0.1-1.0

0.1-0.5

0.1-0.5

0.1-0.5

二氧化硅mg/L

50

50

50

50

评论:日本标准把锅炉水质按照锅炉类型分8个表格,分别为火管(锅壳)锅炉水质、特殊循环锅炉水质(相当GB 1576的贯流锅炉)、水管锅炉、余热发电锅炉、贯流锅炉(相当我国大型直流发电锅炉)、蒸汽品质、挥发性处理贯流锅炉、加氧处理贯流锅炉。

同种锅炉类型下,锅炉压力和单位面积热负荷不同,水质指标不同。低中压锅炉还可根据补给水类型不同,分为原水、软化水、除盐水,不同补给水对应水质标准。

       六、印度标准IS:10392-1982低中压固定式锅炉给水和锅水水质


锅炉参数MPa

0-2.0

2.1-3.9

4.0-5.9

给水

总硬度,mg/L CaCO3

10

1.0

0.5

pH

8.5-9.5

8.5-9.5

8.5-9.5

溶解氧,mg/L

0.1

0.02

0.01

SiO2 mg/L  max

5

0.5

锅水

总硬度,mg/L CaCO3

0

0

0

总碱度,mg/L CaCO3

700

500

300

酚酞碱度,mg/L

350

200

60

pH

11.0-12.0

11.0-12.0

10.5-11.0

亚硫酸钠残留,mg/L

30-50

20-30

联氨残留,mg/L

0.1-1.0

0.1-0.5

0.05-0.3

Na2SO4/P-JD

2.5

2.5

2.5

Na2SO4/T-JD

0.4

0.4

0.4

磷酸根,mg/L

(磷酸盐处理)

20-40

15-30

5-20

TDS ,mg/L

3500

2500

1500

SiO2,mg/L

0.4*酚酞碱度

0.4*酚酞碱度

15

      评论:印度锅炉水质标准在具体项目设置上与英国早期的标准类似,如硅酸盐的控制值和除氧剂的控制值。IS标准中对于2.0MPa以下锅炉,给水硬度控制值为0.2mol/L。

 

七、国外锅炉水质标准值得我国标准GB/T1576借鉴之处

欧洲和日本锅炉水质标准在锅炉分类上更加细化,分为水管锅炉、锅壳锅炉或火管锅炉、盘管式锅炉、特殊循环锅炉等几种类型。根据锅炉类型、热负荷不同,调节水质,显得更加科学。我国工业锅炉水质标准GB1576-2008在锅炉类型上分为自然循环锅炉和强制循环锅炉,在补给水类型上分为软化水和除盐水,这是2008版标准在2001版基础的改进。但是,现有的锅炉类型和补给水类型在分类上还不够细致,尤其是补给水类型单纯分软化水和除盐水,这种分类不好操作。因为各地水质不同,北方地区的一级RO水可能比南方的自来水水质还差。欧洲标准按照电导率分级,操作性更强,值得借鉴。

锅炉水处理方式上,国外标准没有“锅内水处理”和“锅外水处理”的说法。锅炉水处理不存在单纯的锅外水处理,也不存在单纯的锅内水处理,水处理教材、水质标准一直沿用这种分类,把一种错误观念根深蒂固了。

早期的国外标准允许锅炉直接使用有硬度的水,限于热负荷不大的锅壳锅炉,但是给水硬度也不是无限制放宽,只是放宽至1mmol/L左右。我国标准对于“单纯锅内加药”方式的蒸汽锅炉,给水硬度放宽至4mmol/L,这个是太高了,不管添加何种水处理药剂,高温高压下必然会产生大量水渣,一旦排污不充分就会转化为二次水垢,如果大量排污则会造成大量排污热损失。国外标准对于这种生水或部分软化水做补给水的情况,要控制锅水的悬浮物,避免出现严重结垢。

蒸汽锅炉的除氧方面,GB/T1576要求10t/h以上的蒸汽锅炉安装除氧器,相当于大部分的工业锅炉不需要采取热力除氧,而化学除氧必然消耗大量药剂,且给锅水增加大量的溶解固形物,这一点显得不科学。锅外标准要求在热力除氧的基础上辅助化学除氧,这一点没有对锅炉蒸发量大小进行区分。

蒸汽锅炉如果控制适当碱度和硅酸盐,有利于防止腐蚀,防止磷酸镁水垢生成。但是硅酸盐含量太大,锅炉容易生成硅垢,很难清洗。危害性更大,需要重视。我国标准可借鉴国外标准,锅水指标中限定硅酸盐含量。

热水锅炉水处理方面,我国与欧洲存在非常大的差异。我国标准提倡给水除氧和锅水加碱来减缓腐蚀,而欧洲推荐用锅水中投加除氧剂和缓蚀剂来解决腐蚀问题。相对而言,锅外标准中采取控制锅水中药剂残留方法,易于操作,且效果更好。而GB/T1576一直没有解决好热水锅炉的腐蚀问题,因为热水锅炉补水较少,不连续,而且热水锅炉的循环水无法杜绝空气的渗入,关注给水除氧作用不大。另一方面,锅水加碱后,允许残留的硬度降低,过剩的硬度与碱度生成沉渣,增加泥渣含量,不利于热水锅炉的防垢。