鍋爐給水的成膜胺處理技術(shù)

為了防止鍋爐水汽系統(tǒng)的腐蝕或結(jié)垢，鍋爐給水在使用前必須經(jīng)過處理，以保證鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。圖1為帶有原水處理設(shè)備和給水處理設(shè)備的鍋爐水汽系統(tǒng)。

圖1 帶有原水處理設(shè)備和給水處理設(shè)備的鍋爐水汽系統(tǒng)

本文介紹了鍋爐給水的成膜胺（十六烷基胺V 211，F(xiàn)FA）處理技術(shù)。

1 成膜胺的防腐機(jī)理及其應(yīng)用

鍋爐給水處理一般添加3種化學(xué)品：除氧劑、磷酸鹽和堿性胺。對(duì)比之下，F(xiàn)FA處理主要含有堿性胺和成膜成分。FFA處理可以通過加入聚羧酸酯而發(fā)揮協(xié)調(diào)作用。

FFA，一般指聚胺或脂肪胺，是屬于低聚烷基脂肪胺一族的定性化學(xué)物質(zhì)。常規(guī)的化學(xué)分子式是R1—[NH—（R2）—]n—NH2，n 是 0 到 7 間的整數(shù)，R1指無支鏈的、含有12～18個(gè)碳原子的烷基鏈（脂肪烴鏈），R2指短鏈烷基。最簡(jiǎn)單的代表是十八烷基胺（n=0，R1=C18H37）。十八烷基胺的不足之處在于其成形性差（因此需要加入乙酸），并且用量過大時(shí)敏感性強(qiáng)。

現(xiàn)代的處理程序中一般包括油酰胺（n=1，R1=C18H35）或者油酰丙二胺（n=1，R1=C18H35，R2=C3H6）。為了調(diào)節(jié)鍋爐爐水和冷凝水的pH并保證制劑所需的貯存穩(wěn)定性，F(xiàn)FA常與堿性胺一起使用。

采用FFA處理給水時(shí)應(yīng)該了解這些物質(zhì)的特殊性能以及這些性能的實(shí)際影響。FFA的抗結(jié)垢性能并不明顯（如聚羧酸酯）。然而它們?cè)诒唤Y(jié)晶初期形成的微晶體吸收后妨礙微晶體的成長，最終形成無定形的薄層垢結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 無成膜胺（a）和有成膜胺（b）的碳酸鈣晶體

FFA對(duì)金屬表面有很強(qiáng)的親和力。使用電化學(xué)阻抗頻譜法和光電子能譜法詳細(xì)分析了膜成形的過程。偏振阻力的值來自阻抗光譜，是根據(jù)鐵熔化在覆蓋層的孔隙中時(shí)測(cè)量電荷的轉(zhuǎn)移阻力得到。對(duì)油酰丙二胺和油酰胺而言，偏振阻力和膜的穩(wěn)定性都會(huì)達(dá)到最大值。

膜是腐蝕物質(zhì)如氧、二氧化碳或者碳酸的屏障。保護(hù)膜一旦形成，即使改變FFA的使用劑量也無法破壞保護(hù)膜的完整性。所以當(dāng)FFA劑量低于所需水平或者在一小段時(shí)間內(nèi)中斷添加也不會(huì)有直接影響。由于膜表面的親和力很強(qiáng)，F(xiàn)FA可以逐漸除去已經(jīng)吸附在表面上的物質(zhì)（如含鈣的垢）或吸附較松的磁鐵礦型腐蝕產(chǎn)物，見圖3。

圖3 FFA從鍋爐中逐步除去含鈣的垢[（a）為處理前的情況；（b）為處理1年后的情況]

鍋爐水汽管道金屬表面所需的磁鐵礦層（magnetite layers）應(yīng)當(dāng)是緊密的、薄的和平滑的。不均勻的、厚且多孔的覆蓋層會(huì)使顆?；蛘呱源簏c(diǎn)的碎片進(jìn)入液相或氣相中，尤其是當(dāng)鍋爐的熱負(fù)荷變化時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯。

在對(duì)所檢測(cè)鍋爐水汽管道上形成的磁鐵礦層進(jìn)行表面分析的結(jié)果表明，相比于用常規(guī)的磷酸鈉處理而言，用FFA處理后的管壁的表面更加平滑、均勻。圖4是使用共聚焦激光掃描光譜（CLSM）獲得的管壁影像。經(jīng)FFA處理和經(jīng)磷酸鹽處理后測(cè)量得到的粗糙度分別為1.45 μm和2.25 μm。

圖4 用磷酸鈉（a）和成膜胺（b）處理的實(shí)驗(yàn)鍋爐管壁的共聚焦激光掃描光譜圖

磁鐵礦層上一層很薄的膜對(duì)熱傳遞有著非常明顯的促進(jìn)作用。就工業(yè)上熱流密度的總光譜而言，經(jīng)FFA處理后管道的沸騰曲線在經(jīng)磷酸鹽處理的管道的沸騰曲線的上面。因此，經(jīng)FFA處理后熱傳遞系數(shù)將更高。

圖5為經(jīng)磷酸鹽處理后管道熱傳遞系數(shù)的凈增加量。圖中曲線從上至下分別是未涂金屬管道（FFA）、磷酸鈉處理后的金屬管道（FFA）、磷酸鈉處理后的未涂金屬管道（其值為0）。

圖5 成膜胺處理后熱傳遞系數(shù)k隨熱流密度變化的相對(duì)增值

由圖5可見，用FFA（V 211）處理未涂金屬管道表面的熱傳遞系數(shù)相對(duì)增加了90%～150%。當(dāng)管道先經(jīng)磷酸鹽處理再經(jīng)FFA處理（V 211）時(shí)，增加值為40%～90%。

用FFA處理給水時(shí)，可以預(yù)料廢氣的溫度有所降低，從而提高了鍋爐熱效率并降低了CO2的排放量。不過這種預(yù)期并不能通過數(shù)字計(jì)算得到。

鍋爐冷凝水中FFA的揮發(fā)性可以通過數(shù)字分析得到論證。通過分配平衡定量分析其揮發(fā)性，而分配平衡由FFA各種不同的代表物質(zhì)得到。

由于FFA的揮發(fā)性，整個(gè)鍋爐水汽管道表面都形成了成形膜，可以保護(hù)設(shè)備完全不被腐蝕。圖6為固定在鍋爐冷凝水系統(tǒng)中鋼條在成形膜保護(hù)前、后的區(qū)別。

圖6 采用亞硫酸鹽、磷酸鹽和液體胺處理（a）以及使用成膜胺和液體胺處理（b）的鍋爐冷凝水系統(tǒng)中的鋼條

由圖6可見，在采用常規(guī)的亞硫酸鹽、磷酸鹽和堿性胺處理的冷凝水系統(tǒng)中的鋼條腐蝕非常明顯，而經(jīng)FFA處理的冷凝水系統(tǒng)的鋼條只是出現(xiàn)了輕微的閃銹。

2 成膜胺的添加和用量的控制

（1）在一般情況下將FFA配制成溶液，采用計(jì)量泵加入到鍋爐給水系統(tǒng)中。

（2）由于成膜組分會(huì)侵蝕氟橡膠，所以FFA的加藥計(jì)量系統(tǒng)中不能有任何由氟橡膠制成的零件。推薦使用三元乙丙橡膠（EPDM）為密封材料，聚四氟乙烯（Teflon）為膜材料。

（3）FFA的加藥量以鍋爐運(yùn)行中冷凝水、給水和爐水中剛好能檢測(cè)出微量FFA為宜（持續(xù)過量的FFA會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)凝集現(xiàn)象）。因此，鍋爐給水采用FFA處理必須定時(shí)檢測(cè)冷凝水、給水和爐水中的FFA含量。同時(shí)，須定時(shí)檢測(cè)冷凝水、給水和爐水中的鐵離子和pH。

（4）在取樣檢測(cè)時(shí)，取樣瓶必須采用塑料制品（因FFA會(huì)吸附到包括取樣瓶等容器表面上而影響分析結(jié)果）。同時(shí)，取樣后應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)立即檢測(cè)FFA。

（5）檢測(cè)FFA時(shí)，為避免取樣瓶使用了洗潔劑對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生干擾（FFA也是一種陽離子表面活性劑），可采用特殊染料（孟加拉玫瑰紅）作指示劑（孟加拉玫瑰紅的檢測(cè)范圍約為0.1×10-6）。

3 結(jié)束語

與常規(guī)的處理方法相比，鍋爐給水采用FFA處理有很多優(yōu)點(diǎn)，主要有下述幾點(diǎn)。

（1）由于FFA在鍋爐水汽系統(tǒng)中呈揮發(fā)性的蒸氣狀態(tài)。因此，F(xiàn)FA可以在整個(gè)水汽系統(tǒng)的金屬表面形成一層保護(hù)膜而防止其腐蝕。

（2）與除氧劑不同的是，除氧劑由于與爐水中的氧反應(yīng)而自身被消耗，而FFA的成膜組分并不會(huì)因化學(xué)反應(yīng)而被消耗掉。

（3）FFA是有機(jī)物質(zhì)，因此不會(huì)增加爐水的電導(dǎo)率。

（4）FFA對(duì)人體的毒性很小，所以有關(guān)職業(yè)健康與安全的大量措施（如與肼有關(guān)的）就沒有必要了。

（5）鍋爐水汽管道的表面形成的光滑、均勻的磁鐵礦層提高了熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，從而提高了鍋爐的熱效率。

（6）FFA的處理提高了鍋爐爐水水質(zhì)，從而改善了汽輪機(jī)的清潔度。

（胡偉婷 編譯）