【摘 要】近年来凝结水的闭式回收技术得到了越来越多的重视，相关的产品和设备不断涌现，但从整体来看，回收技术仍处于初级的分散发展的阶段，尤其对水质净化和防腐的研究很少，更未见有全面的系统性应用报道。就全国工业锅炉总体而言，具备成熟的冷凝水回收条件的锅炉约占 2/3，但到目前为止采用了完善的凝结水回收净化技术的几乎没有，凝结水回收市场潜力巨大。

【关键词】工业锅炉；冷凝水回收；节能减排；经济效益；综合效益；可持续发展；污染机理

0 引言

由于工业锅炉给水是软化水，而且除氧工艺不完善，导致了工业锅炉蒸汽冷凝水 pH值偏低、氧含量偏高，氧腐蚀和酸腐蚀严重，这是冷凝水污染程度大小的主要原因。此外，换热设备频繁的蒸汽供停，产生热应力拉伸而导致设备泄漏以及回收管网的不严密，造成混入不纯物质或不凝气也导致冷凝水杂质含量偏高，污染严重。

1 工业锅炉冷凝水污染机理

1.1 凝结水系统的氧腐蚀

1.1.1 凝结水中氧气的来源

产生氧腐蚀的前提条件是凝结水中必须有O2，凝结水中O2的来源有二个：一是，蒸汽中含有一定量的O2，在凝结过程中溶入凝结水中。工业锅炉的给水往往由于除氧设备运行效果不理想，或运行管理不善会含有一定的O2，含有O2的给水进入锅炉后，O2会随着水的蒸发进入水蒸汽中。另一个来源，是在其输送过程中溶入空气中的氧气，确切地说，目前我们采用的凝结水回收系统大部分均为开式系统，即换热设备的蒸汽凝结水集中排放到凝结水箱内，当凝结水箱的液位达到一定高度时，用凝结水泵送回热源厂利用。凝结水箱有一呼吸孔直通大气，当水箱液位上升时，水箱内的气体排入大气，当水箱液位下降时，水箱外的气体进入水箱内，由于水箱内的气体中O2度与水箱外空气中O2的浓度存在较大的浓度差，随着凝结水箱的呼吸，大气中氧气不断进入凝结水箱，根据亨利定律，水中O2的浓度与气态中O2的分压成正比，所以水箱内气态中的O2不断溶入凝结水中，直到凝结水中O2的浓度与气态O2的浓度达到平衡为止。

1.1.2 氧腐蚀的机理

凝结水中氧腐蚀的形式是氧去极化腐蚀，其腐蚀产物随着载体材质的不同而不同。

凝结水的输送管道一般是钢制管材，其腐蚀产物是铁的氧化物，其反应方程式如下：

阳极反应：Fe→Fe2++2e

阴极反应：O2+2H2O+4e→4OH-

以上反应的产物 Fe2+在水中会与相关物质进一步进行反应，其过程：

Fe2++2OH-→Fe（OH）2

4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3

Fe（OH）2+2Fe（OH）3→Fe3O4+4H2O

以上腐蚀产物中，Fe（OH）2在有氧的条件下是不稳定的，可以转变为α-FeOOH、γ-FeOOH或Fe3O4，α-FeOOH的颜色是黄色的，γ-FeOOH的颜色是橙色的，Fe3O4的颜色是黑色的；Fe（OH）3是表示三价铁的氢氧化物，化学组成实际上并不像其化学式那么简单，常常是各种含水氧化铁的混合物，可以写成Fe2O3·nH2O或Fe2O3，Fe2O3又有α-Fe2O3和γ-Fe2O3之分，α-Fe2O3的颜色是砖红至黑色，γ-Fe2O3的颜色是褐色，受污染的凝结水的颜色是红褐色，且腐蚀越严重，颜色越深，就是因为凝结水中含有以上腐蚀产物。

1.1.3 氧腐蚀的特征

凝结水的氧腐蚀属于溃疡腐蚀，腐蚀发生后在金属的表面形成一个个鼓包，直径从1mm-30mm 不等，鼓包的表面是黄褐色到砖红色，由上述的各种氧腐蚀产物组成，去除这些腐蚀产物后，金属的表面是一个个腐蚀坑。凝结水氧腐蚀一旦形成，就很难阻止腐蚀过程的继续，其原因是在腐蚀点上，由于腐蚀产物的阻挡，水中溶解氧扩散到这一点的速度减慢，形成了腐蚀点四周O2的浓度大于腐蚀点上O2的浓度，腐蚀点四周成为阴极，腐蚀点（金属表面某点）成为阳极，阳极（Fe）的腐蚀中被消耗，其产物 Fe2+会缓慢地通过腐蚀产物向溶液中扩散，与溶液中的相关物质继续反应，产生新的腐蚀产物，氧腐蚀这样继续下去。

1.2 凝结水系统的酸腐蚀

凝结水中的酸性物质主要是溶入凝结水中的CO2形成弱电解质H2CO3，H2CO3分解为H+和 HCO3-。

CO2+H2O=H2CO3

H2CO3=H++HCO3-

1.2.1 CO2的来源

凝结水中的CO2主要来源于蒸汽，蒸汽中的CO2气体的主要来源是蒸汽锅炉补给水中游离CO2和碳酸盐类在炉内受热分解，其反应方程式为：

2NaHCO3→Na2CO3+CO2+H2O

1.2.2 酸腐蚀的机理

CO2进入凝结水后形成碳酸（H2CO3）。H2CO3是一种弱酸，在水中电离的 H+不多，但凝结水是比较纯净的水，含盐量小，缓冲性差，即使像H2CO3这样的弱酸也会使 pH 值有较大的下降，当纯水中CO2为 1mg/L 时，纯水的 pH 值由 7.0 降至 5.5。同时随着 H+在腐蚀中不断消耗式 2-7 的电离平衡被打破，反应向右进行，不断电离出H+供腐蚀反应使用，直至H2CO3消耗完毕。CO2腐蚀的阳极反应和阴极反应方程式如下：

阳极反应：Fe→Fe2++2e

阴极反应：2H++2e→H2

CO2腐蚀的腐蚀产物是易溶的，不会沉积在金属表面，所以CO2腐蚀是均匀腐蚀，不会形成保护膜。CO2不仅对铁产生腐蚀，同时对金属铜也会产生腐蚀，当只有CO2时，会对铜管产生脱锌腐蚀；当CO2和O2同时存在时，对铜管中的金属铜也会产生腐蚀，其腐蚀产物是易溶的 Cu2+。由于铜的热阻小，换热器的换热管束一般采用铜管，CO2对铜管的腐蚀主要发生在蒸汽凝结水（疏水）液面上方的铜管表面，即二次水进水端，此时二次水的进水温度比较低，在换热管束——铜管的汽侧管壁会形成一层过冷的水膜，这层水膜的水温比疏水的温度要低，大量的CO2溶入这层水膜中，再加上溶入的O2，对铜管产生腐蚀。实验表明：当热交换器中进汽中的CO2浓度为 8mg/L 时，疏水上方的铜管水膜中CO2的含量为500-600mg/L。

实践表明，二氧化碳和氧共存时，上述两种腐蚀互相影响、促进，腐蚀速度是加快的。不同温度下碳钢在水中O2和CO2作用下的腐蚀速率随O2和CO2的浓度增加而增大，并且温度越高腐蚀速率越高。

2 工业锅炉冷凝水回收率低的原因及对策

2.1 冷凝水回收利用的经济效益

蒸汽冷凝水回用作锅炉给水是一项既节能又节水，节能减排效益非常显著的措施。蒸汽冷凝水不仅水质接近纯水，而且温度较高，回用作锅炉给水，既可明显降低燃料消耗，又大量减少锅炉补给水量、降低锅炉排污率，同时还可减少金属氧腐蚀和减少水处理药剂及再生剂对环境的污染。然而由于工业锅炉蒸汽用途多样性，汽质易受污染，或用汽设备及地点较为分散，蒸汽管线较长等原因，增加了冷凝水回用的难度和投资成本，因此大多数工业锅炉用汽系统在设计、安装中都未考虑将冷凝水返回作锅炉给水，以致长期以来我国工业锅炉蒸汽冷凝水的有效回用率非常低，造成大量燃料和水资源的浪费。

由于蒸汽冷凝水溶解杂质很少、温度高，回收使用可带来巨大的经济效益。经济效益体现如下：

蒸汽冷凝水与软化水混合后给水温度可以得到有效的提高，燃料消耗大幅度降低；

锅炉水耗可以极大的降低；

蒸汽冷凝水中溶解杂质很少，与软化水混合后给水中的溶解固形物可降低 3-5 倍，排污率可下降 4-6 倍；

蒸汽冷凝水与软化水混合后给水温度可以得到有效的提高，起到热力除氧的目的，对防止锅炉的氧腐蚀有帮助；

减少锅炉补给水量，水处理设备运行周期延长，再生剂用量降低，水处理设备自用水耗减少，再生废液总量下降。

2.2 提高冷凝水回收利用率的对策

制定冷凝水回收技术规范，使设计单位有章可循，设计时尽可能的有效利用冷凝水的热能；

对冷凝水回收利用的经济效益进行大力宣传和普及教育；

加强水汽循环系统处理措施，提高冷凝水回收率；

对可能造成冷凝水的污染物进行化验监督；

加强科研，提高防止冷凝水被生产工艺介质污染的手段；

“对症下药”，减缓蒸汽管道、换热设备、回水管道等腐蚀；

推广使用先进的冷凝水回收工艺和装置。

3 结束语

总之，冷凝水回收是蒸汽热力系统循环中的一个重要环节，从系统节能的观点出发，冷凝水回收利用的好坏直接影响蒸汽热力系统总的能源利用效率。

【参考文献】

[1]张翠清，杜铭华，郭冶，等.工业锅炉及窑炉节能减排技术途径与关键问题分析[J].中国能源，2008（2）：16-20.

[2]高田敏则，平正登. 凝结水回收与利用[M].北京：机械工业出版社，1992.

[责任编辑：曹明明]