工业锅炉零排污蒸汽发生技术
一、概况
零排污蒸汽发生技术是工业锅炉成套节水技术，也是一种新的锅炉水处理技术。锅炉是工业生产和人类生活的热能动力之源，在国民经济中占有重要地位，被誉为工业的心脏是当之无愧的。锅炉的工作介质是水，锅炉水处理是保证锅炉安全经济运行的重要环节。锅炉是一种热交换设备，把外部能源（煤、油和天然气）燃烧所产生的能量传递到工作介质，使水变成蒸汽。不良的水质中含有较多的有害杂质，如果这种水不经任何处理就进入锅炉，那么水中的杂质会在锅炉中形成水垢或水渣，水垢的形成会大大降低锅炉的导热能力，锅炉结垢将导致炉管过热损坏、燃料消耗量增加、出力降低、缩短锅炉使用寿命，甚至出现事故。因此对锅炉给水的处理十分重要。
二、工作原理
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1. 传统工业锅炉运行模式
传统工业锅炉运行特点：
（1）采用离子交换设备对原水进行软化处理，防止锅炉结垢。
在锅炉给水处理环节，离子交换法在我国锅炉房的普及已达90%以上。当原水经过钠离子交换树脂床时，水中的钙、镁离子与树脂上的无害离子交换，从而把钙、镁离子从原水中去掉，其残余硬度可降至0.05mol/L 以下。对于碱度较高的原水，还需要采用软化一降碱处理。采用离子交换法进行水处理，必须排放再生废液，其再生废盐水可导致淡水咸化，在这一环节，排放的废水约占原水的5－15%。
（2）采用热力除氧器除氧，防止锅炉氧腐蚀。
（3）在工业锅炉运行过程中，由于水的高倍浓缩，水中的溶解固形物及悬浮物增加，为了保证蒸汽品质，确保锅炉安全，锅炉要进行必要的连续排污和定期排污。这一环节的排污量约占锅炉补水量的5－10%。
（4）在蒸汽应用环节，传统运行方式只注重热能的利用，而忽视了含能介质的回收。蒸汽做功冷凝后变为热水，这些含有高热值的凝结水，其品质远远高于软化水，接近纯水。但由于凝结水在回收过程中会对钢质管道产生严重腐蚀，铁等腐蚀产物对水质造成严重污染。未经处理的凝结水作为锅炉补充水时，水中所含大量铁离子会在锅炉传热面发生二次结垢及垢下腐蚀，造成更大的危害，使得蒸汽凝结水的回收利用有一定的难度。以前，有很多工业锅炉在系统和用汽装置设计、安装时就没有考虑凝结水的回收利用，将蒸汽凝结水排至地沟而白白浪费。有些用户虽然将凝结水回收作锅炉给水，但由于缺乏有效的管道防腐措施和凝结水处理技术，凝结水回收管道腐蚀严重，凝结水中铁离子含量较高，直接影响锅炉的安全运行。目前，工业锅炉凝结水达标回收利用率不到20%。
2. 工业锅炉零排污蒸汽发生技术
零排污蒸汽发生技术是工业蒸汽锅炉节水成套技术。该技术利用化学方法，采用系统综合处理的设计，从蒸汽发生的源头上杜绝污染，消除或减少离子交换再生废盐水、溶盐废水、反洗水、冲洗水、连续排污水、定期排污水和污染凝结水等的排放：抑制凝结水回收系统管道金属腐蚀，消除铁离子对凝结水的污染，实现高热值、高品质的凝结水能够回收至锅炉作为锅炉的补水，可明显减少锅炉燃料消耗，减少软化水用量，降低蒸汽生产成本，改善锅炉水质状况。由于锅炉水质状况的改善，还可以大大减少锅炉排污及排污造成的热能损失，提高锅炉效率，使锅炉运行更加安全。
零排污蒸汽发生技术使锅炉蒸汽发生系统运行方式由大量排污情况下运行（开环运行）改为封闭循环（闭环）运行。该技术改变了锅炉必须在大量排污工况下运行的传统模式，是锅炉水处理技术的重大突破。
零排污蒸汽发生技术的基本工艺流程是：
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（1）凝结水处理：在蒸汽管道加入BF－31T高效缓蚀剂，防止蒸汽凝结水对管道的腐蚀，最大限度地回收凝结水。
（2）在凝结水回收率≥70%的情况下，去掉离子交换器（或者尽量减少离子交换器的使用），以尽量减少离子交换剂的再生废水排放；
（3）加入对锅炉运行和停用都起保护作用的BF－30a高效防腐阻垢剂，以防止锅炉本体的腐蚀和结垢；
（4）水质自动监测控制系统。对锅炉水质和蒸汽凝结水质指标的实时检测并自动投加保护剂，使水质指标控制在最佳范围内，使保护剂的各项技术在系统中得到充分发挥。
3. 零排污蒸汽发生技术的关键技术
（1）BF－31T凝结水保护剂
BF－31T具有成膜，中和功能，并有合理的汽液相分配比。BF－31T中的成膜剂在金属表面形成单分子层的具有吸附和憎水作用的保护膜，由于成膜剂分子间的空隙比CO2，O2的截面小，从而防止了CO2，O2对金属的腐蚀。中和剂为碱性，既中和了水中的碳酸又为在线检测冷凝水中的保护剂浓度提供依据，合理的汽液相分配比可有效保护金属管道中气相空间，防止了凝结水管道的金属腐蚀及腐蚀产物对凝结水的污染。
（2）BF－30a高效防腐阻垢剂
BF－30a具有使锅炉本体金属处于钝化状态和抑制金属腐蚀过程中阴极反应的双重保护功能，有效地防止了金属本体在运行状态和停炉状态下的氧腐蚀；同时由于BF－30a具有强力螯合作用，加入锅炉水中后，与水中的硬度离子形成稳定的水溶性螯合物，增加了硬度离子在水中的溶解度，大大抑制水垢的形成，同时可以产生缓慢溶解原有水垢的效果；由于BF－30a具有较强的晶格畸变作用、分散作用，晶格畸变功能使碳酸钙晶体在生长过程中破碎，形成外观不规则的小晶体，分散剂吸附在小晶体及金属表面形成双电层，在静电作用下，小晶体之间及小晶体与锅炉金属表面之间互相排斥，避免了在较高硬度水中锅炉金属表面沉积生成水垢。
（3）水质自动监测控制系统：
要充分发挥BF－30a防腐阻垢药剂和BF－31T凝结水保护剂的功效，必须保证锅炉水系统中BF－30a和凝结水系统中BF－31T的浓度在一定的范围内。水质自动监测控制系统由检测单元、显示控制单元和投药单元组成。检测单元在线动态检测水质（炉水和凝结水，下同）的PH值和人为的设定值进行比较：将其比较结果经过数据处理后控制投药计量泵的投药量；药剂投加量的变化引起水质PH值的变化；检测探头从采样单元中检测到水质PH值的变化；新的检测结果再和设定值进行比较，改变药剂投加量。这样，就形成了闭环调节控制系统，从而达到较佳的水质控制效果。
4. 如何实现锅炉系统的零排污
零排污蒸汽发生技术的基本思路是从环保出发的成套节水节能技术，既排除了锅炉运行过程中排污对环境的污染，又保证了锅炉的节水节能，以及锅炉的安全运行。目前，国际上普遍采用的锅炉的节水节能措施是防止结垢以提高锅炉热效率，减少排污量和回收排污热以减少排污热损失，回收凝结水以提高热利用率和节约锅炉给水。防止结垢和减少排污率，必须通过提高给水质量和加入阻垢剂才能实现，而回收凝结水的前提条件是凝结水不被腐蚀产物等污染，三个方面节水节能措施都必须有水处理技术作保证。
新建锅炉系统的设计，首先应考虑供出蒸汽应全部安装换热器间接使用，所有换热设备均应安装凝结水回收装置，以保证足够的凝结水回收率。在凝结水回收率≥70%的情况下，原则上可不安装离子交换系统和除氧器，自来水管道直接与锅炉给水箱连接。考虑到传统观念的影响，若用户要求安装离子交换系统和除氧器时，应安装与离子交换系统和除氧器并联的管道，使自来水管道可直接与锅炉给水箱连接。
对于现有锅炉系统实现零排污技术改造，首先必须具备或建立凝结水回收系统。凝结水回收系统包括凝结水回收管道、凝结水箱、循环泵。增加全自动凝结水水质监控设备向系统中投加保护剂，防止凝结水系统的金属腐蚀，使凝结水中铁离子含量控制在＜200μg/L ；硬度为＜0.01mmol/L ，pH值≥7，符合2001《工业锅炉水质》标准。
在锅炉给水侧安装锅炉水质监控设备，向锅炉给水系统中投加BF－30a锅炉防腐阻垢剂，以防止锅炉本体的结垢和腐蚀。
安装集中控制的锅炉自动排污装置，在保证锅炉安全运行的同时，尽量减少锅炉运行排污及排污热损失。
回收蒸汽凝结水作锅炉给水，可以大大减少锅炉原水和软化水用量、节约用水和降低水处理的运行费用，还可去除或缩小补水的水处理系统，节省投资；
回收蒸汽凝结水，还可以提高给水品质，降低锅炉排污率，使锅炉的排污率控制在3%以下；
回收蒸汽凝结水，可大幅度提高锅炉给水温度，从平均给水温度20℃提高到65℃，降低燃料消耗；而利用凝结水作给水，不但提高了水温，而且凝结水中的溶解氧含量较低，可确保给水余氧含量达到合格标准。即使对于给水无除氧措施的小型工业锅炉，回收凝结水可大幅度提高给水温度，也能降低水中溶解氧含量，可显著减少锅炉的氧腐蚀。
采用凝结水回收技术，保证凝结水直接达到回收利用的同时，又解决了凝结水回收管道的腐蚀问题，延长了凝结水回收管道的使用寿命，其效益显而易见。
5.系统运行数据对比
从凝结水回收前、后系统运行参数比较可以看出：
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（1）凝结水回收后比回收前生产每吨蒸汽节约用水量≥80%；每吨蒸汽的燃料消耗，天然气消耗减少8 m3，燃煤锅炉房的燃料煤减少0.036t；生产每吨蒸汽的耗电量减少1.5kWh左右。
（2）生产每吨蒸汽的费用在采用凝结水回收技术后，可节约14元左右。
6. 零排污蒸汽发生技术应用装置的特点
（1）具有广泛的适用性：凡是具有凝结水回收管道的工业锅炉系统都可以应用该技术实现凝结水的达标利用，对系统的复杂程度、凝结水回收管线的长短、锅炉水质情况没有任何限制。
（2）系统自动化程度高，不需要增加专职运行人员，系统运行、维护、操作简单易学。
（3）系统安装施工量小；设备占地面积小（2m2）；不用改变原有凝结水回收系统。
（4）节约用水≥80，节约燃料≥10%，一次投资回收期＜1年。
三、零排污蒸汽发生技术经济技术评价
以某锅炉房三台lot/h 燃汽蒸汽锅炉为例，运行条件：使二备一，出力100%，运行天数150天；给水水质：硬度5mmol/L 、碱度2.5mmol/L ；水处理方式：钠离子交换和热力除氧。有凝结水回收管道，凝结水箱及循环泵。
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（一）运行成本及效益分析
传统运行方式下生产一吨蒸汽所需相关费用
1、 水耗：
软化水耗：1.05t/吨蒸汽（含软化生产过程中反洗、配制再生液、置换、正洗的自耗水）
锅炉排污水耗：0.05t/吨蒸汽（按5%排污率计）（不含减少除氧处理费及节电费用）
水耗总量：1.1t/吨蒸汽
2、 软化用再生剂一盐的消耗：
以再生剂比耗0.11kg/mol计算，软化处理硬度为5mmol/L的锅炉给水的盐耗：0.11×5＝0.55kg/吨蒸汽
3、 能源消耗：
（1）以天然气为燃料，每吨蒸汽含热能6×105Kcal，按锅炉总体效率75%，天然气发热量按QYdw8740Kcal/m3计算，燃料消耗：
m=Q/QYdwη=6×105/8740/75%=91.5m3
（2）如以煤为燃料，每吨蒸汽含热能6×105Kcal，按锅炉总体效率75%，煤发热量按QYdwη＝6×105/6×105/75%=133kg计算，燃料消耗：
m=Q/QYdwη=6×105/6×105/75%=133kg
（二）以凝结水回收率70%计算，回收凝结水后，生产一吨蒸汽所节约的相关费用：
1. 节约用水：
回收1吨凝结水可减少给水水耗1.1吨,以凝结水回收率70%计算，生产每吨蒸汽可节约用水1.1×70%=0.77t
2. 节约的再生剂――盐：
回收1吨凝结水可减少盐耗0.55kg,以凝结水回收率70%计算，生产每吨蒸汽可节约用盐0.55×70%＝0.39kg
3. 节约的燃料：
条件：软化水温度15℃，凝结水回水温度65℃，
（1）回收1吨凝结水锅炉给水温度提高，减少的热量损失：
Q1=mc(t1-t2)=1000kg×4.187KJ/kg. ℃×(65℃-15℃)＝209350kJ
（2）以天然气为燃料，按锅炉总体效率75%，天然气发热量按QYdw36533Kcal/m3计算。
回收1吨凝结水节约的天然气燃料：m=Q1/QYdwη=20935/36533/75%=7.64m3
以凝结水回收率70%计算，生产一吨蒸汽所节约天然气燃料：m×70%=5.3m3
（3）以煤为燃料，按锅炉总体效率75%，煤发热量按QYdw×103Kcal/kg计算。
回收1吨凝结水节约的煤：m=Q1/QYdwη=20935/4.18×103/75%=11.12kg
以凝结水回收率70%计算，生产一吨蒸汽所节约煤燃料：m×70%＝7.78kg
4. 回收凝结水后，生产一吨蒸汽所节约的总费用（不含减少除氧处理费及节电费用）：按水价4元/吨、盐价450元/吨、天然气价1.8元/m3、煤价400元/吨计算。
以天然气为燃料，生产吨蒸汽节约：4×0.77＋0.45×0.39＋1.8×5.3＝12.8元
以煤为燃料，生产吨蒸汽节约：4×0.77＋0.45×0.39＋0.4×7.78＝6.4元
（三）此锅炉房年节约运行成本计算：
三台10t/h 蒸汽锅炉，运行条件：使二备一，出力100%。运行天数150天计年产汽量：10×2×24×150＝7.2×104吨
年节水：7.2×104×0.77＝5.5×104吨
年减少盐耗及盐的排放：7.2×104×0.39×10-3＝28吨
年减少天然气用量：7.2×104×5.3＝3.8×105m3
年节约运行费用：（不含减少除氧处理费及节电费用）7.2×104×12.8＝92.16万元
（四）技术改造费用及投资回收期：
零排污蒸汽发生技术全部技术改造费用：25万元
其中：BGK－DP/N20锅炉水质监控设备1台，14.8万元；BGK－DP/G20（简易）锅炉给水投药设备1台，7.7万元；现场水电，检测取样冷却管道材料及安装，2.5万元。
投资回收期：25万元/（92.16万元/12月）＝3.25月
四、应用实例
廊坊开发区热力供应中心第三供热站现有2台SZL15-2.5-AⅡ型燃煤蒸汽锅炉，2台SZL20-2.5-AⅡ型燃煤蒸汽锅炉，主要为东方大学城冬季采暖、夏季制冷提供热源；使用钠离子交换软化水处理方法，未使用除氧器。 因为负荷的特殊性，本站蒸汽流量比较稳定，而且冷凝水可回收率比较大，所以凝结水处理方式采用计量泵在蒸汽侧投加BF-31T，由人工根据蒸汽流量按比例调整药剂投加量。经过5天的药剂投加，冷凝水的“红水”现象消失，回收的凝结水各项指标均符合锅炉给水标准。其中，铁离子含量（平均）小于200μg /L；碱度为2.5～2.2 mmol/L；硬度为0.01 mmol/L；氯根为6～7；pH值为8.7～8.8；凝结水回收率在95%以上，超过国标要求的回收率＞60%的标准。凝结水铁离子含量小于200μg/L,低于国标的小于300μg /L的指标，回收凝结水实际成本在1元／吨以下。
在充分回收凝结水的基础上，我们停用了软化设备，采用自来水中投加BF－30a防腐阻垢剂的方法，以减少离子交换剂再生废水排放。运行一个月后，我们开炉检查，锅炉受热面尚未发现新水垢，原有水垢也消失，未发现锅炉腐蚀，锅炉金属表面光滑洁净。运行三年来，每年锅炉年检只是在集箱中发现少量泥状垢，只需用水枪冲洗即可除掉。使用BF-30a药剂后，三站未进行过化学清洗。
从改造前后运行数据的对比可以看出，节水、节能效果显著。吨蒸汽耗水量由过去的1.256吨水/吨蒸汽，降低到现在的0.1185吨水/吨蒸汽；吨蒸汽耗煤量由过去的0.178吨煤/吨蒸汽，降低到现在的0.142吨煤/吨蒸汽；在运行中锅水碱度一直维持在6.5～9.2之间，锅炉排污率降低到3%以下。
综上所述，三站采用了北京化工大学化新通达公司的蒸汽锅炉成套节水技术，包括锅炉给水、锅内加药处理，凝结水回收等技术。通过在炉内投加BF－30a，可防止锅炉腐蚀结垢，同时可去除软化水处理环节，用自来水直接作为锅炉给水；在蒸汽系统中投加BF－31T药剂，可使凝结水合格回收，节水节能效果显著。三站不仅每年可降低一百万元的运行成本，而且抑制锅炉、冷凝水管道和设备腐蚀，减少维修和安全事故的发生，安全运行，延长设备使用寿命；消除离子交换剂再生废水排放，降低锅炉的排污率，减少了环境污染。
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