在化学工业（CPI）各式各样的生产问题中，由于水和蒸汽问题而导致的设备故障可能会导致公司发生每年数十万美元或更高的成本。本文概述了在化工厂和其他工业领域中改善水和蒸汽运行状态的各种方法。

以下例子取自于CPI或相关行业的直接方案经验。这些例子清晰地指出了在工厂中可能会发生的一些问题。举出这些例子后，我们将讨论水和蒸汽的控制解决方案。

例1：我和一位同事曾去过一家位于美国中西部的有机化工厂，这家工厂的4台550 psig总装式锅炉的蒸汽过热器管束总是每隔两年左右就会由于内部结垢而不得不进行更换。我们到达之后，工厂首先向我们展示了最近拆卸下来的一个管束，管子内表面上确实覆盖着一层1/8 ~ 1/4英寸厚的结垢层。我们随后围绕锅炉进行了查看，立刻注意到在饱和蒸汽采样管路中有泡沫排出的现象。随后的调查结果揭示出，通向锅炉的凝结水回送管路内的总有机碳（TOC）含量达到了200 ppm。根据ASME导则，要求在这种压力下锅炉内部的最大TOC浓度为0.5 ppm，我们很容易了解到为什么锅炉水内会存在如此之多的泡沫，并了解到为什么杂质会连续不断地被带入到过热器。

例2：我本人亲自见证并听说过许多类似的报告，在凝汽器长期泄漏期间，工厂人员仍然保持锅炉在线运行。而这种泄漏会将未经处理的冷却水直接引入到凝结水内，从而导致锅炉内发生严重的问题。在80年代初的一个案例中，在一台凝汽器泄漏的情况下，一台80 MW、1250 psig的动力锅炉在运行了3个星期后，锅炉管道发生了严重的氢蚀。仅一个月后，管子就开始经常发生故障，导致必须停运这台锅炉并全部重新装管，致使其损失高达200万美元。

例3：几十年以来，凝结水和给水系统的传统处理方式要求，以充足的浓度进行化学药品加药以去除所有的溶解氧。现在大家都已经知道这套体系带来了非常大的麻烦，并导致管道和管子发生故障，并在近10年左右已经在公用事业行业中导致至少10人死亡。包括热量回收蒸汽发生器（HRSG）在内的工业锅炉也未能幸免于这种问题。

杂质及杂质控制

正如前面的示例所述，有多种污染物质可能会从许多位置进入蒸汽生产管网。这些杂质包括来自原水的无机物离子，例如钙、镁、钠、硫和碳酸氢盐。具体来说，最为重要的是，在运行时，有可能会将这些物质以及有机化合物引入到凝汽器回水内。用于去除这些杂质的处理系统是第一道防线，通常也是最重要的防线。补充水处理可能包括，从相对简单的低压蒸汽生产系统，到高压应用的反渗透（RO）和离子交换（IX）处理。如果过程中引入的有机化合物也是被去除的对象，则有可能包含活性碳过滤。为了保护RO和IX装置所进行的预处理通常是十分重要的，并且应通过微滤和超滤技术来去除悬浮固体。

在这里让我们观察一下锅炉的凝结水给水。作为以下讨论的序言，必须说明在锅炉第一次投入使用时，钢部件会形成Fe3O4的氧化铁保护层。这种机制也会发生在锅炉水冷壁的管子上。

3Fe + 4H2O →Fe3O4 + 4H2↑  (1)

铜合金也会类似地形成一种氧化亚铜（Cu2O）的保护层。而这种氧化保护层的形成是一个非常重要的概念。

对于凝结水和给水系统具有普遍重要性的是pH值。在铁质管道和热交换器系统内，最优的pH值范围为9.2~9.6。对于包含采用了钢合金管的热交换器管网来说，推荐范围略低，为9.1~9.3。通常会通过在凝结水内加入氨水或某种有机胺来达到控制的目的。

凝结水回水以及运行不良的凝汽器会导致大量的溶解氧进入到给水系统。这种溶解氧会导致重大问题的发生，这点如图1所示。

用于控制氧腐蚀的方法主要包括以下几种：

如果工厂配备了发电用汽机，则在凝汽器内采用机械式气体清除方法。

通过设置在给水系统内的除气器来对气体进行机械清除。

给水内注入氧气净化剂或金属钝化剂。

实现氧气(O2)控制的机械方法

对于包含汽机在内的工业蒸汽锅炉来说，凝汽器通常配备了一个或多个除气舱来去除气体。每个除气舱均包括一个开口位于底部的罩套，机械真空就施加于此处。这种真空能够将凝结水内的空气除去，并将气体排放至外部大气中。应当对凝汽器的性能进行定期监测，因为凝汽器壳上的一条裂缝或其它故障均会导致空气的过量进入。空气会附着在凝汽器管子上并减低热传导作用，并且氧气也有可能进入凝结水内。

自凝汽器起的下游，除气器（DA）提供了附加的对溶解气体的机械清除处理。由于凝结水是喷射或通过托盘流下进入DA的涤气容器的，上升的蒸汽会回热凝结水并将气体释放出来。运行正常的DA能够将溶解氧浓度降低至7 ppb以下。

氧气的化学控制

进入20世纪80年代以来，至少在美国，传统的设计理念要求将给水中的氧气完全去除。以前的想法是，完全去除氧气对于给水管网内的腐蚀控制具有最好的效果——虽然我们将证明其不正确。因此，在机械式氧气去除方式外还补充了化学处理。在锅炉中第一批得到实际采用的化学药品之一是亚硫酸钠（Na2SO3）。亚硫酸钠能够与氧气反应生成硫酸钠：

2Na2SO3 + O2→2Na2SO4       (2)

亚硫酸钠的主要优点在于它是一种常用和低成本的化学药品，而且没有毒性，可以用于处理抽取蒸汽进行食品处理或其它受美国食品和药品管理局（FDA）监管应用的锅炉用水。亚硫酸钠主要适用于低压工业锅炉（<600 psig），因为它会向高压锅炉水内添加过多的溶解固体。而且，在运行压力为900 psig以上的锅炉内，亚硫酸钠将会发生热分解，生成硫化氢（H2S）和二氧化硫（SO2），这两种物质均具有相当大的腐蚀性。

对于运行在900 psig以上压力的工业锅炉来说，有更适合用于氧气清除的替代化学药品。多年以来，这种替代化学药品就是联氨（N2H4），联氨能够与氧气发生如下的反应：

N2H4 + O2 → 2H2O + N2↑       (3)   

联氨的优点体现在它不会向给水内添加任何溶解固体，能够按照一比一的重量比与氧气发生反应，可以在35%的浓度以液态形式进行供应。

联氨的一项主要好处在于它将会钝化管道已氧化的部分：

N2H4+6Fe2O3→4Fe3O4+N2↑+2H2O  (4)

类似地是，如果热交换器采用了铜合金热交换器管，则化学药品会将氧化铜（CuO）氧化层还原成将为稳定的氧化亚铜（Cu2O）。

N2H4+4CuO→2Cu2O+N2↑+2H2O    (5)

在典型情况下，联氨残余部分会维持在非常低的含量下，约为20~100 ppb。

联氨的这种简洁的化学特性，从表面上来看会是理想的氧气清除剂。不幸的是，联氨被认为是一种潜在的致癌物，目前已被登录为危险化合物。其处理规程已经变得非常严格。这种困难还涉及到了其它处理化学药品的采用。许多大型水处理公司均提供了替代用的氧气清除剂，一些主要类型有对苯二酚、碳酸肼（N4H6CO）以及甲基乙基甲酮肟（C4H9NOH）。所有这些产品均能够对金属进行钝化。

安全的联氨系统

我们有可能建设一套不会让工作暴露在联氨这种化合物下的联氨加药系统。在美国西部的一家公用事业公司中有一套这样的系统，联氨溶液采用便携式可重复使用的容器来供货。操作人员将每一个新容器与一台永久性计量泵及配送管道连接起来，而计量泵和管道将以纯净的形式输送精确药量至给水系统。这个概念的一个变型是由主加药罐向一个密闭式口槽供应化学药品，而口槽通风至外部大气。操作人员将测定容积的联氨导入到口槽内，随后导入稀释水。一台计量泵将溶液加药到系统中。

流动加速腐蚀

通过采用pH值调节器和氧气清除剂（金属钝化剂）构成了在凝结水和给水系统内的一套我们称为全挥发物减少的AVT（R）方案。在80年代和90年代，研究人员开始发现AVT（R）才是以前一些不明问题的原因所在。最受人关注的是在一定温度范围内四氧化三铁层的溶解以及常见的给水管网的化学工况。这种特性如图2所示。

正如图2的标题所述，在典型情况下，高纯度凝结水和给水内的pH值是氨浓度的函数。正是这种处于还原环境下的低氨浓度所带来的较低的pH值对四氧化三铁层的溶解起到了主要作用。这就解释了为什么在NH3浓度为0.1 ppm的条件下腐蚀比任何其它条件下都严重得多。氨气并不会直接破坏四氧化三铁层。这样，在由于氧气清除剂（金属钝化剂）加药所建立的还原环境下，渐进式的四氧化三铁层溶解导致了突然的、也许会致命的、流动加速腐蚀（FAC）作用下的低碳钢被破坏的现象。FAC会在流动扰动和方向改变时形成，例如在给水和省煤器弯管、异径管和三通管位置，并发生在强还原环境下。这种环境会导致连续性的铁离子（Fe2+）从管壁上的剥离，这样会导致管壁结构的弱化，并从实际上将管道强度降低至会突然发生破坏的水平。图3所示就是一个FAC的示例。

FAC一直是热量回收锅炉（HRSG）内水冷壁管道中的一个问题，因为此处管道存在许多弯径很小的弯管。HRSG的低压管路经常运行具有最高腐蚀可能性的温度下（如图2所示），从而会进一步恶化这个问题。HRSG的一种特有困难在于它的2个或3个半独立式水冷壁回路导致化学控制相当难以实现。在HRSG控制民FAC的一种解决方案是，尽管会花一些成本，在设计阶段指定管子的材料，至少在弯管处，为1.25%的铬钢。这种材料能够耐受破坏。

以下一节概括了用于解决FAC化学技巧，并同时防止了给水系统内的其它腐蚀问题。

加氧处理（OT）

加氧处理（OT）是一种已开发了30年以上的适用于公用事业行业的给水处理技术。在加氧处理（OT）方案中，需将氧气引入凝结水和供水系统内。加氧处理方案中有两种最为通行变型方案。第一种是，O2的单独注入，该方案不需添加任何用于pH值调节的化学药品。这种方案被称为中性水处理（NWT）。更为经常的是，氨气也会注入以用于pH值控制。这种方案被称为联合水处理（CWT）。

中性水处理（NWT）和联合水处理（CWT）均要求实现氧气受控注入到凝结水和给水系统内。在正确应用后，加氧处理（OT）能够形成一种表面层，部分由铁氧水合物（FeOOH）构成，这种化合物比四氧化三铁更稳定。典型的注入点位于紧靠凝结水精处理装置之后，再有就是在除气器出口处。图4为CWT方案，这种方案在美国最为流行，氧气加入的目标是维持30~150 ppb的剩余浓度。加入氨水的目的是将pH值提升到8.0~8.5的范围内。在典型情况下，20~70 ppb的氨气会将水化学特性控制在这个pH值范围内。

加氧处理方案的关键在于受控氧气加注以及高纯度凝结水，其中的阳离子导电率要可以维持在≤0.15 microSiemens/cm (μS/cm)。OT对于低压工业锅炉来说可能过于精细了，但它已经应用于一些动力锅炉装置以及HRSG上。OT不能用于包含铜合金给水加热器管的系统内，因为会导致更严重的铜腐蚀现象。

适用于混合金属系统的AVT(R)技术

对于混合金属系统来说，正确的方案就是加入一种氧气清除剂，但要在低浓度下加入，以最大程度减少FAC。在依赖标准的溶解氧和氧气清除分析时，化学控制会遇到相当大的困难。氧化还原电位（ORP）监测技术正在混合金属凝结水/给水化学过程中推广应用。简而言之，在线ORP监测仪能够测量出与标准电极对比的溶液电位值，最为常见的是Ag/AgCl、饱和KCl。有一项经验法则是，应加入氧气清除剂来维持ORP处于-350~-300 mV的范围内。这个范围对应于标准氧气电极（SHE）的值，即-150~-100 mV。但是，化学家们已经发现，这项指导原则不应以绝对性对待。更好的方案是采用综合性的测试，包括溶解铁和铜分析法，并让最优ORP范围与控制在最低含量的铜和铁浓度协调起来。

锅炉水问题

在典型情况下，来自湖泊或河流的补充原水或热交换器冷却水含有数百计ppm的阳离子和阴离子，最值得注意的是钙、钠、镁、钾、重碳酸盐、氯化物、硅和硫，以及其它物质，包括悬浮固体。在这些杂质进入锅炉后，会导致一系列由温度诱发的反应。两种常见的反应如下所示。

Ca+2+2HCO3-1→CaCO3↓+CO2↑+H2O (6)    

Ca+2(或Mg+2)+SiO3-2→CaSiO3↓(或MgSiO3↓)     (7)

公式(6)和(7)均为典型的结垢反应。即使相对较薄的沉积层也将会大幅减少热传导，锅炉必须更猛烈地燃烧以达到相同水平的蒸汽产量。这样会随后导致锅炉管子的过热现象，从而缩短管子的使用寿命。
更为麻烦的是，特别是在至少为1000 psig以上的高压锅炉内，冷却水泄漏进入系统导致快速和可能的灾难性腐蚀现象。如下所示的反应就是一个主要示例。

MgCl2+2H2O→Mg(OH)2↓+2HCl         (8)

从以上公式，我们可以清楚地了解到，这种反应的产物为盐酸。盐酸（HCl）本身会导致一般性的腐蚀，但盐酸与铁发生反应会生成氢气，氢气随后会导致管子发生氢蚀。在这套反应机制内，非常小的氢气分子能够渗透到金属壁内，并与钢材内的碳原子发生反应，生成甲烷：

2H2+Fe3C→3Fe+CH4↑       (9)

气态甲烷的生成以及氢气分子会导致钢材出现裂缝，大大削弱钢材的强度。氢蚀（图5）是一种非常难于处理的问题，因为这种现象无法很容易地检测出来。在氢蚀发生后，工厂方面只能更换管子，但仍会发现其它管子继续发生破裂。

凝结水回水会携带不定量的杂质，包括第一个例子中所提到的有机化合物。有机物会在管子表面上会被烤硬，而且还会导致锅炉汽包内出现泡沫，而泡沫随后导致将杂质带入到蒸汽内。例子中所提到过的加热器故障只是一种可能发生的现象，但是如果系统用于配合汽机发电，则这些杂质就会沉积在汽机叶片上并导致更多的腐蚀现象。

现代技术提供了在凝结水回水内控制有机结垢现象的技术手段。由于篇幅所限，不能对本文内的各项技术进行深入探讨，但现在已经有一些文章概述介绍用于控制有机物的现代化系统。这类系统采用了吸附滤芯和生物反应器来去除有机物，甚至可以用于炼油厂的凝结水回水水流内，据报告称，经净化的水含有低ppb浓度的碳基化合物。此类设备的成功运行肯定能减少例子1中厂方人员所遇到的麻烦。