锅炉给水的成膜胺处理技术

为了防止锅炉水汽系统的腐蚀或结垢，锅炉给水在使用前必须经过处理，以保证锅炉安全、经济地运行。图1为带有原水处理设备和给水处理设备的锅炉水汽系统。

图1 带有原水处理设备和给水处理设备的锅炉水汽系统

本文介绍了锅炉给水的成膜胺（十六烷基胺V 211，FFA）处理技术。

1 成膜胺的防腐机理及其应用

锅炉给水处理一般添加3种化学品：除氧剂、磷酸盐和碱性胺。对比之下，FFA处理主要含有碱性胺和成膜成分。FFA处理可以通过加入聚羧酸酯而发挥协调作用。

FFA，一般指聚胺或脂肪胺，是属于低聚烷基脂肪胺一族的定性化学物质。常规的化学分子式是R1—[NH—（R2）—]n—NH2，n 是 0 到 7 间的整数，R1指无支链的、含有12～18个碳原子的烷基链（脂肪烃链），R2指短链烷基。最简单的代表是十八烷基胺（n=0，R1=C18H37）。十八烷基胺的不足之处在于其成形性差（因此需要加入乙酸），并且用量过大时敏感性强。

现代的处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）。为了调节锅炉炉水和冷凝水的pH并保证制剂所需的贮存稳定性，FFA常与碱性胺一起使用。

采用FFA处理给水时应该了解这些物质的特殊性能以及这些性能的实际影响。FFA的抗结垢性能并不明显（如聚羧酸酯）。然而它们在被结晶初期形成的微晶体吸收后妨碍微晶体的成长，最终形成无定形的薄层垢结构，见图2。

图2 无成膜胺（a）和有成膜胺（b）的碳酸钙晶体

FFA对金属表面有很强的亲和力。使用电化学阻抗频谱法和光电子能谱法详细分析了膜成形的过程。偏振阻力的值来自阻抗光谱，是根据铁熔化在覆盖层的孔隙中时测量电荷的转移阻力得到。对油酰丙二胺和油酰胺而言，偏振阻力和膜的稳定性都会达到最大值。

膜是腐蚀物质如氧、二氧化碳或者碳酸的屏障。保护膜一旦形成，即使改变FFA的使用剂量也无法破坏保护膜的完整性。所以当FFA剂量低于所需水平或者在一小段时间内中断添加也不会有直接影响。由于膜表面的亲和力很强，FFA可以逐渐除去已经吸附在表面上的物质（如含钙的垢）或吸附较松的磁铁矿型腐蚀产物，见图3。

图3 FFA从锅炉中逐步除去含钙的垢[（a）为处理前的情况；（b）为处理1年后的情况]

锅炉水汽管道金属表面所需的磁铁矿层（magnetite layers）应当是紧密的、薄的和平滑的。不均匀的、厚且多孔的覆盖层会使颗粒或者稍大点的碎片进入液相或气相中，尤其是当锅炉的热负荷变化时，这种现象更为明显。

在对所检测锅炉水汽管道上形成的磁铁矿层进行表面分析的结果表明，相比于用常规的磷酸钠处理而言，用FFA处理后的管壁的表面更加平滑、均匀。图4是使用共聚焦激光扫描光谱（CLSM）获得的管壁影像。经FFA处理和经磷酸盐处理后测量得到的粗糙度分别为1.45 μm和2.25 μm。

图4 用磷酸钠（a）和成膜胺（b）处理的实验锅炉管壁的共聚焦激光扫描光谱图

磁铁矿层上一层很薄的膜对热传递有着非常明显的促进作用。就工业上热流密度的总光谱而言，经FFA处理后管道的沸腾曲线在经磷酸盐处理的管道的沸腾曲线的上面。因此，经FFA处理后热传递系数将更高。

图5为经磷酸盐处理后管道热传递系数的净增加量。图中曲线从上至下分别是未涂金属管道（FFA）、磷酸钠处理后的金属管道（FFA）、磷酸钠处理后的未涂金属管道（其值为0）。

图5 成膜胺处理后热传递系数k随热流密度变化的相对增值

由图5可见，用FFA（V 211）处理未涂金属管道表面的热传递系数相对增加了90%～150%。当管道先经磷酸盐处理再经FFA处理（V 211）时，增加值为40%～90%。

用FFA处理给水时，可以预料废气的温度有所降低，从而提高了锅炉热效率并降低了CO2的排放量。不过这种预期并不能通过数字计算得到。

锅炉冷凝水中FFA的挥发性可以通过数字分析得到论证。通过分配平衡定量分析其挥发性，而分配平衡由FFA各种不同的代表物质得到。

由于FFA的挥发性，整个锅炉水汽管道表面都形成了成形膜，可以保护设备完全不被腐蚀。图6为固定在锅炉冷凝水系统中钢条在成形膜保护前、后的区别。

图6 采用亚硫酸盐、磷酸盐和液体胺处理（a）以及使用成膜胺和液体胺处理（b）的锅炉冷凝水系统中的钢条

由图6可见，在采用常规的亚硫酸盐、磷酸盐和碱性胺处理的冷凝水系统中的钢条腐蚀非常明显，而经FFA处理的冷凝水系统的钢条只是出现了轻微的闪锈。

2 成膜胺的添加和用量的控制

（1）在一般情况下将FFA配制成溶液，采用计量泵加入到锅炉给水系统中。

（2）由于成膜组分会侵蚀氟橡胶，所以FFA的加药计量系统中不能有任何由氟橡胶制成的零件。推荐使用三元乙丙橡胶（EPDM）为密封材料，聚四氟乙烯（Teflon）为膜材料。

（3）FFA的加药量以锅炉运行中冷凝水、给水和炉水中刚好能检测出微量FFA为宜（持续过量的FFA会使系统出现凝集现象）。因此，锅炉给水采用FFA处理必须定时检测冷凝水、给水和炉水中的FFA含量。同时，须定时检测冷凝水、给水和炉水中的铁离子和pH。

（4）在取样检测时，取样瓶必须采用塑料制品（因FFA会吸附到包括取样瓶等容器表面上而影响分析结果）。同时，取样后应在现场立即检测FFA。

（5）检测FFA时，为避免取样瓶使用了洗洁剂对分析结果产生干扰（FFA也是一种阳离子表面活性剂），可采用特殊染料（孟加拉玫瑰红）作指示剂（孟加拉玫瑰红的检测范围约为0.1×10-6）。

3 结束语

与常规的处理方法相比，锅炉给水采用FFA处理有很多优点，主要有下述几点。

（1）由于FFA在锅炉水汽系统中呈挥发性的蒸气状态。因此，FFA可以在整个水汽系统的金属表面形成一层保护膜而防止其腐蚀。

（2）与除氧剂不同的是，除氧剂由于与炉水中的氧反应而自身被消耗，而FFA的成膜组分并不会因化学反应而被消耗掉。

（3）FFA是有机物质，因此不会增加炉水的电导率。

（4）FFA对人体的毒性很小，所以有关职业健康与安全的大量措施（如与肼有关的）就没有必要了。

（5）锅炉水汽管道的表面形成的光滑、均匀的磁铁矿层提高了热转换系数，从而提高了锅炉的热效率。

（6）FFA的处理提高了锅炉炉水水质，从而改善了汽轮机的清洁度。

（胡伟婷 编译）