ボイラー腐食を防ぐ：優れた給水品質のための実証済み戦略

ボイラー故障は暖房・発電プラントにとって主要な懸念事項であり、ボイラーの水質に関連する腐食が主原因として知られています。発電所でのボイラーチューブ故障の総コストは年間約50億ドルと推定されています（この数値は2009年のものであり、現在はさらに高くなっている可能性があります）。ボイラーの長期的な安全運転を確保するには、水質をボイラーの許容要件内で継続的に維持する必要があります。

ボイラー給水の不純物

水源には、一定レベルで非常に有害となり得る不純物が含まれています。高温では、給水中の特定物質の微量でさえ、短時間で設備と配管に深刻な損傷を与える可能性があります。問題となる溶解性固形分または浮遊固形分、酸素、二酸化炭素、有機物は、スケーリング、ファウリング、腐食を引き起こします。例えば：

• 鉄はボイラー内部部品とチューブに堆積し、下流設備を損傷し、特定製造プロセスの品質に影響を与える。
• 銅は高圧タービンに堆積をもたらし、効率を低下させ、高価な洗浄や設備交換を必要とする。
• シリカは特に高圧ボイラーで極めて硬いスケーリングを引き起こす。
• カルシウムはボイラー給水の化学組成に応じて複数の形でスケーリングを引き起こす。
• マグネシウムはボイラー内部とコーティングチューブに付着し、さらなる固形分を引き寄せ、特にリン酸塩と結合するとスケールに寄与する。
• アルミニウムはボイラー内部にスケールとして堆積し、シリカと反応してスケーリングの可能性をさらに高める。
• 硬度はボイラー部品と配管に堆積とスケールを引き起こす。
• 酸素や二酸化炭素などの溶解ガスは、ボイラー配管と部品に深刻な腐食を引き起こす。

最も一般的な腐食タイプは、溶解酸素による孔食攻撃です。これは、チューブ壁を貫通する小さく深い穴が特徴で、最終的な故障につながります。重症度に影響する要因には、溶解酸素濃度、pH、温度があります。（関連記事：孔食腐食を効果的に認識、防止、処理する方法）

腐食を防ぐには、ボイラー水は弱アルカリ性で酸性でない必要があります。不適切な酸性度とわずかにアルカリ性の水は、金属と金属表面の保護膜を溶解させます。

酸性攻撃はpHが8.5を下回ると発生します。この条件下では、材料はエッチングによる表面肉厚減少の影響を受けやすくなります。応力のかかった領域がこのタイプの攻撃に対して最も脆弱です。

苛性攻撃はpHが12.9を超えると発生し、リン酸塩処理ボイラーで高温時にしばしば遭遇します。高熱伝達領域の堆積物は、基材から磁鉄鉱皮膜を剥離させます。

泡立ちキャリーオーバー

泡立ちキャリーオーバーは、通常のボイラー不純物が過度に濃縮された場合、薬剤の過剰投与、または有機物（グリースやオイル）がボイラー給水や凝縮水戻りに偶然混入した場合に発生します。ボイラー内の泡はボイラー蒸気出口から容易に押し出され、重大な損傷を引き起こす可能性があります。蒸気配管でのウォーターハンマー、蒸気配管の侵食、ボイラー低水位イベントなどが例です。

図1. ボイラー運転を説明する動画。

ボイラー給水処理システム

ボイラー給水処理システムは、特定のボイラーの要件を満たすために給水の状態に対処するいくつかの個別技術で構成されます。処理システムは、水源に関わらず常に存在する不純物を除去するために必要なコンポーネントで構成されます。基本的なボイラー給水処理システムには、通常、何らかの凝集、ろ過、イオン交換、脱アルカリ、脱気、逆浸透などの膜プロセスが含まれます。これらのコンポーネントは以下のセクションで説明します。（関連記事：ボイラー水配管におけるキレート剤ベース腐食を回避する方法）

凝集と化学沈殿

原水源からすべての大きな物体が除去された後、さまざまな化学薬品を反応槽に添加して、浮遊固形分の大部分とさまざまな汚染物質を除去します。このプロセスは、ミキシングリアクターのセットから始まり、通常1〜2基のリアクターが特定の化学薬品を添加し、凝集によって水中のより微細な粒子をより重い粒子に結合させ、最終的に沈殿・沈降させます。

ろ過と超ろ過

次のステップは一般的に、沈殿物、濁り、特定タイプの有機物などの浮遊粒子を除去するために水をろ過にかけることです。この処理をプロセス早期に行うことはしばしば有用で、上流での浮遊固形分除去が、前処理プロセスの後段で膜とイオン交換樹脂をファウリングから保護するためです。

イオン交換軟化

軟化樹脂を使用して、重炭酸塩、硫酸塩、塩化物、硝酸塩を含む高硬度に対処できます。この手順では、強酸性陽イオン交換プロセスを使用し、樹脂をナトリウムイオンで帯電させます。硬水を軟化装置を通すと、カルシウムとマグネシウムがナトリウムイオンと置換されます。ナトリウムイオンは弱く保持され、カルシウムとマグネシウムイオンによって容易に置換されます。このプロセス中、「遊離」ナトリウムイオンが水中に放出されます。

脱アルカリ

脱アルカリはアルカリ度またはpHを低減でき、これは発泡、腐食、脆化を引き起こす不純物です。塩化ナトリウム脱アルカリは、強アニオン交換樹脂を使用して重炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩を塩化物アニオンで置換します。

逆浸透とナノろ過

逆浸透（RO）とナノろ過（NF）は、加圧水を半透膜を通過させ、バクテリア、塩類、有機物、シリカ、硬度などの汚染物質を捕捉し、濃縮・精製水を通過させます。これらのろ過ユニットは、浮遊・溶解固形分の濃度を極めて低く保つ必要がある高圧ボイラーで主に使用されます。

脱気または脱ガス化

戻り凝縮水は処理済み補給水と混合し、脱気または脱ガス化プロセスに入ります。微量の酸素と二酸化炭素はボイラー設備と配管に極めて腐食性が高いため、これらのガスを許容レベルまで除去することは、ボイラーシステムの寿命と安全性を最大化するために不可欠です。トレー式またはスプレー式脱気装置（脱ガスまたは酸素除去剤用）など、さまざまなタイプの脱気装置がありますが、これらが最も一般的です。

高圧ボイラーと低圧ボイラー

給水の品質要件は圧力と流量に依存します。特定の圧力では汚染物質の最大レベルがあり、圧力が上がるにつれて、より高品質な水を生成する徹底した水処理がより重要になります。

低圧ボイラー（600 PSI以下）と総溶解固形分（TDS）が少ない水は、通常、単純なろ過と軟化のみを必要とします。水質が要求する場合や圧力が上昇するにつれて、脱アルカリ装置が必要になることがあります。

高圧ボイラー（600 PSI以上）では、通常、何らかの脱塩、イオン交換、樹脂ベースのサンドイッチまたは混合床研磨装置が必要です。極めて高純度の水が必要な場合、逆浸透と研磨技術の組み合わせが非常に人気があります。

給水試験と品質管理

ボイラーにおける腐食プロセスの防止と最小化は、火力発電業界で非常に重要です。給水品質は設計基準に対応するレベルで維持され、測定パラメータの変動を記録する必要があります。ボイラーの安全性と性能に不可欠な主要診断パラメータを測定するための感度の高いオンラインおよびオフライン分析機器が使用できます。

給水源の品質が特定のボイラーに必要な水質とどの程度の関係にあるかを知ることは不可欠です。なぜなら、不十分な水処理はボイラーと下流設備のスケーリング、腐食、ファウリングを招くからです。