冷凝水腐蚀检测仪

项目总结应用领域 - 泄漏检测监测技术 - 总有机碳（TOC）分析比较因素 - 检测水中有机污染物的准确性和灵敏度监测结果 - 与现今常用的水质参数相比，TOC分析显示出超强的监测准确性和灵敏度关键词 – 食品饮料行业、制糖业、有机物监测、泄漏检测、电导率、pH值、氧化还原电势、Sievers® InnovOx TOC、冷凝水、运营成本、产品损失背景制糖是耗水量极高的生产工艺，其中几乎每个生产环节都需要用水。例如，在碾磨甘蔗时，必须将水喷洒在甘蔗上，以尽量提取甘蔗汁液。制糖厂用蒸汽轮机来碾磨甘蔗，每碾磨两吨甘蔗，就会消耗一吨水蒸汽。糖浆的进一步提纯和结晶也要靠蒸汽驱动的机器来完成。不难理解，制糖厂（尤其是缺水地区的制糖厂）都会想方设法节约用水和再利用水。再利用水的一种可行办法是，收集和冷凝锅炉与其它工艺设备排出的热蒸汽。制糖厂在重新利用冷凝水之前，通常会利用冷凝水的高温来加热分离的流体（例如提取的甘蔗汁或糖浆），以便进行精加工。充分利用热能能够节省成本。制糖厂通过换热器，在加热流体的同时防止两种流体混合。冷却后的冷凝水经过处理，可以用作工艺补给水甚至锅炉给水。如此一来，制糖厂既充分利用了热能，又节省了用水。挑战在实际生产中，换热器的性能并非绝对可靠，尤其是长期和反复使用的换热器。由于金属疲劳和腐蚀，换热器中分隔两种流体的金属表面会出现针孔，导致流体双向泄漏，给制糖厂造成损失。对于制糖厂来说，这种泄漏会带来很多问题。首先，如果甘蔗汁或糖浆在通过换热器时漏到冷凝水中，会造成产品损失。这种损失乍看微不足道，但随着时间推移，损失会累积起来，最终显著降低企业营收。请看下面的例子：一个普通制糖厂每年生产30万至40万公吨原糖由于机械因素造成的产品损失为0.1%，相当于损失了300至400吨产品假设产品的平均售价为每吨400美元，这就意味着制糖厂每年要损失12万至16万美元的收入其次，流体泄漏会污染冷凝水。一旦发生污染，制糖厂就不得不花费额外的时间和费用来处理被污染的冷凝水，然后才能重新利用处理后的冷凝水。但这样做的前提是在经济上划算，否则制糖厂只能被迫将被污染的冷凝水作为废水排放掉，不但无法节约用水，还必须在排放前对被污染的冷凝水进行成本更高的废水处理。如果要避免不必要的产品损失和防止设备严重损坏，尽早发现泄漏就变得至关重要。然而，从本文随后提供的数据中可以看到，现今常用的监测冷凝水质量的方法完全无法及时检测到水中的有机杂质。如果制糖厂继续使用不合格的冷凝水，风险会非常严重。例如，如果不合格的冷凝水被用作锅炉给水，水中的杂质会在高温下氧化成有机酸，导致锅炉内的pH值降到危险地步，制糖厂就不得不被迫进行计划外的锅炉排污。即使问题没到这么严重的程度，但随着时间推移，有机污染物会持续腐蚀锅炉，积聚沉淀物，从而缩短锅炉的使用寿命。为了将锅炉恢复到可使用的状态，制糖厂不得不对受损的锅炉进行昂贵、耗时的维修，甚至被迫停产。解决方案换热器的泄漏会将有机污染物（例如提取的甘蔗汁、糖浆、锅炉燃油等）送进冷凝水，因此必须采用能够快速检测这些有机污染物的分析方法。使用常规的水质参数（例如pH值和电导率）很难检测到有机物的存在，因为大多数（如果不是全部）有机污染物在水中不会电离，使被污染的水的pH值呈中性。而总有机碳（TOC）分析法能够准确测量水中所有共价键碳化合物的浓度，及时提供冷凝水中有机污染物浓度的直接参数。TOC分析是一种快速、定量的测量方法，能够帮助制糖厂做出实时的、基于测量数据的工艺决策，以有效管理冷凝水的再利用和排放。为了证明TOC分析对有机污染物的监测灵敏度，我们进行了以下实验室研究。我们先将潜在的污染物加到制糖厂的冷凝水样品中，这些污染物是中间糖产品，它们会通过换热器从热冷凝水中吸收热量。本研究选择的中间糖产品是“供汁（Supply juice）”和“EFFET A液”，它们的加标浓度范围是50至约500 ppm（mg/L）。然后用Sievers InnovOx实验室TOC分析仪（见图1）测量加热至40 °C ± 2以模拟制糖厂典型生产条件的加标冷凝水。此款分析仪采用独特的超临界水氧化技术（SCWO，Super Critical Water Oxidation），对有机碳浓度的检测范围是50 ppb（µ g/L）至 50,000 ppm（mg/L）。除了测量加标冷凝水样品的TOC浓度之外，我们还测量了电导率、氧化还原电势（ORP，Oxidation Reduction Potential）、pH值。图1：用来测量加标冷凝水样品的Sievers* InnovOx实验室TOC分析仪我们随后分析了这两种污染物加标浓度的各种参数（TOC、电导率、氧化还原电势、pH值），如图2-5所示。通过相关关系的线性和斜率，可以深入了解这些水质参数的对污染物浓度的响应性和敏感性。 图2a：不同加标浓度的供汁的实测TOC图2b：不同加标浓度的EFFET A液的实测TOC图3a：不同加标浓度的供汁的实测电导率图3b：不同加标浓度的EFFET A液的实测电导率图4a：不同加标浓度的供汁的实测氧化还原电势图4b：不同加标浓度的EFFET A液的实测氧化还原电势图5a：不同加标浓度的供汁的实测pH值图5b：不同加标浓度的EFFET A液的实测pH值研究结果显示，无论对何种污染物，TOC测量都能随加标浓度变化而表现出高度的线性。相关性斜率表明，TOC测量在整个加标浓度范围内有高度的敏感性。另一方面，虽然两种污染物的电导率都表现出良好的相关性，但与整体数据相比，在较低的供汁加标浓度下的电导率线性稍差（见图6）。电导率测量的敏感性似乎也不足（较低的相关性斜率意味着电导率读数的微小差异很容易被误认为工艺噪声或被归因于电导率传感器或探头本身的测量误差）。图 6：当供汁的加标浓度较低时电导率相关性的线性较差与TOC和电导率相反，我们无法建立氧化还原电势的线性相关性。对于加入供汁的冷凝水，氧化还原电势测量值在加标浓度低于100 ppm时呈较差的线性，超过此浓度后氧化还原电势趋于水平。在测量EFFET A液时，随着污染物浓度的增加，氧化还原电势的趋势变得不连贯，表明两者没有因果关系。我们同样无法看到冷凝水的pH值与污染物的加标浓度之间的线性相关性。pH值的实测结果只能被绘成对数函数，这表明用pH值来检测冷凝水中的有机污染物的灵敏性和实用性皆都不足。结论监测冷凝水的水质，尤其是监测通过换热器的冷凝水的水质，对于制糖厂防止产品和营收损失来说至关重要。同样，为了保护制糖厂的关键设备免受被污染的冷凝水的损害，确认重复利用的冷凝水的清洁度也非常重要。目前常用的水质测量参数包括电导率、氧化还原电势、pH值，这些参数在检测离子污染物时表现出色，但在检测有机污染物时，尤其是检测浓度较低的有机污染物时，就有很大的局限性。仅仅依靠上述水质参数来监测冷凝水的水质，会降低工艺透明度，导致企业决策错误，最终增加生产成本或损坏生产设备。TOC分析提供了一种快速、准确、灵敏的有机污染物检测方法，是确保冷凝水质量的有效工具。制糖厂在关键工艺步骤中采用在线TOC监测，能够加强泄漏检测能力，而泄漏是导致代价高昂的设备损坏和营收损失的一大根源。参考文献Quantification of Sugar Content Loss in various Byproducts of the Sugar Industry, International Journal of Advance Industrial Engineering, Vol. 3, No. 2 (June 2015)◆ ◆ ◆联系我们，了解更多！

项目总结用户Mars动物饲料加工厂有限公司加工厂地点德国弗登市（Verden）应用领域高温回收冷凝水监测设备Sievers® M9总有机碳TOC分析仪技术选择的考虑因素对于高温回收冷凝水的监测，pH值、电导率、紫外传感器均无法有效检测出循环蒸汽中的脂肪、油、颗粒物等污染。而Sievers M9 TOC分析仪能准确检测出含量极低的有机污染物，即使对于碱性样品也不在话下。当分析仪与功能强劲的样品预处理过滤器一起使用时，能够有效监测含有颗粒物的高温冷凝水，提供实时监测数据。使用此技术配置的结果●将锅炉给水中的有机污染风险降至最低。●符合统一的循环蒸汽运行指南，加强了生产设备的保护。●长达12个月的校准稳定期，提供高准确度和精确度的测量值，维护要求低。●快速测量响应，及时报告污染事件。●样品过滤器有自清洁功能。背景位于德国弗登市的Mars动物饲料加工厂按照当地认证机构颁布的标准和欧洲统一标准DIN EN 12952和12953运行其锅炉房。这也符合以前应用的“技术蒸汽指导标准（TRD，Technical Steam Directives）”。加工厂根据相关要求[1-5]，制定了72小时无人监督锅炉房运行的特别措施。如果回收冷凝水中发生脂肪、油和油脂（FOG - Fats，Oil and Grease）污染，就需要可靠的系统来防止该污染进入蒸汽发生器。通过在线监测，该系统的实际功能得到增强，可以发出自动排放被污染冷凝水的指令。锅炉制造商发布的产品规格规定，锅炉给水和返回的冷凝水中不可含有机污染物。虽然锅炉给水中的补给水来自受控工艺，但返回的冷凝水在热交换过程中可能受到污染，因此必须对其严密监测。以往用紫外传感器的方案来检测冷凝水中的有机物污染，但由于紫外传感器的测量结果不准确且维护要求过高，这种方法已被淘汰。如果冷凝水中的颗粒物含量过高，不但会干扰光学测量，还会堆积在光学窗口上，需要每天多次清洁光学窗口。此外，紫外传感器不够灵敏，无法检测到冷凝水中的低浓度有机物。挑战在饲料加工车间，蒸汽可用于多种工艺，如加热、消毒和清洁、直接蒸汽处理产品。Mars公司加工厂的蒸汽应用还包括通过热交换器来液化板油，因此有机物可能会以油脂的形式进入循环蒸汽。pH或电导率探头等普通传感器难以检测到油脂。油脂不溶于水，对pH值和电导率基本无影响，因此很难用pH或电导率来检测有机污染。周末无人值守锅炉房。在无人看管的情况下，锅炉运营指南规定：“如果存在油脂污染的风险，则必须安装双循环系统，除非使用有效设备来确保油脂不会进入蒸汽发生器（例如使用带冷凝水自动排放功能的可靠的监测设备）”[3]。Mars公司加工厂遇到的另一大难题是冷凝水的基质。加工厂用非挥发性胺来养护锅炉，以维持锅炉水的碱性pH值，防止锅炉腐蚀。非挥发性胺不蒸发，不污染锅炉蒸汽，能使锅炉蒸汽保持[7-8]的相对较低pH值，因此锅炉蒸汽可以直接接触产品。但较低的pH值会增加锅炉腐蚀，损坏冷凝管，从而产生大量颗粒物。在监测冷凝水的分析仪中，颗粒物会干扰分析并造成分析仪管道堵塞。解决方案传统的传感器无法有效检测有机物污染，而总有机碳TOC分析仪能够为用户提供全面的有机物监测解决方案。TOC分析仪不但能检测出任何种类的有机物，还能整合到生产系统之中以便进行快速在线分析。同时，自动监测系统成功与否，能否将停产时间降到最短，样品制备也起关键作用。冷凝水的温度升高，常被管道腐蚀所产生的颗粒物污染（见图1），还可能含有养护锅炉用的化学物质。冷凝水的pH值在中性至碱性范围内。Mars公司加工厂发现冷凝水中有大量的貌似铁锈的颗粒物。这些颗粒物虽然不是有机污染物，但会在分析仪中沉积和堵塞管路，从而影响分析。因此，对于本文中的应用来说，样品制备至关重要，旨在确保分析结果的准确性和稳健性。加工厂决定试用已被证明在冷凝水监测领域卓有成效的Sievers® M9在线型TOC分析仪，并按照本应用的特定要求来制备样品。快速回路过滤之前快速回路过滤之后图 1：预处理前后的冷凝水对比试用Sievers M9 TOC分析仪的目的是测试Sievers分析仪与一家工程公司联合建立的样品制备过滤工艺。过滤工艺具有以下特点：★耐高温达150°C

背景矿物燃料与核电力设施使用换热器，使工艺蒸汽冷凝回到液体形态。热交换器的工作原理是，通过从一种介质（蒸汽）中转移热量至另一种介质（空气、水、或乙二醇）中。很多新近的封闭式冷却水系统、电力设施使用乙二醇（C2H6O2）作为热传递液体，因为乙二醇有很高的热传递效率。虽然乙二醇是超级好的热传递流体，但如果它从冷却器中泄漏并进入冷凝蒸汽中时，会造成严重问题。在升高的温度与压力下，水中乙二醇会降解为有机酸，会酸化冷凝液，导致系统内快速的腐蚀。有机酸的增长也会严重破坏离子交换树脂床与矿物质脱除塔。发现早期针孔大的热交换器泄漏，对于保持维护电力设施与工艺设备的完整性，非常重要。虽然很多工厂使用痕量水平的胺来中和，来控制回路的pH，但这些胺常规地都是按照控制来自二氧化碳溶解产生的碳酸，来给药的。乙二醇泄漏造成的有机酸的大量流入，很容易压垮这种pH控制，并造成冷凝液明显的酸化。问题电厂通常检测pH与阳离子电导率来监测蒸汽回路水的纯度。然而，那些参数并不总是足够。充分早地探测乙二醇的早期泄漏以预防显著的下游问题十分重要。因为pH与阳离子电导率的偏离，仅仅在乙二醇分解之后才产生，这些检测对于探测泄漏来说，经常已经太晚了。水中乙二醇在热的高压蒸汽回路中降解。如果热交换器中发生泄漏，这种泄漏的现象在乙二醇降解之前，可能无法通过pH与电导率探测到。在这一点上，工艺设备（例如：矿物质脱除塔、树脂床、冷凝液抛光器、锅炉、涡轮机等）可能已经暴露在酸性的冷凝液或蒸汽中。乙二醇是一种含碳38.7%的有机分子，因此能够使用在线、连续的总有机碳（TOC）分析来探测到。Sievers® M系列在线TOC分析仪能够在乙二醇在冷凝液蒸汽中降解之前，更早地检测到乙二醇的泄漏。解决方案在Sievers分析仪进行的实验室研究中，Sievers M系列TOC分析仪表现出对乙二醇的回收率在97.3%－99.1% ，对于碳含量在0.5－25 ppm 碳 （1.3－64.7ppm 乙二醇）。Sievers M系列TOC分析仪的回收率总结如下表：在图2中，分析仪显示出对检测乙二醇有高的线性响应。基于定量回收率（≥97.3%），与高度的线性（R2=1.0000），Sievers M系列TOC分析仪很适用于检测冷凝液蒸汽中宽广范围的乙二醇浓度。几个著名的组织（EPRI、VGB、与 Eskom）建议100－300 ppb作为蒸汽循环补给水的合适的背景TOC水平。水或蒸汽循环中的这个TOC背景很好地位于Sievers M系列TOC分析仪的检测水平0.03 ppb之上，同时这个TOC背景也足够低，可以轻松检测背景TOC浓度之上的乙二醇泄漏造成的TOC偏移。由于乙二醇泄漏造成的事故的成本，从设备维修与更换、以及停产期间损失的能量产出等方面，可能是成百上千美元。由于乙二醇有毒并有危险，额外的缓和被污染的冷凝水也非常关键。使用Sievers M系列在线TOC分析仪，冷凝蒸汽每2分钟被分析一次，提供给设备操作者高解析度的数据，使用这些数据，可以快速识别并解决使用乙二醇溶液的热交换器的泄漏。◆ ◆ ◆联系我们，了解更多！参考文献1.Berry, D. and Browning, A. Guidelines for SelectingandMaintaining Glycol Based Heat Transfer Fluids.2011. Chem-Aqua, Inc.2.EPRI Lead in Boiler Chemistry R&D. PersonalCommunication. January 28, 2015.3.Ethylene vs. Propylene Glycol. www.dow.com.Accessed January4.22,2015.http://www.dow.com/heattrans/support/selection/ethylene-vs-propylene.htm.5.Heijboer, R., van Deelen-Bremer, M.H., Butter, L.M.,Zeijseink, A.G.L. The Behavior of Organics in aMakeup Water Plant. PowerPlant Chemistry. 8(2006):197-2026.Faroon, O., Tylenda, C., Harper, C.C., Yu, Dianyi,Cadore, A., Bosch, S., Wohlers, D., Plewak, D.,Carlson-Lynch, H. Toxicological Profile for EthyleneGlycol. 2010. US Agency for Toxic Substances andDisease Registry (ASTDR).7.Maughan, E.V., Staudt, U. TOC: The ContaminantSeldom Looked for in Feedwater Makeup and OtherSources of Organic Contamination in the Power Plant.PowerPlant Chemistry. 8(2006): 224-233.8.Rossiter, W.J. Jr., Godette, M., Brown, P.W., Galuk,K.G. An Investigation of the Degradation of AqueousEthylene Glycol and Propylene Glycol Solutions usingIon Chromatography. Solar Energy Materials. 11(1985): 455-467.9.Vidojkovic, S., Onjia, A., Matovic, B., Grahovac, N.,Maksimovic, V., Nastasovic, A. Extensive FeedwaterQuality Control and Monitoring Concept forPreventing Chemistry-related failures of Boiler Tubesin a Subcritical Thermal Power Plant. Applied ThermalEngineering. 59(2013): 683-694.