鍋爐水中磷酸鹽變化的奧秘

梁杰

摘 要：根據爐水中磷酸鹽指標在不同情況下發生變化的現象，根據筆者多年的運行汽水化驗工作經驗，發現鍋爐水內磷酸鹽在不同的情況下會有不同的顯示值，如鍋爐低負荷條件下、剛剛啟爐時磷酸鹽顯示值偏高等，通過理論分析，層層挖掘其原因，揭開鍋爐水中磷酸鹽變化的奧秘。

關鍵詞：磷酸鹽 磷酸鹽暫時消失現象 膜狀沸騰 汽水分層 自由水面

中圖分類號：TK227.8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0099-02

據筆者多年的運行汽水化驗工作經驗，發現鍋爐水內磷酸鹽在不同的情況下會有不同的顯示值：如鍋爐低負荷條件下、剛剛啟爐時磷酸鹽顯示值偏高，鍋爐高負荷條件下，磷酸鹽顯示值偏低，鍋爐水有硬度存在時，鍋爐水中磷酸鹽顯示值會為零……這些現象說明了什么？鍋爐水中磷酸鹽的變化有什么奧秘嗎？這得從鍋爐水中磷酸鹽的防垢原理講起。

1 磷酸鹽防垢處理

鍋爐內的水是由給水引入的，給水是由爐外補給水、凝結水、疏水、熱網疏水等組成的，這些水進入鍋爐中不可避免地會有鈣、鎂等硬度離子存在，這些離子在鍋爐中若不及時除去就會在水冷壁管中結成鈣鎂水垢，從而影響汽水循環工況，危及熱力設備的安全運行和其壽命，甚至造成爆管停爐，后果是相當嚴重的。那么如何才能除去鍋爐水中的硬度離子呢？科學家們通過長期的科學實驗總出一種方法：向爐水中加入磷酸三鈉鹽（Na3PO4·12H2O）溶液的辦法，使鍋爐水中經常維持一定含量的磷酸根離子（PO43-）。由于鍋爐水處在沸騰條件下，而且它的堿性較強（鍋爐水的pH一般在9～11的范圍內），因此，爐水中的鈣離子與磷酸根會發生下列反應：

10Ca2++6PO43-+2OH- Ca10（OH）2（PO4）

（堿式磷灰石）

生成的堿式磷灰石是一種松軟的水渣，這種水渣沉積在下聯箱水流緩慢的地方，且不會粘附在鍋內轉變成水垢，通過定期排污排除爐外，這樣就可以將爐水中的硬度離子除掉了。磷酸鹽處理不僅可以防垢，也是汽包爐防腐的重要措施，可以為爐水提供適當的堿性，維持適當的爐水pH值，并對爐水酸、堿污染具有較強的緩沖性，因而具有較強的適應能力。不設凝結水精處理系統的機組，磷酸鹽加藥處理增加了抵御凝汽器偶然泄漏和啟動時的給水污染能力。同時，磷酸鹽共沉積作用可減少飽和蒸汽對氯化物和硫酸鹽等離子的攜帶，減緩汽輪機的酸性腐蝕。

2 鍋爐水中磷酸鹽含量控制標準

但向鍋爐內加多少磷酸鹽適合呢？加多或加少對鍋爐水會有什么危害嗎？目前200MW機組，鍋爐水中磷酸根（PO43-）控制的標準是（2～8）mg/L，若采用低磷處理，磷酸根（PO43-）控制的標準是（0.5～3）mg/L，（凝汽器嚴密性較差或泄漏頻繁的機組不應采用低磷處理）磷酸鹽處理中PH、磷酸根參數控制值與《火力發電機組蒸汽動力設備水汽質量標準》（GB/T 12145-1999）一致，但規程將磷酸鹽—pH值協調處理作為高參數爐推薦的設計標準。這種控制指標的根據是什么呢？

2.1 鈣垢的防止

爐水中不可避免地會有SO42-和SiO32-等離子。首先我們應了解，堿式磷酸鈣是一種非常難溶的化合物，它的溶度積很小，若鍋爐水中保持有一定量的過剩PO43-時，就可以使鍋爐水中的鈣離子（Ca2+）的含量非常小，以至在鍋爐水中它的濃度與SO43-濃度或SiO32-濃度的乘積不會達到CaSO4或CaSiO3的溶度積，這樣鍋內就不會有鈣垢形成。那么爐水中磷酸根（PO43-）的含量是不是過剩得越多越好呢？

2.2 向鍋爐內加入過量磷酸根（PO43-）的危害

（1）藥品（磷酸三鈉）消耗量增大。

若向鍋爐水中加入過量的磷酸鹽，既爐水中有了超過一定數量的過剩磷酸根（PO43-），這樣隨排污水排出的藥量會增多，使藥品的消耗量就會增加，增加了經濟支出成本。

（2）增加鍋爐水的含鹽量，影響了蒸汽品質。

因磷酸三鈉是一種鹽類，其加入過多，自然就隨爐水的機械攜帶和溶解攜帶進入蒸汽中，也必然會影響蒸汽品質。

（3）生成磷酸鹽垢。

大家知道，隨給水進入鍋內的Mg2+量常常是較少的，在沸騰著的堿性鍋爐水中，它會和隨給水帶入的SiO32-發生下述反應：

3Mg2++2 SiO32-+2OH-+H2O MgO·2SiO2·2H2O

此反應生成的蛇紋石呈水渣形態，易隨鍋爐水的排污排除。但是當鍋爐水中PO43-過多時，有可能生成Mg3（PO4）2。由于Mg3（PO4）2在高溫水中的溶解度非常小，能粘附在爐管內形成二次水垢。這是一種導熱性能很差的松軟水垢。

NaHCO3→CO2↑+NaOH

Na2CO3+H2O→CO2↑+2NaOH

碳酸鹽與硬度及磷酸鹽相互作用

2Ca（HCO3）2+2Na3PO4→6NaOH+6CO2↑+Ca3（PO3）2↓

（4）容易在高壓和超高壓鍋爐中發生磷酸鹽的“隱藏”現象。

所謂磷酸鹽的“隱藏”現象，就是當鍋爐負荷增高時，鍋爐水中某些易溶鹽類如磷酸三鈉（Na3PO4）便從爐水中析出，沉積在金屬管壁上，因此它們在鍋爐水中的濃度降低。當鍋爐負荷降低時，這些鹽類又重新被溶解下來，它們在鍋爐水中的濃度有升高了，這種現象就是磷酸鹽暫時消失現象。產生這種現象的原因有兩個：①與磷酸三納的特性有關。磷酸三鈉（Na3PO4）在水中的溶解度隨水溫升高而增加，當溫度升高達2000℃以上時，溶解度明顯下降，所以當鍋爐管壁某區域發生局部過熱時，磷酸三鈉（Na3PO4）容易沸騰并蒸干而析出，就引起了暫時消失現象。②與爐管的熱負荷有關。當爐管的熱負荷增加時，就容易使爐管內的爐水發生不正常的沸騰工況，如膜狀沸騰、汽水分層、自由水面等，這些不正常的工況都會使靠近管壁處的水很快被蒸干，或當這些管壁附近處的水溫偏高時，水溶液中的易溶鹽類如磷酸三鈉就會在管壁上析出。當鍋爐出力減小或停爐時，爐堂內熱負荷降低，爐管內的爐水水溫及沸騰狀態恢復正常或管壁開始受到冷卻時，可使原來析出并附著在管壁上的磷酸鹽又重新溶解于爐水中。

3 揭開鍋爐水中磷酸鹽變化的奧秘

通過上述分析，你是否已基本清楚了爐水中磷酸鹽變化的奧秘。

（1）爐水中磷酸根離子（PO43-）減少：①是因為磷酸鹽發生了暫時消失現象，鍋爐負荷增高時，磷酸根部分吸附在管壁上使其在爐水中的濃度減少；②或加入爐內的磷酸鹽藥量減少；③或部分生成了磷酸鹽垢而沉積在水冷壁上。第三種現象不會造成瞬間減少；④爐水中由于凝汽器泄漏或熱網疏水泄漏等原因致使爐水中出現了過量的硬度離子，將磷酸根離子大部分或完全吃掉，致使磷酸根（PO43-）含量減少或為零。

（2）爐水中爐水中磷酸根離子（PO43-）增加：①當鍋爐負荷突然減少，管壁上析出的磷酸根離子（PO43-）又重新返回到爐水中，致使爐水中磷酸根離子（PO43-）濃度增加；②啟爐時，原吸附在管壁上的磷酸根離子（PO43-）又重新溶在爐水中，致使爐水中的磷酸根離子（PO43-）濃度增加；③向爐內加入了過量的磷酸三鈉，致使爐水中的磷酸根離子（PO43-）增加。

4 如何指導實踐

（1）如何判斷磷酸鹽暫時消失現象；

（2）如何防止磷酸鹽暫時消失現象；

（3）如何通過磷酸根離子（PO43-）含量判定設備運行出現異常；

（4）如何控制磷酸根離子（PO43-）加藥量；

（5）爐水中磷酸根離子（PO43-）和爐水中的pH值不能匹配時如何調整，這些問題有待下次闡述。

參考文獻

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