高壓電極鍋爐電極材料耐久性試驗研究

陳衛波 陳志高 張大長 汪喆

摘 要：本文通過開展不同電極材料耐久性試驗，考察5種電極材料在等濃度磷酸鈉溶液中的耐腐蝕性能。研究結果表明石墨電極、不銹鋼電極、Q235鐵片、鋼筋均有不同程度的電解，而鈦電極表現出較強的耐腐蝕性，該研究成果可為高壓電極鍋爐電極材料的設計提供參考。

關鍵詞：高壓電極鍋爐;電極材料;耐久性試驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.004

0 概述

隨著國家對電能替代工作的高度重視，電極鍋爐在國內迎來了前所未有的發展，電極鍋爐因具有效率高、無噪聲、環保無污染、占地面積小、啟動速度快、可在低負荷下長期作用等特點，在供暖行業等領域得到了廣泛的應用。

其中，高壓電極作為電極鍋爐的核心構件，國內外對這方面的研究都非常少，已有的研究主要從總體角度分析電極形狀和電極排列位置、方式對爐水加熱效率的影響，缺少對高壓電極材料耐腐蝕性的研究。吳炳晨[1]對浸入式鍋爐汽水參數進行研究，闡述了三相電極設計成曲棍球球桿形狀的原因：加熱時，配合爐水上下螺旋運動，可使鍋爐在電功率較低時仍然可以實現液位的線性調節，使電功率線性調節范圍達到0.5%～100%。郭峰[2]研究了浸沒式電極鍋爐的原理，電極兩極幾乎周長相等，這樣所形成的電場強度比較均勻，不會產生水的電解作用，因而不會產生氫氣，保證了鍋爐的安全。但兩者均未考慮到電解質溶液對電極的腐蝕作用。因此，對高壓電極耐久性的研究顯得尤為重要。

本文開展了不同電極類型耐久性試驗，重點探究了在配置濃度為0.003%的磷酸鈉溶液中5種電極材料的電解程度，為浸沒式電極鍋爐高壓電極的設計與改進提供參考[3-5]。

1 高壓電極鍋爐原理

1.1 高壓電極鍋爐的產汽流程

浸沒式電極蒸汽鍋爐的運行主要利用電極直接加熱帶有一定電導率的爐水的方式，鍋爐內筒的水作為電阻，在電流的作用下迅速加熱，聚集一定熱量后，就產生了高質量的蒸汽。鍋爐內循環泵將外筒水流打入內筒，不斷地給內筒補水。鍋爐正常運行或在熱備用狀態時，需要將保持內外筒總水量維持恒定，所以需要通過給水泵向鍋爐外筒補給除氧水。

1.2 高壓電極鍋爐的產汽原理

浸沒式電極鍋爐的內筒分成相同的三部分，中心點即為內筒的中心;在內筒的中心，3個分區以120°的角度均分相交，同時通過內筒底部連通，電極鍋爐的內筒結構如圖1所示。

在浸沒式電極鍋爐的內筒四周，電場分布如圖2所示，具有如下的特點：

（1）增加了電流的導通體積。（2）三相導電的兩極為電極表面端與內筒端，面積都比較大，而且電極兩極幾乎周長相等。所以，形成了均勻的電場強度，確保了電極鍋爐的安全性;（3）在三相電極所圍成的區域之內，電場的強度幾乎為0;（4）在內筒的底部，溶液的離子在內筒內壁和各電極之間電壓的作用下，會形成一個如圖2所示的均勻電磁場，在電磁場的作用下，溶液中的離子做上下運動，形成電流，加速了水分子的汽化;（5）在內筒的底部，在各電極之間電場的作用下，在3個電極之間形成一個電磁場，隨著三相電流的相差，溶液中的導電離子形成復雜的漩渦，增強了液體流動，加速了水的蒸發，也起到了減少內筒底結垢的作用。

2 高壓電極耐久性試驗

2.1 試驗概況

（1）電極類型。根據現有鍋爐電極類型，選取5種較為常見的

材料，分別為石墨電極棒（Φ20×500）、不銹鋼電極片（400×40×2）、Q235鐵片（400×50×0.35）、鋼筋（Φ8×500）和鍍鉑鈦電極。

（2）試驗方法。如下圖3所示，配置濃度為0.003%的磷酸鈉溶液，分別將石墨電極、不銹鋼電極片、Q235鐵片、鋼筋電極懸浮于鐵桶的中心位置（鈦電極用燒杯），電極頂部接通220V的交流電。筒的內部安裝浮球閥裝置，外部連接儲水箱，可始終保持鐵桶中水位的恒定，每個電極加熱3天。

（3）測試方法。通過肉眼觀察電極表面的顏色變化及溶液的渾濁程度初步判斷電解程度，隨后用電子天平準確量出電極的質量變化。

2.2 試驗結果

（1）溶液及桶壁變化。試驗過程中電極周圍有大量氣體出現，大約20小時之后，除鈦電極之外的4種電極試驗裝置中的溶液均開始變得渾濁，且桶內周圍有大量的黃色銹斑依附在桶壁上。

鈦電極因材料有限采用燒杯加熱，試驗3天之后可以看出燒杯周圍的鐵絲網有明顯生銹的現象，溶液沒有渾濁和沉淀物，試驗前后杯壁變化如圖4所示。

（2）電極變化。經過3天的試驗，5組電極均有不同程度的電解，Q235電極片和不銹鋼電極片表面有不同顏色的物質析出，且厚度變薄，由于附著物的產生，Q235電極片重量由76.5g變為76.6g;石墨電極棒和鋼筋電極棒略微變細，且顏色變深;鈦電極表面有變黑的跡象，但尺寸沒有發生變化。5種電極材料的質量均沒有明顯改變，試驗后電極變化如圖5所示：

3 結論

（1）電極耐久性試驗中，桶內有大量的黃色銹斑依附在桶壁上，這說明交流電的陰陽極在火線與零線之間交替變換，桶壁也有一半的時間充當陽極，因此也會發生電解，而鍍鉑鈦電極要遠比鐵絲網穩定，同時內筒壁的抗腐蝕性也是需要研究的方向之一;

（2）Q235電極片、不銹鋼電極片、石墨電極棒、鋼筋電極棒尺寸均發生不同程度縮小，且表面有物質析出，說明這4種電極材料在電解質溶液的環境下耐腐蝕性較差，不能滿足高壓電極鍋爐的要求。鈦電極的表面也有明顯變黑的跡象，但尺寸并沒有發生變化，說明鈦表面生成了致密的氧化物保護膜，使其具有消光特性，改善材料的耐腐蝕性能[6]。

因此可得出如下結論：鈦電極有更強的耐腐蝕性，更適于作為高壓電極鍋爐的電極材料。

參考文獻：

[1]吳炳晨，吳航宇.核電電極浸入式鍋爐汽水參數反向控制電功率方法[J].中國電力，2017，50（02）：107-112+123.

[2]郭鋒，夏青揚，劉楊.浸沒式電極鍋爐原理及應用[J].能源研究與管理，2012（02）：65-67.

[3]和平志，劉紅，朱鵬飛，宋文君.輥式鈦電極制造工藝的改進[J].鈦工業進展，2017，34（03）：40-42.

[4]楊琴.鈦合金與鈦鋁合金的擴散連接工藝研究[D].華北電力大學，2015.

[5]秦維，姚建林，顧仁敖.純鈦電極上的表面增強拉曼光譜研究[J].光譜學與光譜分析，2009，29（12）：3300-3303.

[6]姚惕予.鈦及鈦合金的表面發黑[J].南京528廠機械制造分廠工藝所，2002.

[7]王巖峰.鈦合金表面發黑工藝研制及機理研究[D].沈陽工業大學，2009.

作者簡介：陳衛波（1981-），男，浙江臺州人，碩士研究生，高級工程師，從事熱浸鍍鋅、電極鍋爐工程設計和研究工作。