高壓鍋爐爐內水化學工況的優化

許懷鵬，周黃斌，孔 苑

（馬鋼股份公司熱電總廠，安徽馬鞍山 243000）

前言

為降低鍋爐爐管的腐蝕速率，減少爐管沉積物與結垢量，提高蒸汽品質，必須對鍋爐水進行調節處理。對于高壓汽包鍋爐，目前實際應用最多的鍋爐水調節方式是給水還原性全揮發處理[AVT(R)]和爐水磷酸鹽處理（PT）。AVT(R)處理是在對鍋爐給水進行熱力除氧的同時，向給水中加入氨和除氧劑——聯胺或二甲基酮肟，氨的作用是調節給水和爐水的pH 值，聯氨的作用是除去給水中的溶解氧，以維持一個除氧堿性水工況，從而達到抑制水汽系統金屬腐蝕的目的。PT 處理是向鍋爐爐水中加入磷酸鹽，在堿性爐水條件下，一定量的磷酸根與鈣、鎂離子可以形成松軟的水渣，隨鍋爐排污排出，達到鍋爐防垢的目的。

1 傳統鍋爐水調節方式的弊端

1.1 給水還原性全揮發處理[AVT(R)]

《GB/T 12145-2016 火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量標準》中規定，高壓汽包鍋爐給水質量控制標準如下：

鍋爐過熱蒸汽壓力：5.9～15.6 MPa;

pH(25℃)：8.8～9.3（有銅給水系統）或9.2～9.6（無銅給水系統）;

聯氨：≤30 μg/L;

溶解氧：≤7 μg/L。

以上規定的AVT(R)水工況是一種還原性水工況，水的氧化-還原電位(ORP)一般低于-200 mV。在此條件下，碳鋼表面會生成磁性氧化鐵(Fe3O4)保護膜，保護金屬不受進一步腐蝕。但實際應用時，高壓鍋爐AVT(R)水工況的缺點也比較明顯：

(1)采用AVT(R)時，熱力設備通常存在“兩高現象”，即汽水品質合格率高，受熱面結垢速率也高。因為在還原性條件下，生成的磁性氧化鐵(Fe3O4)保護膜不夠致密，且在水中的溶解度較高，導致鍋爐給水含鐵量相對偏高，在湍流部位易發生流動加速腐蝕(FAC)現象，腐蝕產物又會隨水流遷移到高熱負荷區域并沉積下來，提高結垢速率。

(2)AVT(R)處理時，因聯氨的還原性好，效果最優。但聯氨揮發性強，具有致癌作用，影響操作人員的身體健康。對于供熱機組，分解不完全的聯氨進入蒸汽系統將影響供熱用戶的使用。使用無毒的二甲基酮肟作為除氧劑，普遍存在腐蝕速率較高的問題。

1.2 爐水磷酸鹽處理（PT）

《GB/T 12145-2016 火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量標準》中規定，高壓汽包爐水質量控制標準如下：

鍋爐汽包壓力：10.1～12.6 MPa;

pH(25℃)：9.0～10.0;

磷酸根：2～6 mg/L;

電導率(25℃)：＜60 μS/cm。

爐水PT處理可消除爐水中的硬度，提高水的緩沖能力，降低鍋爐的結垢速率，改善蒸汽品質和減緩汽輪機腐蝕，應用非常廣泛。隨著鍋爐參數的提高，爐水PT 處理普遍存在磷酸鹽“暫時消失”現象，即鍋爐升負荷時，爐水磷酸鹽濃度下降，pH值升高；鍋爐降負荷或剛啟動時，磷酸鹽濃度又升高，pH 值下降。磷酸鹽暫時消失會導致以下危害：

（1）易溶鹽在爐管壁上附著，影響傳熱，造成管壁超溫；

（2）爐管上的易溶鹽附著物會與管壁上鐵的腐蝕物進一步發生反應，生存復雜的難溶水垢，加劇水冷壁管的結垢與腐蝕；

（3）易導致磷酸鹽過量加入，爐水含鹽量增大，鍋爐排污率偏大等問題。

某鋼鐵公司熱電總廠高壓汽包鍋爐即采用給水AVT(R)處理和爐水PT 處理。以2016 年12#爐為例，水汽品質平均合格率、鍋爐給水含鐵量和鍋爐排污率數據見表1。

表1 12#鍋爐水汽品質平均合格率、鍋爐給水含鐵量和鍋爐排污率數據

由表1 可知，高壓汽包鍋爐采用給水AVT(R)處理和爐水PT 處理，水質指標均能滿足規范要求，但鍋爐給水含鐵量相對仍然偏高，排污率偏大，存在較大的上升空間。

2 鍋爐水調節方式的優化

2.1 鍋爐給水調節方式的優化

氧化性全揮發處理[AVT(O)]是在堿性條件下，只通過熱力除氧控制給水中溶解氧含量不超過10 ug/L，不再添加其他化學除氧劑進行輔助除氧的給水調節方式。此條件下，水的氧化-還原電位(ORP)一般在0～80 mV 之間，給水處于弱氧化性的氣氛，碳鋼表面會生成磁性氧化鐵(Fe3O4)和氧化鐵(Fe2O3)雙層結構保護膜，該膜較磁性氧化鐵保護膜更加致密，在水中的溶解度更小，保護效果更好，可有效抑制高流速鍋爐管道發生流動加速腐蝕(FAC)。這種處理方式通常會使給水的含鐵量降低，省煤器管和水冷壁管的結垢速率也相應降低。因銅合金在有氧的純水中，會生成溶解度較高的氧化銅，從而加快銅的腐蝕速度。

隨著水質凈化技術的進步，目前絕大多數高壓鍋爐的給水氫電導率均能保證在0.3 μS/cm 以下。同時，機組中各換熱設備也基本采用耐腐蝕能力更好的不銹鋼材料，給水完全具備AVT(O)處理的使用條件。

2.2 鍋爐爐水調節方式的優化

爐水中加入PO43-主要是消除水中硬度和提高緩沖能力。為了防止爐內生成鈣鎂水垢和減少水冷壁管腐蝕，向爐水中加入少量PO43-的處理稱之為低磷酸鹽處理（LPT）。LPT 處理時，控制爐水中PO43-的含量在較低水平，略高于與爐水中硬度成分反應所需的最低濃度即可，有利于減少或消除鍋爐管壁上發生“磷酸鹽隱藏”現象，避免發生酸性磷酸鹽腐蝕。同時，爐水中也需保證一定的PO43-含量，以維持爐水的堿性和PH 值，防止酸性腐蝕。目前高參數汽包鍋爐，由于采用了優良的水凈化技術，補給水水質良好，且與該鍋爐配套的汽輪機組凝汽器嚴密性也有可靠保證，隨給水進入鍋爐內的Ca2+、SO42-和SiO32-等非常少，所需的PO43-也相應減少，此時爐水中PO43-的主要作用由防垢轉為控制爐水的pH值和防止腐蝕。

3 優化過程及實施效果

2016年至2018年，熱電總廠高壓鍋爐水調節方式陸續變更為給水氧化性全揮發處理[AVT(O)]和爐水低磷酸鹽處理（LPT）。根據現場實際情況，制定水質控制指標如下：

（1）熱電總廠高壓汽包鍋爐給水控制標準

鍋爐過熱蒸汽壓力：5.9～15.6 MPa;

pH(25 ℃)：9.2～9.6;

氫電導率(25 ℃)：≤30 μS/cm;

溶解氧：≤10 μg/L。注：當凝汽器管為黃銅材料時，pH 值宜控制在9.1～9.4。

(2)熱電總廠高壓汽包鍋爐爐水控制標準

鍋爐汽包壓力：10.1～12.6 MPa;

pH(25 ℃)：9.0～10.0;

磷酸根：0.5～3.0 mg/L;

電導率(25 ℃)：＜30 μS/cm。

為保證系統安全及水汽品質達標，進一步完善了鍋爐自動加藥系統，給水加氨和爐水加磷酸鹽均實現變頻調節，使其具有更高的可靠性和準確性。鍋爐排污方式也同時進行了優化。

鍋爐水調節方式變更后，水汽平均合格率保持穩定，給水鐵含量明顯下降，排污率明顯降低。以12#爐為例，2018 年下半年水汽品質平均合格率、鍋爐給水含鐵量和鍋爐排污率數據見表2。

表2 12#鍋爐水汽品質平均合格率、鍋爐給水含鐵量和鍋爐排污率數據

12#爐給水采用AVT(O)處理后，給水含鐵量下降了約50%，同時節約了大量除氧劑采購費用；爐水采用LPT處理后，爐水磷酸根含量降低約55%，爐水電導率維持在9～10 μS/cm，鍋爐排污率降低約45%，每年節約藥劑成本及減少熱損失約100 萬元～120萬元，經濟效益十分顯著。

4 結論

4.1 以除鹽水為補水的高壓汽包鍋爐實現給水氧化性全揮發處理[AVT(O)]和爐水低磷酸鹽處理（LPT）完全可行。

4.2 高壓汽包鍋爐給水采用AVT(O)處理后，水汽系統中鐵離子含量較AVT(R)處理時有明顯下降。

4.3 高壓汽包鍋爐爐水采用LPT 處理后，可有效避免“磷酸鹽隱藏”現象的發生，顯著改善爐水水質，同時大幅度降低鍋爐排污率。