火力發(fā)電廠中給水加氧的原理?

【專家解說】：">給水加氧處理(OT)是在高純度給水中加入適量的氧化劑(O2或H2O2)以達(dá)到減緩熱力設(shè)備腐蝕的目的，它與給水除氧的 AVT還原性水工況截然相反，是一種氧化性水工況。加氧處理是20世紀(jì)70年代德國開發(fā)出來的一種新型的爐水處理方式，不久便用于前蘇聯(lián)、意大利、丹麥等歐洲國家，近 20a來，澳大利亞、日本、美國等國家也相繼應(yīng)用了這一技術(shù)。我國于20世紀(jì)80年代末首先在華東某電廠一臺 300MW直流鍋爐上使用。OT 處理推廣應(yīng)用較快，主要是由于該種處理方式有明顯的效益。采用OT處理后，鍋內(nèi)沉積物量減少、腐蝕損壞降低、直流爐爐管和加熱器壓降快速升高問題得到了解決、鍋爐清洗頻率降低、凝結(jié)水凈化裝置運(yùn)行周期延長、給水管道FAC大有改善等。因此，目前德國、日本、前蘇聯(lián)和中國等許多國家將OT 處理方式列入國家標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。
OT處理方式本身也在不斷發(fā)展。最初是中性處理(NWT)，它是將O2加入中性的高純水中，由于NWT 處理對水的pH值不起任何緩沖性，少量酸性物就會引起 pH 值下降，甚至有導(dǎo)致酸性腐蝕和氫脆的可能，加之人們擔(dān)心碳鋼在低溫區(qū)的腐蝕速度高和銅合金的腐蝕等問題，研究開發(fā)了給水添加少量氨，將給水pH值由6.5-7.0提至8.0-8.5，同時加氧處理的方法，稱為聯(lián)合水處理(CWT)。從應(yīng)用范圍來看，最初用于全鐵部件的直流爐，后又?jǐn)U大到凝汽器和低壓加熱器是銅合金的直流爐，目前已用于汽包鍋爐。

1 加氧處理原理及主要控制指標(biāo)
從熱力學(xué)觀點(diǎn)來看，鍋爐給水采用除氧的AVT處理時，碳鋼的腐蝕電位在-0.30V左右，給水pH在8.8-9.5之間，從Fe-H20 電位pH圖可以看到，處于鈍化區(qū)，鈍化膜是Fe3O4。給水加氧后，碳鋼的腐蝕電位會升高數(shù)百毫伏達(dá)到 0.15-0.30V，如圖 1所示，碳鋼表面原Fe3O4 膜中部分Fe 2+會進(jìn)一步氧化生成 Fe2O3，其反應(yīng):
2Fe 2+ +1/2O2+2H2O--Fe2O3+4H+
因此，在有氧純水中，碳鋼表面形成雙層氧化膜，內(nèi)層是磁性氧化鐵(Fe3O4)膜，外層是Fe2O3膜，這樣的雙層氧化膜能更有效阻止碳鋼的腐蝕。大量試驗(yàn)證明:在中性純水(電導(dǎo)率〈0.1μS/cm)中，加氧使碳鋼的腐蝕速度降低 2-3個數(shù)量級。
在有氧的高純水中，影響碳鋼和銅合金腐蝕的主要因素有pH 值、氧濃度和電導(dǎo)率等。
1.1 給水pH 值
碳鋼在無氧除鹽水中的腐蝕速度與pH 值有關(guān)，隨著 pH 值的升高，碳鋼的腐蝕速度逐步降低;而在有氧的除鹽水中，碳鋼的腐蝕速度在 pH 值為7 時降得很低，并且不再隨著pH 值的升高有所改變，如圖2 所示。
從熱力學(xué)觀點(diǎn)來看，在無氧或有氧的高純水中，銅均處于鈍化狀態(tài)，不過在無氧的高純水中，銅表面形成淺黃色的氧化亞銅(Cu2O)，在有氧的高純水中，形成黑色的氧化銅(CuO)，后者在純水中的溶解度大于前者，且二者均受高純水pH 值的影響，pH值在 8.5-9.0 范圍內(nèi)，銅合金的腐蝕速度可達(dá)很低(通常加氨量 100μg/l左右)。當(dāng) pH>10 時，由于生成銅氨絡(luò)合物，銅合金的腐蝕速度顯著增加。國內(nèi)某電廠直流爐采用CWT處理結(jié)果表明:當(dāng)給水pH 值控制在8.7±0.1范圍內(nèi)，低壓加熱器出口水中銅含量均低于AVT處理時的5.0 μg/l水平，爐前給水的銅含量也可達(dá)到AVT處理時的 2.6μg/l 水平，而給水pH值降至 8.3 時，給水中銅含量將比AVT處理時增加60%。國內(nèi)另一電廠實(shí)施 CWT處理時，pH值控制在8.7-8.9，低壓加熱器出口水中銅含量接近AVT處理時的 5.0μg/l 水平。
1.2 氧濃度
保持純水中的氧濃度是為了保證碳鋼的腐蝕電位高于其鈍化電位。日本等國在這方面做了一些有益的工作，圖 3為日本砂川電廠 4號機(jī)組采用CWT處理時，溶解氧量與腐蝕電位的關(guān)系，當(dāng)水中溶解氧在 20-50 μg/l時，電位可以進(jìn)入Fe2O3區(qū)域，加氧最低濃度為 20μg/l，但是世界上絕大多數(shù)采用CWT處理的國家推薦加氧最低濃度為50μg/l，此外，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)維持 Fe2O3 的電位所需氧濃度比生成 Fe2O3的電位所需氧濃度低得多。
圖4 為日本砂川電廠 4 號機(jī)組采用CWT處理時，在開、停爐期間腐蝕電位的變化情況。腐蝕電位在0-100mV 之間，變化最大值為100mV，電位仍然處于電位-pH 圖中 Fe2O3 區(qū)域，說明開、停機(jī)組期間也可采用 CWT處理。
在中性純水中，加氧會使銅合金的腐蝕速度急劇增大，如圖5 所示，因此，在低壓加熱器為銅合金材料的機(jī)組上采用 CWT 處理時，必須控制給水中氧濃度在合適的濃度。據(jù)原蘇聯(lián)介紹，通過低壓加熱器的給水氧濃度控制在70-120μg/l范圍，銅合金腐蝕速度最低;國內(nèi)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對于銅鐵部件的熱力系統(tǒng)，給水中氧濃度控制在100±20 μg/l 時，低壓加熱器系統(tǒng)出水和爐前給水中銅含量不會高于AVT處理時的值。可見兩者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。
1.3 給水電導(dǎo)率
在加氧水中，電導(dǎo)率與碳鋼的腐蝕速度近似于線性關(guān)系，如圖 6 所示。隨著給水的電導(dǎo)率增加，碳鋼的腐蝕速度會顯著增加。實(shí)際上，水的電導(dǎo)率是水中雜質(zhì)含量的綜合反映，電導(dǎo)率高，雜質(zhì)含量就多，水中的雜質(zhì)特別是氯離子妨礙正常的磁性氧化鐵保護(hù)膜的生成，反應(yīng)如下:
2Fe 2+ +H2O +1/2O2 +8Cl- --2[FeCl4]- +2OH-
研 究 結(jié) 果 表 明 : 當(dāng) 水 的 陽 離 子 電 導(dǎo) 率 為0.1μS/cm 時，隨著氧濃度的增加(超過 50μg/l)，碳鋼的腐蝕速度會顯著下降;而當(dāng)陽離子電導(dǎo)達(dá)到0.3μS/cm 時，腐蝕速度開始增大，這就是為什么世界各國將陽離子電導(dǎo)率=0.3 做為門限值，當(dāng)給水陽離子電導(dǎo)率大于此值時，應(yīng)停止加氧處理。

2 汽包鍋爐加氧處理
目前，加氧處理已開始在汽包爐上使用，表2是美國和我國汽包爐加氧處理給水和爐水控制指標(biāo)?？梢钥闯?，與直流爐加氧處理相比，汽包鍋爐加氧處理有以下不同。
(1) 汽包鍋爐采用 OT 處理比直流爐要高些，前者要求給水陽離子電導(dǎo)率<0.1μS/cm，而后者只要求陽離子電導(dǎo)率<0.2μS/cm。
(2) 汽包鍋爐有爐水濃縮問題，因此，嚴(yán)格控制爐水水質(zhì)是實(shí)施 OT處理的關(guān)鍵之一。美國規(guī)定爐水陽離子電導(dǎo)率<3μS/cm，我國空冷機(jī)組規(guī)定爐水陽離子電導(dǎo)率<1μS/cm，兩國標(biāo)準(zhǔn)中對爐水氯離子都有規(guī)定，且相同，即Cl-<100μg/l。
(3) 汽包鍋爐加氧處理還對下降管和底部水冷壁氧濃度有要求，規(guī)定必須小于 5μg/l，否則爐水中雜質(zhì)發(fā)生濃縮時可能產(chǎn)生點(diǎn)蝕。

3 OT處理優(yōu)點(diǎn)
長期現(xiàn)場應(yīng)用證明OT處理具有以下優(yōu)點(diǎn):
3.1 汽水系統(tǒng)中 Fe濃度顯著降低
日本直流鍋爐采用 CWT處理后，熱力系統(tǒng)各部位的鐵濃度大大降低，僅為 AVT處理時的1/2-1/4。國內(nèi)某電廠 1 臺 500MW超臨界直流鍋爐采用CWT處理后，給水鐵離子平均值由過去AVT處理的5.6μg/l 下降至0.3μg/l，下降80%，凝結(jié)水和高加疏水的鐵離子濃度也有顯著下降，其濃度僅為 AVT 處理時間的 10-20%。
3.2 鍋爐的結(jié)垢速度明顯降低
日本現(xiàn)場使用發(fā)現(xiàn)，CWT處理時，鍋爐各部位的結(jié)垢速度僅為 AVT 處理時的 1/2-1/3。國內(nèi)某電廠 1 臺 300MW亞臨界直流鍋爐采用CWT 處理僅 1a，檢查發(fā)現(xiàn):CWT處理期間鍋爐結(jié)垢速率為39.99g/(m2 a)，與AVT 處理相比，結(jié)垢速度降低了54.6%。國內(nèi)另一電廠直流鍋爐采用 CWT處理后，省煤器和水冷壁垢的沉積速度比 AVT處理時分別下降69%和87%。
3.3 鍋爐和給水加熱器的壓降顯著降低
國內(nèi)某電廠 1臺 500MW直流鍋爐，AVT處理運(yùn)行 2 年多，鍋爐壓差從 4.4MPa上升至7.6MPa;而在CWT處理運(yùn)行半年后，壓差已由原來的7.6MPa下降至 6.1MPa，給水泵轉(zhuǎn)速隨鍋爐壓差下降而減慢，滿負(fù)荷時汽泵轉(zhuǎn)速從4425r/min 下降到 4222r/min，耗汽量相應(yīng)減少，機(jī)組效率提高。
日本某電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也證明:與AVT處理相比，CWT處理的鍋爐壓降和給水加熱器壓降分別減少 15kg/cm2 和 5kg/cm2。
3.4 凝結(jié)水除鹽設(shè)備運(yùn)行周期延長
采用CWT處理后，凝結(jié)水除鹽設(shè)備再生頻率只有AVT 處理時的 1/5-1/10，從而減少了再生劑用量，降低了運(yùn)行費(fèi)用，也有利于環(huán)境保護(hù)。