以空氣作為加氧介質(zhì)的全保護(hù)加氧處理安全性及經(jīng)濟(jì)性研究

李朋佳，李 鵬，付 強(qiáng)

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.江西贛能股份有限公司豐城二期發(fā)電廠，江西上饒 331100；3.國(guó)家能源博興發(fā)電有限公司，山東濱州 256500）

0 引言

700 MW超臨界機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，給水系統(tǒng)化學(xué)水工況采用加氧處理OT（oxygenated treatment）時(shí)[1-2]，可以有效抑制流動(dòng)加速腐蝕現(xiàn)象，降低鍋爐結(jié)垢速率，抑制水冷壁節(jié)流孔和高壓加熱器（以下簡(jiǎn)稱“高加”）疏水調(diào)閥堵塞[3-5]，延長(zhǎng)精處理運(yùn)行周期，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[6-7]。在進(jìn)行傳統(tǒng)加氧工藝研究后，曹杰玉等[8]提出全保護(hù)加氧處理技術(shù)及裝置，以空氣作為加氧介質(zhì)，目的是使管道內(nèi)壁表面生成一層致密的Fe2O3保護(hù)膜，能夠?qū)λ到y(tǒng)管道和熱力設(shè)備起到非常好的鈍化保護(hù)作用，不但安全有效地解決了流動(dòng)加速腐蝕所帶來(lái)的一系列問(wèn)題，而且對(duì)給水系統(tǒng)pH值進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整后取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 全保護(hù)加氧工藝及設(shè)備

全保護(hù)加氧技術(shù)是利用高壓空氣壓縮機(jī)將空氣凈化、增壓、貯存到特制儲(chǔ)氣瓶中作為氣源，然后向給水中精確加入一定濃度壓縮空氣，使管道內(nèi)壁金屬表面形成Fe3O4+Fe2O3的雙層氧化膜，達(dá)到給水系統(tǒng)防腐鈍化要求，維持蒸汽中基本無(wú)氧，避免蒸汽中較高濃度的氧可能促進(jìn)蒸汽管道氧化皮剝落的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)向高加汽側(cè)單獨(dú)加氧以解決高加疏水系統(tǒng)的流動(dòng)加速腐蝕問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)水汽系統(tǒng)熱力設(shè)備的全面保護(hù)。全保護(hù)自動(dòng)加氧裝置包含低壓自動(dòng)加氧裝置和高壓自動(dòng)加氧裝置。低壓自動(dòng)加氧裝置用于實(shí)現(xiàn)低壓給水系統(tǒng)（凝結(jié)水泵入口至除氧器入口）的自動(dòng)加氧，高壓自動(dòng)加氧裝置用于同時(shí)實(shí)現(xiàn)高壓給水系統(tǒng)（除氧氣下降管至水冷壁）、高加疏水系統(tǒng)的自動(dòng)加氧。

2 全保護(hù)加氧裝置的安全性

孟龍等[9]提出全保護(hù)加氧裝置以空氣作為加氧介質(zhì)，當(dāng)供氣壓力達(dá)到10～13 MPa時(shí)氧氣分壓仍然小于3 MPa，能夠達(dá)到《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》（GB 16912—2008）的規(guī)定，而且空氣中其他成分不會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生影響，使得高壓氧氣能夠安全、連續(xù)地加入到高壓加熱器汽側(cè)[10]。

2.1 空氣中CO2對(duì)加氧安全性影響的研究

2.1.1 空氣中CO2對(duì)pH值的影響

空氣中CO2對(duì)pH值的影響如表1所示。由表1可知，當(dāng)高加疏水pH值為8.8～9.2、氧質(zhì)量濃度為0～100μg/L時(shí)，由于空氣引入CO2導(dǎo)致的pH值變化最大為-0.000 29，遠(yuǎn)低于pH表檢測(cè)限0.01。所以，采用空氣加氧對(duì)pH值的影響可完全忽略不計(jì)。

表1 CO2對(duì)pH值的影響

2.1.2 空氣中CO2對(duì)氫電導(dǎo)率的影響

空氣中CO2對(duì)氫電導(dǎo)率的影響如表2所示。由表2可知，當(dāng)高加疏水pH值為8.8～9.2，氧氣的質(zhì)量濃度為0～100μg/L時(shí)，由于空氣引入CO2導(dǎo)致的氫電導(dǎo)率變化值最大為0.000 235μS/cm，遠(yuǎn)低于氫電導(dǎo)率表檢測(cè)限0.001μS/cm。所以，采用空氣加氧對(duì)氫電導(dǎo)率的影響可完全忽略不計(jì)。

表2 CO2對(duì)氫電導(dǎo)率的影響

2.2 空氣中N2對(duì)機(jī)組傳熱效率的影響

空氣中N2對(duì)機(jī)組傳熱效率的影響如表3所示。首先，N2化學(xué)性質(zhì)不活潑，不與碳鋼反應(yīng)，不腐蝕熱力設(shè)備。其次，從表3可看出，N2的定壓比熱容和氧氣相當(dāng)，選用空氣作為加氧介質(zhì)時(shí)，帶入的N2量不會(huì)影響機(jī)組傳熱效率。所以，空氣中N2對(duì)加氧沒有任何影響。

表3 氣體定壓比熱容

2.3 空氣中SO2對(duì)水質(zhì)的影響

《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）規(guī)定，對(duì)于工業(yè)區(qū)要求SO21 h平均質(zhì)量濃度限值為500μg/m3，已知空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)為20.95%，假設(shè)空氣體積為1 m3，則O2的體積為0.209 5 m3，已知標(biāo)準(zhǔn)情況下O2的質(zhì)量濃度為1.43 g/L，則1 m3空氣中氧的質(zhì)量為1.43×209.5=300 g。所以在滿足環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的情況下，空氣中SO2與O2的質(zhì)量比最大為500×10-6∶300=1∶600 000。比如高加疏水中氧的質(zhì)量濃度為100μg/L時(shí)，由于空氣引入的SO2質(zhì)量濃度最大為1.67×10-4μg/L，根據(jù)SO2的溶解度可知此濃度的SO2可以完全溶解，當(dāng)高加疏水的pH值控制在8.8～9.2時(shí)，對(duì)應(yīng)的氨質(zhì)量濃度為145.5～510.6μg/L，是SO2質(zhì)量濃度的87 157～3 057 485倍，即使溶于水的SO2全部氧化為硫酸，如此微量的硫酸對(duì)水質(zhì)的影響可完全忽略不計(jì)。

2.4 空氣中PM2.5對(duì)水質(zhì)的影響

《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）規(guī)定，對(duì)于工業(yè)區(qū)而言，PM2.5在24 h內(nèi)平均質(zhì)量濃度限值為75μg/m3，已知1 m3空氣中氧氣的質(zhì)量為300 g，所以在滿足環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)情況下，空氣中PM2.5與氧氣的質(zhì)量比最大為75×10-6∶300=1∶4 000 000。當(dāng)高加疏水中氧氣的質(zhì)量濃度為100μg/L時(shí)，由于空氣引入PM2.5的質(zhì)量濃度最大為2.5×10-5μg/L，如此微量的PM2.5對(duì)水質(zhì)的影響可完全忽略不計(jì)。

綜上所述，空氣中除了氧氣以外其他成分對(duì)水質(zhì)和加氧造成的影響可完全忽略不計(jì)，所以全保護(hù)加氧設(shè)備利用壓縮空氣作為加氧介質(zhì)的安全性更高。

2.5 加氧轉(zhuǎn)化前后蒸汽無(wú)氧

某電廠實(shí)施全保護(hù)加氧前后蒸汽系統(tǒng)氧含量情況變化如圖1所示。由圖1可知，通過(guò)全保護(hù)加氧設(shè)備實(shí)施加氧后蒸汽系統(tǒng)仍然保持無(wú)氧狀態(tài)，很好地避免了蒸汽系統(tǒng)見氧可能引起氧化皮剝落的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 加氧轉(zhuǎn)化前后主蒸汽溶解氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線圖

3 全保護(hù)加氧設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性

電廠采用全保護(hù)加氧設(shè)備及工藝實(shí)施加氧后，給水系統(tǒng)pH值可以降低到8.9～9.1，隨之可以帶來(lái)相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 機(jī)組概況

某廠700 MW超臨界燃煤機(jī)組使用的是東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的SG2102/25.4-M959超臨界、變壓直流鍋爐，采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置，鍋爐整體呈“Π”型結(jié)構(gòu)。機(jī)組于2007年5月13日通過(guò)168 h試運(yùn)行，機(jī)組設(shè)計(jì)化學(xué)水工況為啟動(dòng)時(shí)氧化性全揮發(fā)處理和正常運(yùn)行時(shí)加氧處理，2020年9月開始實(shí)施全保護(hù)加氧處理。

3.2 實(shí)施全保護(hù)加氧前后經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

a）實(shí)施全保護(hù)加氧處理前精處理系統(tǒng)再生費(fèi)用及鍋爐化學(xué)清洗費(fèi)用。電廠實(shí)施全保護(hù)加氧處理前，給水pH控制平均值9.27左右，大約3 a需要進(jìn)行1次鍋爐酸洗，酸洗費(fèi)用約120萬(wàn)元，1 a再生所需的氨水、再生用酸、堿、除鹽水費(fèi)用和鍋爐酸洗費(fèi)用共計(jì)約95.20萬(wàn)元，具體情況如表4所示。

表4 全保護(hù)加氧前精處理系統(tǒng)再生費(fèi)用及鍋爐酸洗費(fèi)用

b）實(shí)施全保護(hù)加氧處理后精處理系統(tǒng)再生費(fèi)用。電廠實(shí)施全保護(hù)加氧處理后，給水pH控制平均值9.0左右，大約6 a需要進(jìn)行一次鍋爐酸洗，酸洗費(fèi)用約120萬(wàn)元，機(jī)組1 a再生所需的氨水、再生用酸、堿、除鹽水費(fèi)用約為42.43萬(wàn)元，具體情況如表5所示。

表5 全保護(hù)加氧后精處理系統(tǒng)再生費(fèi)用及鍋爐酸洗費(fèi)用

通過(guò)表4、表5計(jì)算可知，實(shí)施全保護(hù)加氧后機(jī)組1年節(jié)約費(fèi)用52.77萬(wàn)元，如果算上再生時(shí)的電費(fèi)、壓縮空氣費(fèi)用、人力成本以及再生廢液處理成本等，節(jié)約產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將更多。由此可見，通過(guò)全保護(hù)加氧設(shè)備及工藝實(shí)施加氧處理后，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

以空氣作為加氧介質(zhì)不但能夠安全有效地抑制給水系統(tǒng)及高加疏水系統(tǒng)的流動(dòng)加速腐蝕，而且加氧前后蒸汽系統(tǒng)氧含量不變，不存在加氧促進(jìn)氧化皮剝落的風(fēng)險(xiǎn)，獲得顯著的安全性，且加氧處理工況可以大幅延長(zhǎng)精處理混床的運(yùn)行周期和鍋爐酸洗周期，具有較好的直接經(jīng)濟(jì)效益。