陕西神木化学工业有限公司为60万吨/年煤制甲醇企业, 一期动力装置配套建设的3台自然循环煤粉锅炉, 3台锅炉主要为一期空分装置及1#汽轮机发电机提供驱动用3.92MPa蒸汽汽源。二期动力装置配套建设的2台自然循环煤粉锅炉, 2台锅炉主要为二期空分装置及2#汽轮机发电机提供驱动用9.81MPa蒸汽汽源。同时, 变换装置和合成装置还有8个废热锅炉, 回收生产过程中产生的余热。
1 锅炉炉水主要指标及其影响
1.1 主要指标
溶解固形物:溶解固形物是指溶解于水中的各种盐类, 在105℃-l1O℃不挥发性盐类含量的总和。溶解固形物是判断水质好坏的一个重要指标, 值越大说明水质越差。当水中溶解固形物值过高时, 用作锅炉给水, 易造成锅炉汽、水共腾和锅炉腐蚀。因此, 锅炉给水的溶解固形物值必须控制在一定的范围内[1]。
p H值:是表示水呈酸碱性强弱的一项指标。锅炉水则要求p H值控制在10-12之间。这是根据p H值对水中其它杂质的存在形态和各种水质控制过程以及水对金属的腐蚀程度有密切的关系而确定的一项指标, 是最重要的水质指标之一[2]。
在锅炉正常运行的情况下, 炉水的p H值过高或过低对锅炉腐蚀都有影响。①在低p H值 (p H<9) 的情况下, 水对钢材的腐蚀加快, 因为H+起了去极化作用。而且此时的腐蚀产物都是可溶的, 不易生成保护膜。②炉水中PO3-与硅酸盐的反应, 是在p H值足够高的情况下, 才能生成容易通过排污排除的杂质。③炉水保持适当的p H值, 也有利于抑制炉水中硅酸盐的水解, 减少硅酸在蒸汽 (特别是高压蒸汽) 中的溶解性携带量。④当炉水p H值过高, 如p H>13时, 不但容易引起碱性腐蚀, 而且还可能使炉水产生泡沫而影响蒸汽品质[2]。
磷酸根:是防止锅炉给水中的残余硬度在锅炉受热面上结垢。向炉水中加入一定量的磷酸三钠, 使炉水中维持一定量的磷酸根。炉水中的钙离子与磷酸根会生成碱式磷酸钙可随锅炉排污排除, 且不会粘附在锅炉内形成二次水垢, 同时保持炉水p H值防止腐蚀。
炉水中磷酸根含量不应太高。太高, 不仅随排污水排出的药量会增多, 而且会引起以下不良后果:①增加炉水含盐量, 从而影响蒸汽品质。②生成Mg3 (P04) 2随给水进入炉内, 虽然可以随炉水的排污去除。但是当炉水中P043-含量过高时, 由于Mg3 (P04) 2在高温水中的溶解度很小, 则Mg2+会与P043-生成Mg3 (P04) 2, 易黏附在锅炉管内形成二次水垢。③造成锅炉水含铁量较大, 会生成少量的磷酸盐铁垢[3]。
1.2 水质不良对锅炉的主要危害
结垢:水垢的导热性极差, 其导热率仅为锅炉钢板的1%左右。由于严重影响了锅炉的热传导, 因此必须靠提高炉膛温度来保证蒸发量。锅炉的进煤量和鼓、引风量都要被迫加大, 排烟的热损失增加, 煤中的同定炭燃烧不充分, 锅炉处于不良的燃烧状态, 锅炉的热效率大幅降低。
腐蚀:由于水质不良引起的锅炉腐蚀主要有以下两种: (1) 氧腐蚀:其特点是局部的点状腐蚀, 穿透性非常强, 对锅炉的安全运行危害极大。 (2) 苛性脆化:是由于锅水碱度长期过高所至, 其危害是破坏了金属的内部结构.使锅炉金属的强度降低。
汽水共腾:汽水共腾现象是由于锅水中的溶解固形物及油脂、有机物等成分过高引起。其主要危害是蒸汽受到严重污染, 甚至造成不能使用;水位计内出现气泡, 不能正常显示锅炉水位, 水位自控系统完全失灵, 对锅炉的安全危害极大[4]。
2 原因分析
2.1 数据分析
2013年-2014年4、5月份锅炉水、汽控制指标实际运行数据进行统计分析, 发现锅炉给水p H值、Si O2指标合格率严重偏低。2013年给水p H值指标合格率最低8.2%, 最高48.91%;2014年给水p H值指标合格率最低19.67%, 最高66.67%。2013年给水Si O2指标合格率最低28.26%, 最高44.26%;2014年给水Si O2指标合格率最低14.75%, 最高61.18%。
锅炉过热蒸汽指标分析:2013年过热蒸汽Si O2指标合格率最低51.37%, 最高86.89%;2014年过热蒸汽Si O2指标合格率最低56.28%, 最高89%。
从给水、蒸汽指标对比分析得出:随着给水指标合格率的降低, 蒸汽中Si O2指标合格率也呈下降趋势。
从废热锅炉指标分析:废热锅炉炉水PO43-指标合格率高, p H值指标合格率就高;p H值指标合格率高, Si O2指标合格率大部分也高;存在的个别PO43-、p H值指标合格率高, 而Si O2指标合格率低, 其原因是排污量小, 没有将硅酸盐 (由于p H高, 硅酸化合物大多转化为硅酸盐溶解在炉水中) 及时排出系统。
2.2 锅炉炉水Si O2、PO43-、p H值三项控制指标关系
锅炉炉水中的硅酸化合物一部分是溶解态的硅酸盐, 另一部分是溶解态的硅酸 (如H2Si O3、H2Si O5、H4Si O4等) 。从锅炉中送出的蒸汽具有溶解携带效应, 蒸汽压力愈高, 溶解能力愈大。蒸汽中的硅酸化合物来源于锅炉水, 但蒸汽中硅酸化合物的形态与锅炉水中硅酸化合物的形态不一致, 因为蒸汽对硅酸化合物的溶解性是不一样的, 它主要是溶解硅酸, 对硅酸盐的溶解能力很小。因此, 在蒸汽中的硅酸化合物, 绝大部分是H2Si O3、H2Si O5、H4Si O4等。在锅炉水中, 硅酸与硅酸盐之间处于水解平衡状态:
由以上的水解平衡来看, 当提高锅炉炉水的p H值时, 平衡将向生成硅酸盐的方向移动, 使锅炉炉水中的硅酸减少, 因此蒸汽中硅酸的溶解量也随之减少;同时, 锅炉炉水中硅酸盐增加, 通过排污排出系统。
当锅炉炉水的p H值低时, 平衡向生成硅酸的方向移动, 当携带大量硅酸的蒸汽对透平作功, 温度、压力迅速降低, H2Si O3或H2Si2O5等硅酸会发生失水作用而成为Si O2, 在叶片和蒸汽流通叶面上沉积下来。所以锅炉炉水中硅酸化物的形态决定于锅炉水的p H值[5]。
磷酸三钠主要作用并不是用来提高p H值的, 但在公司脱盐水p H值不稳定的情况下, 动力锅炉、装置废锅无法有效调节p H值时, 只有使用磷酸三钠对炉水p H值起到调节作用, 作为辅助功能来调节炉水p H值。锅炉炉水Si O2、PO43-、p H值三项控制指标的因果关系是炉水中PO43-高, 炉水中p H值高, 炉水中硅酸化合物主要以硅酸盐形式存在, 蒸汽中硅酸携带量小, 进而使蒸汽冷凝液中Si O2量减少;锅炉炉水中硅酸盐生成量大, 炉水中Si O2高, 通过排污将高Si O2炉水排出系统后, 使锅炉炉水中Si O2保持在一个合理指标内。锅炉炉水从总量上硅酸化合物得到控制, 相应蒸汽中携带的硅酸化合物就低, 从而良好的控制锅炉水、汽指标。
3 我公司锅炉、废锅水、汽系统控制指标超标的原因
在工艺设计中, 锅炉、废热锅炉用定排、连排维持炉水中Si O2含量在一个合理指标之内。为了保证炉水水质合格, 机组在运行中必须从锅炉汽包中连续和定期地排除一部分炉水, 称为连续排污和定期排污.连续排污的目的是防止炉水中的含盐量和含硅量过高, 清除炉水中细微的或悬浮的水渣等杂质.连续排污量过小时, 炉水中的含盐量和含硅量可能会超过容许值, 水渣有可能增加, 这会引起炉管积垢、腐蚀、堵塞, 并导致蒸汽品质不良, 危及锅炉、汽轮机的安全经济运行。连续排污量过大时, 大量的高温高压炉水被排掉, 势必造成不必要的热量和工质损失。为了在运行中合理地进行排污, 有必要掌握炉水水质随各种影响因素变化的规律, 特别是随连续排污量变化的规律。
2013-2014年, 随着生产负荷提高, 锅炉出力也相对增大, 锅炉结焦造成炉膛温度升高, 加之排污未相应增大, 破坏了炉水Si O2≤2mg/L的设计平衡, 含高Si O2的蒸汽冷凝液反复循环使用, 长期运行使炉水系统中Si O2不断积聚, 导致整个炉水系统Si O2大面积超标, 且持高不下。冬季, 由于有采暖伴热的存在 (伴热蒸汽冷凝液现场排放) , 相当于增加了锅炉、废热锅炉水的排污量, 使锅炉、废热锅炉水及冷凝液系统中Si O2含量相对维持在一个较低的平衡中;而夏季来临后, 由于无伴热的存在, 相当于减少了锅炉、废锅排污量, Si O2排不出系统, 就出现了给水、炉水、冷凝液、蒸汽中Si O2大面积超标现象。每一次超标后, 通过开大排污等措施处理正常后, 过一段时间又出现此类现象。从2013-2014年运行统计分析, 夏季每两个月就会出现锅炉水、汽控制指标大面积超标现象。蒸汽系统积盐, 锅炉再热器、过热器中也必将积盐, 造成过热器、再热器管道的换热不良, 引起管壁金属蠕变、鼓包, 以至爆管;蒸汽系统阀门发生积盐, 会造成阀门卡涩。如果造成主汽门、调门等重要阀门卡涩, 将会引起重大设备事故;汽轮机积盐, 其通流部分由于沉积物的存在, 会使蒸汽的流道变小及表面光洁度变差, 这不仅会使机组的效率下降, 而且会增加推力轴承负荷, 加速叶片腐蚀。
3.1 给水、炉水、冷凝液中的Si O2超标原因
磷酸三钠加药量小, 导致给水、炉水、冷凝液中p H值较低, 炉水中硅酸盐生产量小, Si O2不能有效排出系统;且由于p H较低, 生产的硅酸量大, 大量硅酸随蒸汽在在汽轮机做功后脱水形成Si O2在整个炉水、冷凝液中打了循环, 排不出系统。
炉水排污量不足, 直接导致, Si O2排不出系统, 在炉水、冷凝液中长期积聚。排污量不足造成另一个假象是PO43-虚高。排污量跟不上, 炉水中PO43-也不断积累, 造成PO43-指标看似正常, 而p H值不正常。
3.2 蒸汽中的Si O2、Na+超标原因
由于p H值在较低指标长期运行, 炉水中Si O2呈不溶性胶体硅 (硅酸) , 不能随排污排出系统, 而且随压力、温度升高被蒸汽带走 (p H值越低, 蒸汽带走越多) , 进入汽轮机做功降温, 一部分在汽轮机叶轮结垢, 一部分随冷凝液进入锅炉、废热锅炉给水, 反复使用。
汽包液位偏高, 汽液分离不彻底, 炉水中部分Si O2、Na+被蒸汽带走。
炉膛温度过高, 造成过热器温度高, 最终造成主蒸汽温度高, 为控制主蒸汽温度不得不加大减温水用量。而蒸汽减温水采用未经加药、排污处理的, 含Si O2、Na+较高的给水, 这部分水直接加入蒸汽造成蒸汽中Si O2、Na+超标。
3.3 调整措施
锅炉水、汽PO43-、Si O2、p H值三项控制指标, 控制Si O2、p H值是最终目的, 而控制PO43-是控制Si O2、p H值的保障。所以, 首先要控制PO43-, PO43-得到控制炉, 炉水中p H值就得到控制;p H值就得到控制, 炉水中硅酸化合物就大多转化为以硅酸盐形式存在, 再配合排污手段将Si O2排出系统, 达到控制锅炉水、汽指标Si O2的目的。从2012-2014年大量分析数据可以看出:炉水PO43-控制在6 mg/L以上, p H值基本可以在9以上运行, 此时炉水、蒸汽中Si O2可以满足指标要求。
从理论分析来看, 要控制好锅炉水、汽控制指标, 一是要控制好给水系统 (脱盐水、冷凝液) 指标;二是锅炉自身要加强炉水、蒸汽指标的控制。
①、废热锅炉水、汽控制措施
变换废锅、合成废锅PO43-控制指标由≤15 mg/L, 按国标调整为7-30mg/L, 以保障低压蒸汽p H值在9-11。
增加变换废锅、合成废锅炉水定排频次 (1次/班调整为2-3次/班) , 按废锅给水的1-2%对废锅进行排污操作, 将废锅炉水中的硅酸盐排出系统, 以保障废锅炉水Si O2≤2mg/L, 进而保障废锅及锅炉给水指标。
②、锅炉水、汽控制措施
锅炉炉水PO43-控制指标由2-10mg/L, 调整为6-10mg/L;以保障锅炉炉水p H值在9-11。
增加锅炉炉水定排频次 (1次/天调整为1次/班) , 按锅炉给水的1-2%对锅炉炉水进行排污操作, 将锅炉炉水中的硅酸盐排出系统, 以保障锅炉炉水中Si O2≤2mg/L, 进而保障锅炉水、汽控制指标。
加强锅炉吹灰操作, 控制锅炉出力不超负荷, 控制锅炉汽包液位低指标运行, 以保证炉膛温度≤750℃, 提高锅炉水、汽分离效果, 从而保障锅炉蒸汽中Na+≤5ug/L、Si O2≤20ug/L。
4 积极效果
根据以上措施进行调整后, 2015年4、5月份锅炉汽水工艺指标合格率有了明显提升, 高压蒸汽二氧化硅100%;汽包炉水p H100%;汽包炉水二氧化硅100%;汽包炉水磷酸根99%。通过全厂锅炉水、汽控制指标优化确保了锅炉、汽轮机组的安全、长周期稳定运行。
摘要：工业锅炉是一种常见的热交换设备.其工作原理就是通过燃料产热把热量传递给水, 使其产生水蒸气, 所以水质的好坏直接关系到锅炉的安全运行。目前在工业锅炉的运行中, 受水质的影响, 受热面结垢现象比较普遍, 这不仅增加了煤和电的使用量, 降低了锅炉传热效率, 还造成了锅炉和管道的腐蚀, 甚至能导致爆炸事故的发生。所以工业锅炉水处理工作具有十分重要的现实意义。本文主要以该公司二期锅炉装置为例, 探讨了夏季锅炉、废热锅炉水、汽控制指标超标原因及解决措施。
关键词：锅炉,蒸汽,炉水,pH值,磷酸根
参考文献
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