超临界直流锅炉的汽水品质

超临界直流锅炉的汽水品质

超临界锅炉多为直流锅炉。直流锅炉由于没有带有汽水分离功能的汽包，并且无锅炉的排污，使给水中的杂质随同蒸汽直接进入汽轮机或沉淀在锅炉的受热面上，因此，直流锅炉的给水品质要求高。给水中所含盐分在进入锅炉后的溶解、沉淀及腐蚀问题称为锅炉的热化学问题。

直流锅炉的汽水品质是影响锅炉、汽轮机等热力设备安全及经济运行的重要因素之一。锅炉产生的蒸汽不仅要符合设计规定的压力和温度，而且还要达到规定的品质指标。蒸汽的品质是指蒸汽中杂质含量的多少，也就是指蒸汽的清洁程度。蒸汽中的杂质包括气体杂质和非气体杂质。蒸汽中常见的气体杂质有O2、N2、CO2、NH3等，气体杂质若处理不当，可能引起金属腐蚀，且CO2还可参与沉淀过程。

蒸汽中的非气体杂质主要有钠盐、硅酸盐等，蒸汽含有非气体杂质又称蒸汽含盐。含有杂质的蒸汽通过过热器时，一部分杂质将沉积在过热器管内，影响蒸汽的流动和传热，使管壁温度升高，加速钢材蠕变甚至超温爆管。过热蒸汽中的含盐还可能沉积在管道、阀门、汽轮机叶片上，如果沉积在蒸汽管道的阀门处，会使阀门动作失灵；如果沉积在汽轮机的叶片上，将使得叶片表面粗糙、叶型改变和通流截面减小，导致汽轮机效率和出力降低，轴向推力增大，严重时还会影响转子的平衡而造成更大事故。

为了预防热力设备金属的结垢、积盐和腐蚀，直流锅炉的给水主要由汽轮机的凝结水加少量的补给水组成。为了确保给水品质，除补给水须高度精制外，凝结水也须进行除盐处理，并除去其中铜和铁的悬浮物。对凝汽器除选用合适的管材外，还需对冷却水管和凝汽器采用适当的防腐措施。对于新建或运行中的锅炉还需进行酸洗或定期冲洗，以保持锅炉管系内部的清洁，并做好停炉保养工作。

第一节锅内盐分的溶解与杂质的沉淀

在直流锅炉中，由给水带入的盐分随过热蒸汽进入汽轮机，或沉淀在锅炉受热面上。

盐分平衡方程式可用式(12—1)表示

S fw=S s+S d (12—1)

式中Sfw——给水含盐量，mg／kg或~g／kg；

Ss——蒸汽含盐量，mg／kg或>g／kg；

Sd——每千克水中沉淀在锅炉受热面上的盐量，mg／kg或~tg／kg。

一. 锅内盐分的溶解

1.盐类在过热蒸汽中的溶解度

在一定温度和压力下，某种物质(溶质)在100g溶剂里达到饱和溶液时所溶解的克数被称为该物质在这种溶液里的溶解度。

由给水带入锅内的杂质包括钠化合物、钙化合物、镁化合物、硅酸化合物及金属腐蚀产物等。这些杂质在过热蒸汽中的溶解度与过热蒸汽的参数有关，如图12—1～图12—6所示。从图中可见，蒸汽压力越高，各盐类在蒸汽中的溶解度越大。

图12—1 NaCl在过热蒸汽中的溶解度

SiO2在过热蒸汽中的溶解度如图7—7所示，从图中可见，SiO2在过热蒸汽中的溶解度很大，并且溶解度会随蒸汽压力的增大而增大。

根据各盐类在过热蒸汽中的溶解度大小(如以绝对压力20MPa为例)，可将盐分分为三类：①易溶盐类，如SiO2、NaCl、KCl等，溶解度可达到几十毫克/千克；②中等溶解度盐类，如CaCl2、MgCl2等，溶解度约为几毫克/千克；③难溶盐类，如Na2S04、Na3P04、Na2Si03、CaSO4、Ca(OH)2等，溶解度很小，仅百分之几到千分之几毫克/千克。

盐类在过热蒸汽中的溶解特性

根据有关的试验数据，直流锅炉的过热蒸汽对盐类的溶解具有下列特性：

(1)蒸汽对不同盐类的溶解能力是不同的，即蒸汽的溶盐具有选择性。

(2)蒸汽的溶盐能力随压力的升高而增大，高压、超高压蒸汽中各盐类的溶解度顺序与超临界蒸汽中各盐类的溶解度顺序相同，但溶解度值小很多。

(3)对于难溶盐类[Na2SO4、Na3PO4、Na2SiO3、CaSO4、Ca(OH)2等]，由于溶解度很小，当达到超临界压力以上时，仍很少被蒸汽带走。

(4)在超临界压力范围内，各盐类在相变点前的工质(水)中的溶解度大于在相变点后过热蒸汽的溶解度，并在相变区内发生溶解度的突变，这是由于超临界压力下相变区工质密度的剧烈下降所引起的。

二. 直流锅炉锅内的杂质沉淀

1. 杂质在直流锅炉内的沉淀特性

在直流锅炉内给水中各杂质的沉淀特性不同，有些容易沉积在受热面中，有的不易沉积而被蒸汽带走。

(1)钠化合物的沉淀特性。NaCI在蒸汽中的溶解度很大，它易被蒸汽溶解并带往汽轮机中，很少沉积在直流锅炉内；Na2SO4在蒸汽中的溶解度很小，很少被蒸汽带走，主要沉积在锅炉内；NaOH在蒸汽中的溶解度较大，但由于它能与管壁上的金属氧化物作用生成亚铁硫酸钠，所以也可能部分沉积在直流锅炉中。

(2)钙化合物与镁化合物。CaSO4在蒸汽中的溶解度很小，在压力低于超临界的直流锅炉中，给水带入的杂质几乎全部沉积在锅内；CaCl2在高温蒸汽中会水解，生成Ca(0H)2、CaO、HCl、Ca(ClO)2，CaCO3在高温蒸汽中分解，生成Ca(0H)2，Ca(0H)2进一步生成CaO，Ca(0H)2与CaO在蒸汽中的溶解度很小，被蒸汽带走的量很小，大部分沉积在锅内；各种镁盐几乎

全部沉积在锅内，由于镁盐在高温蒸汽中会发生水解，沉积物的形式为Mg(OH)2和MgCO3•2H2O。

(3)硅酸化合物。给水中硅酸化合物在蒸汽中的溶解度很大，通常不在直流锅炉中沉积，给水中所含有的硅酸化合物几乎全部被蒸汽带进汽轮机。

(4)金属腐蚀产物。给水中的金属产物主要为铜、铁的氧化物。铜的氧化物在过热蒸汽中的溶解度如图12—8所示。在压力低于16.66MPa的直流锅炉中，铜的氧化物在过热蒸汽中的溶解度很小，因此在亚临界和低于亚临界压力的直流锅炉中，给水中铜的氧化物主要沉积在锅内。而在超临界压力锅炉中，铜的氧化物在蒸汽中的溶解度较大，因此锅炉给水中的铜化合物主要被蒸汽带人汽轮机中，并沉积在其中。

铁的氧化物在过热蒸汽中的溶解度见表7—1。

表12—1 铁的氧化物在过热蒸汽中的溶解度

蒸汽压力p(Mpa) 23.52 12.74 8.82 0.02 0.044 0.025

蒸汽温度(℃) 580 565 535 120 80 70

铁在蒸汽中的溶解度(μg/kg) 13.8 10 8.5 9.5 6.8 5.5

从表12—1可见，铁的氧化物在过热蒸汽中的溶解度很小。随着蒸汽压力的增高，铁的氧化物在蒸汽中的溶解度有所增加。并且当蒸汽压力一定时，随着过热蒸汽温度的提高，铁的氧化物在蒸汽中的溶解度降低。由于被过热蒸汽带走的铁的氧化物量很小，因此当给水含铁量增加时，沉积在锅内的铁量增加。

在超临界压力锅炉(p=24.5MPa，t =550度)中，铁的沉积量与给水含铁量的关系如图12—9所示。

2. 影响杂质沉积过程的因素

影响杂质沉积过程的因素包括：各杂质在给水中的含量、各杂质在蒸汽中的溶解度、各杂质在锅内发生的物理化学变化、各杂质在高温水中的溶解度、锅炉运行工况、蒸发管的热负荷及管内传质过程。

(1)杂质在高温水中的溶解度。在高温水中，钙盐、镁盐及硫酸钠的溶解度随水温的升高而降低。直流锅炉的参数越高，水中杂质越容易达到饱和浓度，在蒸汽湿分较高区，杂质可能析出成为沉积物。在高温水中溶解度很小的杂质，当其在给水中的含量较高时，有可能沉积在沸点以前的炉管中。

各杂质在水中的溶解度不同，它们在给水中的含量也不同，在实际运行中，不同杂质达到饱和温度浓度的次序不同，使得杂质的沉积过程很长。

(2)蒸发管的热负荷及管内传质过程。在热负荷高的蒸发管内，靠管壁的液流边界层因受热强烈而温度较高，在这里由于水的急剧蒸发使杂质很快达到饱和浓度，此时管道截面中心处仍有大量水分，但在管壁上已有沉积物析出。此后液流中心的含杂质的水分不断向边界层运动并被蒸干，其中有些杂质就陆续析出。因此，热负荷越高的蒸发管，析出沉积物的过程越早；而热负荷越低的蒸发管，析出沉积物的过程越晚。由于炉膛内各部分的热负荷分布不均匀，因此不同蒸发管内的沉积过程不同。

另外：上述过程还可能使一些在给水中含量小于它在蒸汽中溶解度的杂质，也能在炉管中析出。

(3)锅炉运行工况。直流锅炉运行工况的变化会影响杂质的沉积过程。由于直流锅炉预热段、蒸发段、过热段间无明显界限，运行工况的变化会使蒸发区的末端会前后移动，例如当燃烧工况变化使蒸发管的热负荷降低时，预热区和蒸发区延长，蒸发区的末端向前移动，可能溶解先前沉积在管壁上的钠盐，带入在工况变化前是过热区的管内。在那里水分被蒸于，一部分钠盐又沉积在管壁上，另一部分被蒸汽溶解带走。当燃烧工况恢复正常后，这部分沉积在过热区的钠盐会陆续被过热蒸汽溶解带走。因此，锅炉工况的变化可使本已沉积在炉管