以空气作为加氧介质的全保护加氧处理安全性及经济性研究

李朋佳，李 鹏，付 强

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.江西赣能股份有限公司丰城二期发电厂，江西上饶 331100；3.国家能源博兴发电有限公司，山东滨州 256500）

0 引言

700 MW超临界机组在运行过程中，给水系统化学水工况采用加氧处理OT（oxygenated treatment）时[1-2]，可以有效抑制流动加速腐蚀现象，降低锅炉结垢速率，抑制水冷壁节流孔和高压加热器（以下简称“高加”）疏水调阀堵塞[3-5]，延长精处理运行周期，提高机组运行的安全性和经济性[6-7]。在进行传统加氧工艺研究后，曹杰玉等[8]提出全保护加氧处理技术及装置，以空气作为加氧介质，目的是使管道内壁表面生成一层致密的Fe2O3保护膜，能够对水汽系统管道和热力设备起到非常好的钝化保护作用，不但安全有效地解决了流动加速腐蚀所带来的一系列问题，而且对给水系统pH值进一步优化调整后取得了显著的经济效益。

1 全保护加氧工艺及设备

全保护加氧技术是利用高压空气压缩机将空气净化、增压、贮存到特制储气瓶中作为气源，然后向给水中精确加入一定浓度压缩空气，使管道内壁金属表面形成Fe3O4+Fe2O3的双层氧化膜，达到给水系统防腐钝化要求，维持蒸汽中基本无氧，避免蒸汽中较高浓度的氧可能促进蒸汽管道氧化皮剥落的风险，同时向高加汽侧单独加氧以解决高加疏水系统的流动加速腐蚀问题，实现水汽系统热力设备的全面保护。全保护自动加氧装置包含低压自动加氧装置和高压自动加氧装置。低压自动加氧装置用于实现低压给水系统（凝结水泵入口至除氧器入口）的自动加氧，高压自动加氧装置用于同时实现高压给水系统（除氧气下降管至水冷壁）、高加疏水系统的自动加氧。

2 全保护加氧装置的安全性

孟龙等[9]提出全保护加氧装置以空气作为加氧介质，当供气压力达到10～13 MPa时氧气分压仍然小于3 MPa，能够达到《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》（GB 16912—2008）的规定，而且空气中其他成分不会对机组产生影响，使得高压氧气能够安全、连续地加入到高压加热器汽侧[10]。

2.1 空气中CO2对加氧安全性影响的研究

2.1.1 空气中CO2对pH值的影响

空气中CO2对pH值的影响如表1所示。由表1可知，当高加疏水pH值为8.8～9.2、氧质量浓度为0～100μg/L时，由于空气引入CO2导致的pH值变化最大为-0.000 29，远低于pH表检测限0.01。所以，采用空气加氧对pH值的影响可完全忽略不计。

表1 CO2对pH值的影响

2.1.2 空气中CO2对氢电导率的影响

空气中CO2对氢电导率的影响如表2所示。由表2可知，当高加疏水pH值为8.8～9.2，氧气的质量浓度为0～100μg/L时，由于空气引入CO2导致的氢电导率变化值最大为0.000 235μS/cm，远低于氢电导率表检测限0.001μS/cm。所以，采用空气加氧对氢电导率的影响可完全忽略不计。

表2 CO2对氢电导率的影响

2.2 空气中N2对机组传热效率的影响

空气中N2对机组传热效率的影响如表3所示。首先，N2化学性质不活泼，不与碳钢反应，不腐蚀热力设备。其次，从表3可看出，N2的定压比热容和氧气相当，选用空气作为加氧介质时，带入的N2量不会影响机组传热效率。所以，空气中N2对加氧没有任何影响。

表3 气体定压比热容

2.3 空气中SO2对水质的影响

《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）规定，对于工业区要求SO21 h平均质量浓度限值为500μg/m3，已知空气中O2的体积分数为20.95%，假设空气体积为1 m3，则O2的体积为0.209 5 m3，已知标准情况下O2的质量浓度为1.43 g/L，则1 m3空气中氧的质量为1.43×209.5=300 g。所以在满足环境空气质量标准的情况下，空气中SO2与O2的质量比最大为500×10-6∶300=1∶600 000。比如高加疏水中氧的质量浓度为100μg/L时，由于空气引入的SO2质量浓度最大为1.67×10-4μg/L，根据SO2的溶解度可知此浓度的SO2可以完全溶解，当高加疏水的pH值控制在8.8～9.2时，对应的氨质量浓度为145.5～510.6μg/L，是SO2质量浓度的87 157～3 057 485倍，即使溶于水的SO2全部氧化为硫酸，如此微量的硫酸对水质的影响可完全忽略不计。

2.4 空气中PM2.5对水质的影响

《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）规定，对于工业区而言，PM2.5在24 h内平均质量浓度限值为75μg/m3，已知1 m3空气中氧气的质量为300 g，所以在满足环境空气质量标准情况下，空气中PM2.5与氧气的质量比最大为75×10-6∶300=1∶4 000 000。当高加疏水中氧气的质量浓度为100μg/L时，由于空气引入PM2.5的质量浓度最大为2.5×10-5μg/L，如此微量的PM2.5对水质的影响可完全忽略不计。

综上所述，空气中除了氧气以外其他成分对水质和加氧造成的影响可完全忽略不计，所以全保护加氧设备利用压缩空气作为加氧介质的安全性更高。

2.5 加氧转化前后蒸汽无氧

某电厂实施全保护加氧前后蒸汽系统氧含量情况变化如图1所示。由图1可知，通过全保护加氧设备实施加氧后蒸汽系统仍然保持无氧状态，很好地避免了蒸汽系统见氧可能引起氧化皮剥落的潜在风险。

图1 加氧转化前后主蒸汽溶解氧质量分数变化曲线图

3 全保护加氧设备的经济性

电厂采用全保护加氧设备及工艺实施加氧后，给水系统pH值可以降低到8.9～9.1，随之可以带来相当可观的经济效益。

3.1 机组概况

某厂700 MW超临界燃煤机组使用的是东方锅炉股份有限公司生产的SG2102/25.4-M959超临界、变压直流锅炉，采用单炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、露天布置，锅炉整体呈“Π”型结构。机组于2007年5月13日通过168 h试运行，机组设计化学水工况为启动时氧化性全挥发处理和正常运行时加氧处理，2020年9月开始实施全保护加氧处理。

3.2 实施全保护加氧前后经济效益对比

a）实施全保护加氧处理前精处理系统再生费用及锅炉化学清洗费用。电厂实施全保护加氧处理前，给水pH控制平均值9.27左右，大约3 a需要进行1次锅炉酸洗，酸洗费用约120万元，1 a再生所需的氨水、再生用酸、碱、除盐水费用和锅炉酸洗费用共计约95.20万元，具体情况如表4所示。

表4 全保护加氧前精处理系统再生费用及锅炉酸洗费用

b）实施全保护加氧处理后精处理系统再生费用。电厂实施全保护加氧处理后，给水pH控制平均值9.0左右，大约6 a需要进行一次锅炉酸洗，酸洗费用约120万元，机组1 a再生所需的氨水、再生用酸、碱、除盐水费用约为42.43万元，具体情况如表5所示。

表5 全保护加氧后精处理系统再生费用及锅炉酸洗费用

通过表4、表5计算可知，实施全保护加氧后机组1年节约费用52.77万元，如果算上再生时的电费、压缩空气费用、人力成本以及再生废液处理成本等，节约产生的经济效益将更多。由此可见，通过全保护加氧设备及工艺实施加氧处理后，其产生的经济效益非常显著。

4 结束语

以空气作为加氧介质不但能够安全有效地抑制给水系统及高加疏水系统的流动加速腐蚀，而且加氧前后蒸汽系统氧含量不变，不存在加氧促进氧化皮剥落的风险，获得显著的安全性，且加氧处理工况可以大幅延长精处理混床的运行周期和锅炉酸洗周期，具有较好的直接经济效益。