汽包锅炉水处理中磷酸盐加药处理的分析

赵波1 ,刘栋2

摘要：炉水加磷酸盐处理是汽包锅炉水质调节的最基本和最常用的方式，如何准确地进行磷酸盐加药对锅炉运行的安全性、经济性有重大影响。本文主要研究了锅炉磷酸盐加药处理中涉及的加药量、调节方式以及可能出现的问题等内容。

关键词：锅炉；汽包；磷酸盐；加药；水质调节

0引言

给水中携带的杂质进入锅炉汽包后，在汽水循环系统的高温、高压环境下，某些成分会在金属表面形成坚硬的固体附着物，该过程被称为结垢，生成物称之为水垢；或是形成疏松絮状、颗粒状的悬浮物，称之为水渣。水垢和水渣的形成，对热力系统的安全经济运行有很大影响。水垢的存在会降低热力系统的传热效率、浪费燃料，还会因传热不良导致金属管壁温度过高、产生蠕变、鼓包、爆管等事故，此外水垢还可导致金属发生沉积物下腐蚀、管路堵塞等事故。水垢的化学成分复杂，其主要有以下几类：钙镁盐类、硅酸盐类、氧化铁类等，其中以钙镁盐类为主，可达90%以上[1]。钙镁水垢的形成原理如下：

Ca (HCO3)2→Ca CO3↓+ CO2↑+H2O

Mg (HCO3)2→Mg (OH)2↓+ 2CO2↑

汽包的炉水水质调节，就是向锅炉炉水中投加药剂（一般为磷酸盐），使之与给水中带入的易引起结垢的杂质（主要是钙离子）反应生成疏松的水渣，并通过排污排出炉外，达到防止结垢的目的。该种向锅筒内加药处理炉水的方式被称为磷酸盐处理。

1 磷酸盐处理

1.1原理

磷酸盐处理中的磷酸盐一般指磷酸三钠，化学式Na3PO4，水解后溶液呈碱性，向炉水中加入一定量的磷酸三钠，既可使炉水维持一定的PO43- 浓度，又能保持炉水足够高的PH值，且此时炉水中不含游离的NaOH、不会引起碱性腐蚀。在沸腾的碱性条件下，炉水中会发生下列反应：

10Ca2++6PO43-+2OH-→Ca10(OH)2(PO4)6↓

(碱式磷酸钙)

反应生成的碱式磷酸钙是松软的水渣，易随锅炉水排污排除，且不易粘附在锅炉内壁上转变为水垢。

1.2 炉水中PO43-控制标准

为了达到防止在锅炉中产生钙镁水垢的目的，炉水中需要维持足够量的PO43-含量和PH值。锅炉水质标准中对该两项数值有如下规定[2]：

汽包压力 MPa	磷酸根 mg/L	PH
≤2.5	10~30	8.5~10.5
2.5~3.7	5~20	8.5~10.5
3.8~5.8	5~15	9~11
5.9~10	2~10	9~10.5
10.1~12.6	2~6	9~10
12.7~15.6	≤3	9~9.7
＞15.6	≤1	9~9.7

随着汽包锅炉的压力增大，饱和蒸汽对盐类的携带能力增加，为了保证蒸汽的品质，炉水中加药量应控制在尽量低的水平。所以汽包压力越高，相应地炉水中PO43-的允许浓度越低。

1.3 磷酸盐加药量的估算

锅炉运行时的加药量可按如下公式估算：

加药量（kg/h）=（28.5H·Dg+Dp·Ili）/250W

其中：

H为给水硬度， mmol/L

Dg为锅炉给水量， t/h

Dp为锅炉排污水量， t/h

Ili为炉水中应维持的PO43-的浓度， mg/L

W为所用固体磷酸三钠（Na3PO4·12H2O）的纯度，以小数形式表示（例如0.998等）

需要说明的是，该公式适用于加药泵连续运行的方式。若加药方式为间断加药，需根据间断间隔的时间来换算为加药时间内的平均加药量。

1.4 磷酸盐加药量的控制

1）按加药方式，可分为手动加药和自动加药。

由于炉水磷酸盐的浓度相对稳定，不会因锅炉排污或负荷变化而引起大的波动，一般手动加药即可满足正常运行的需求，在电厂设计中一般也采用手动调节方式[3]。手动加药一般需在控制室设置远程控制点，操作人员根据化验结果，远程控制加药泵的启停。

如果锅炉台数过多、运行情况复杂，也可以采用自动加药的方式。自动加药的控制信号可来自磷酸盐在线仪表信号，也可来自炉水电导率在线仪表信号。该种加药方式要求在线仪表信号准确、凝汽器无泄漏，若系统泄漏引起给水的硬度、磷酸根等含量的升高，将会极大地影响加药的准确性。

2）按运行方式，可分为连续加药和间断加药。

连续加药时，炉水中磷酸盐浓度波动范围较小，加药剂量应与溶液箱中的配药浓度、加药泵的加药流量协调一致。同时应根据炉水质量化验结果，适时调整加药计量，防止产生积累偏差。

间断加药一般采用自动加药方式，设置好磷酸盐浓度范围，加药泵的启停按照根据在线仪表的信号控制。当采用间断运行时，由于加药操作相对于仪表信号有一定的滞后性，应注意合理设置磷酸盐浓度的上下限。

2 磷酸盐加药装置

2.1加药装置的组成

炉水的磷酸盐处理一般是通过加药装置来实现的。加药装置一般由加药箱、搅拌器、加药泵及管路、阀门、仪表等组成。设计规范中要求对于需连续加药的溶液箱不应少于两台，两台锅炉可以共用一套加药装置，且应单独设置加药泵，但可以共用一台备用泵[3]。常见的磷酸盐加药系统如图1所示：

图1 磷酸盐加药装置系统图

图一中的加药装置供两台锅炉加药使用，溶液箱2台、加药泵3台，中间一台加药泵为备用泵，当其中一台加药箱或加药泵故障时，可以通过管路、阀门的切换保证加药不中断。

2.2 药剂的配制及投加

磷酸盐加药采用的药剂一般是固体磷酸三钠（Na3PO4·12H2O）溶解后的水溶液。对固体磷酸三钠的纯度，15.8MPa以下的锅炉一般要求纯度不低于化学纯；汽包压力大于15.8MPa的锅炉，药品纯度要求不低于分析纯[4]。

固体磷酸盐需要在溶液箱中加除盐水溶解、稀释成浓度1%~5%的溶液。在一台溶液箱中配制药液时，需将其底下的出液阀关闭，此时药液由另一台溶液箱供给。为了保证加药计量的稳定，两台加药箱配制的溶液浓度宜一致。

磷酸盐加药点应设在汽包本体[3]，加药管一般沿着汽包长度方向铺设于汽包的水室中，管上开若干小孔。加药管一般位于下降管管口附近，并远离排污管，以减少药品损失。

加药剂量的调节方式灵活，可以通过溶液箱药液的浓度调节，也可以通过加药泵的流量调节。磷酸盐加药泵一般采用柱塞泵，可以调节泵的活塞行程来改变其流量。特殊情况下，还可以通过投入备用泵，使得炉水中磷酸根的浓度迅速达标。

3 磷酸盐加药中可能出现的问题

3.1 水渣的不利影响

炉水中加入磷酸盐，反应生成水渣，若水渣量过大或不能及时排除，则可能在汽包液面聚集，影响蒸汽品质，甚至粘附在管壁上转化为水垢。因此必须减少炉水中水渣的产生和聚集。一般可通过以下方式控制：

1）尽可能降低给水的残余硬度

给水残余硬度越低，生成的水渣越少。可通过提升锅炉补给水处理的工艺，从源头上减少给水中残余硬度。同时应防止循环水通过凝汽器泄漏入凝结水，加药装置采用高质量的稀释水，防止从中间环节引起硬度的过分增加。

2）及时排出生成的水渣

及时排出生成的水渣，以免水渣聚集产生危害。对于压力等级高的锅炉一般需设置连续排污装置，保持合理的连续排污率，不断地将汽包液面附近的炉水排出。对于间断加药的系统，定期排污时应先排污后加药，以防新加入的药剂未及反应即被排出。

3.2 盐类“隐藏”现象

Na3PO4、Na2SiO3等盐类的溶解度，先随水温的升高增大，但当水温升高到一定值之后继续升温，其溶解度不升反降。对于Na3PO4尤其明显，当水温超过200℃之后，其溶解度随着水温升高急剧下降（见图2）。

在中压及以上压力的锅炉中，锅炉水温超过200℃，Na3PO4的溶解度极小，此时若加入过多的Na3PO4或者锅炉内发生局部的炉水蒸发浓缩，则可能使磷酸盐达到饱和浓度而从炉水中析出，沉积在炉管管壁上，出现盐类“隐藏”现象。

图2 钠离子化合物在水中的溶解度与温度关系

发生盐类“隐藏”时，其危害形同结垢，同样会导致管路堵塞、管壁超温、沉积物下腐蚀等问题。据统计采用磷酸盐处理的锅炉有90%都曾发生过盐类“隐藏”现象[5]。严格控制炉水中磷酸盐的浓度，在确保给水水质优良的情况下尽量降低炉水中Na3PO4的浓度是防止出现盐类“隐藏”现象的有效措施。因此压力越高的锅炉，其炉水中允许的磷酸盐浓度越低。

4 结语

通过以上分析，磷酸盐加药处理的控制方式比较灵活，手动、自动控制均能实现稳定加药。炉水加药量的调节也可通过改变溶液箱药液浓度、加药泵流量等多种方式实现。

但磷酸盐含量的控制标准非常严格，加药处理如果操作不当，会对锅炉运行产生不利影响。除了反应产生的水渣造成的影响外，盐类“隐藏”导致的危害更大。因此，需要尽量降低进入锅炉的给水中的残余硬度、及时排出生成的水渣，并严格控制炉水中磷酸盐的浓度，在保证不结垢的前提下尽量保持药液的低浓度。

参考文献：

[1] 庄秀梅.电厂水处理技术[M].北京：中国电力出版社，2007

[2] 火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量[S]. 北京：中国标准出版社，2016

[3] 袁萍帆等.发电厂化学设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2015

[4] 火电厂汽水化学导则 第2部分：锅炉炉水磷酸盐处理[S]. 北京：中国电力出版社，2016

[5] 孙本达，杨宝红.火力发电厂水处理实用技术问答[M].北京：中国电力出版社，2006