降低鍋爐注汽水質含氧措施及節能降耗效果分析

王敬敬常洪平趙 華

（1.中國石化勝利油田分公司孤島采油廠采油管理四區 東營 257231）

（2.中國石化勝利油田分公司孤東采油廠 東營 257237）

降低鍋爐注汽水質含氧措施及節能降耗效果分析

王敬敬1常洪平1趙 華2

（1.中國石化勝利油田分公司孤島采油廠采油管理四區 東營 257231）

（2.中國石化勝利油田分公司孤東采油廠 東營 257237）

在注汽過程中，給水中的溶解氧會對鍋爐爐管起到氧腐蝕作用，使爐管變薄，當腐蝕積累到一定程度時將發生爆管事故，造成人身和財產損失。過濾式除氧器的工作原理是：含有溶解氧的軟化水通過特制的海綿鐵（其形狀近似于小粒度的石英沙）濾料，該濾料具有較大的表面積，常溫下，可使水中的溶解氧與鐵發生氧化反應，從而將溶解氧除去，除氧后的水通過集水帽進入樹脂罐進一步處理。在注汽水質含氧高致注汽鍋爐腐蝕情況調查的基礎上，分析了鍋爐注汽水質含氧高的原因，并制定了具體的對策，實施后取得了良好的降低含氧的效果，同時取得了一定的經濟和社會效益。

注汽鍋爐 水質含氧 水處理 反沖洗

水中的溶解氧會造成與其接觸金屬的氧腐蝕，如與注汽鍋爐爐管接觸會產生氧腐蝕。鍋爐爐管內蒸汽溫度越高氧腐蝕速度就越快[1]。因此，鍋爐用水含氧指標要求非常嚴格，要求含氧小于0.01mg/L。但生水（來水）中的含氧指標一般大于3.5mg/L，給水中的溶解氧會對鍋爐爐管起到氧腐蝕作用，使爐管變薄，當腐蝕積累到一定程度時將發生爆管事故，造成人身和財產損失。

生水在進入鍋爐爐管制汽前均要進行水處理。水處理主要有軟化和除氧兩大功能。生水經過預處理和離子交換處理后即為軟水，軟水中會溶有大量的氣體，如氧氣、二氧化碳等。尤其是水中的溶解氧很容易給鍋爐給水系統及鍋爐帶來較為嚴重的氧腐蝕[2]。氧腐蝕是一種電化學腐蝕。鐵與氧易形成兩個電極，組成腐蝕電池。腐蝕原理為：鐵的電極電位總比氧的電極電位高，所以在鐵氧腐蝕電池中，鐵為陽極，氧為陰極，發生腐蝕，如圖1所示。

圖1 鍋爐爐管氧腐蝕示意圖

氧腐蝕反應式為：

爐管內壁一旦發生氧腐蝕，產生Fe(OH)3等腐蝕生成物，就不能阻止其繼續腐蝕[3]。隨著時間的延長，爐管內壁就會形成不同形狀的陷坑，嚴重影響鍋爐的安全運行。因此，降低鍋爐給水含氧指標，減少或防止溶解氧對鍋爐爐管的腐蝕，對保障鍋爐的正常運行，實現鍋爐安全經濟注汽至關重要。

1 注汽水質含氧高致注汽鍋爐腐蝕情況調查

現場采用了常溫—過濾式除氧器技術。雖然此項除氧設備操作簡單、除氧效果明顯。但因除氧器自身流程的缺陷，易造成海綿鐵結塊和Fe(OH)3等腐蝕生成物堵塞集水帽，反洗時不能把Fe(OH)3等腐蝕生成物沖洗干凈，樹脂再生時會引起樹脂中毒，嚴重的是爐管內壁形成鐵垢（主要成分是鐵的氧化物和氫氧化物，較堅硬，易清除），導致鍋爐腐蝕進而引起爐管變薄乃至爆管，影響鍋爐的安全經濟運行。

2 原因分析

目前，現場采用的常溫-過濾式除氧器除氧，因多種原因沒能發揮出其理想的除氧效果。過濾式除氧器的工作原理是：含有溶解氧的軟化水通過特制的海綿鐵（其形狀近似于小粒度的石英沙）濾料，該濾料具有較大的表面積，常溫下，可使水中的溶解氧與鐵其化學反應原理是：

反應生成物Fe(OH)3為松軟絮狀物。當海綿鐵表面積達到一定程度后，可用反沖洗法將Fe(OH)3沖走，以保持海綿鐵的除氧能力。正常情況下，水處理后含一般能控制在0.01mg/L以下，但隨著水處理時間的延長，水質含氧逐步增加，達0.03mg/L以上，甚至更高。這就要求頻繁進行反沖洗，甚至進行清罐，清洗海綿鐵，以保持或恢復海綿鐵的除氧能力。頻繁反沖洗和清罐增加了大量人力、物力消耗。

經過分析，主要原因是水反沖洗效果差和腐蝕生成物易沉淀結塊兩項原因造成的。

1）水反沖洗效果差

為了將除氧器罐內的Fe(OH)3等腐蝕生成物沖洗掉，將結塊的海綿鐵沖散，以恢復海綿鐵的除氧能力，需要定期反洗。過去一直采用水反洗流程。反沖洗時，生水通過除氧罐底部均勻分布的35個集水帽進入除氧器罐內部，將除氧器罐內Fe(OH)3等腐蝕生成物沖洗掉，將結塊的海綿鐵沖散，以恢復海綿鐵的除氧能力。

除氧器罐內的海綿鐵重達0.5t，受自重和水處理壓力的共同作用，容易使其結塊沉淀，部分在罐壁形成鐵瘤，加上Fe(OH)3等腐蝕生成物在海綿鐵罐的罐底沉積，堵塞集水帽，影響除氧效果。在長期運行的過程中由于集水帽的堵塞程度不同，使其吸水性和反沖洗過水能力有較大差異。

吸水性差的集水帽，在水反沖洗時很難沖起上部的海綿鐵及Fe(OH)3等腐蝕生成物。反沖洗時，水流從較寬的縫隙中通過，形成偏流，使反沖洗不徹底，導致除氧能力急劇下降。如果經常清洗集水帽也可達到除氧效果，但將耗費大量的人力、物力。

2）腐蝕生成物易沉淀結塊

除氧器罐內的Fe(OH)3等腐蝕生成物易沉淀結塊，顆粒小的便進入集水帽內，在內壁形成塊，堵塞集水帽縫隙，且其堵塞程度不同，使集水帽吸水、過水能力下降，造成反洗時形成偏流，導致反洗不徹底。由于軟化水是自上而下通過濾料層的。在自重與水處理壓力共同作用下，海綿鐵及生成物易固結一起，沉積于罐底，堵塞部分集水帽。由于集水帽堵塞造成除氧能力下降。

由于腐蝕生成物易沉積結塊的設備缺陷，造成集水帽堵塞；反沖洗效果差的工藝缺陷造成集水帽吸水和過水能力降低，影響除氧效果。因此，集水帽堵塞是導致水質含氧超標的根本原因。

3 制定對策并實施

3.1 確定對策思路

根據以往經驗，要解決水質處理含氧超標的難題，延長鍋爐管使用壽命，需要另辟蹊徑。QC小組多次邀請采油廠、采油礦水質處理專家召開“專家會議”，廣泛吸取了專家和崗位工人的“頭腦風暴”成果，確定了解決問題的技術路線與對策思路（見圖3）。

圖3 對策思路圖

3.2 對策實施

●3.2.1 反沖洗媒質及其流程改進思路的提出

除氧水處理過程中產生的反應生成物Fe(OH)3為松軟絮狀物。當海綿鐵表面積達到一定程度后，可用反沖洗法將Fe(OH)3沖走。但幾年來現場操作表明，水反沖洗過程Fe(OH)3生成物很難沖洗徹底。多年來筆者一直進行研究，也采取了一些措施，如增大反洗和增加反洗次數等，都未取得很好的效果，成為困擾多年的管理和技術難題。

由于軟化水是自上而下通過濾料層的。在自重與水處理壓力的作用下，海綿鐵及生成物易固結一起，沉積于罐底，用常規的反洗法很難將其沖洗掉，從而造成部分海綿鐵結塊失去除氧作用，并堵塞集水帽。

經過集思廣益，提出了采用空氣+生水+軟化水三段塞式反沖洗法，即反沖洗媒質由原來單一的水改為空氣、生水、軟化水，分三個階段進行沖洗。實施時在海綿鐵的反洗流程上增加一條空氣反沖流程（見圖4）。

圖4 空氣反沖流程示意圖

第一段塞：使用空氣段塞作為反沖洗媒質，沖洗時使Fe(OH)3生成物和結塊的海綿鐵在水中懸浮起來；

第二段塞：用生水反沖洗使Fe(OH)3等腐蝕生成物被沖洗走；

第三段塞：待Fe(OH)3等腐蝕生成物沖洗干凈時用軟化水將生水替換掉。

通過以上三段塞式沖洗過程，解決集水帽堵塞而造成反沖洗水道偏流進而造成除氧效果差的難題。當空氣反沖洗一定時間后，此時因及時改為正常的水反沖洗，按除氧操作規程執行。

●3.2.2 空氣反沖洗法除氧原理

空氣反沖洗法除氧的原理主要有兩方面：

1）有利于解除集水帽堵塞

由于空氣的摩擦力和剪切力比水大，容易使雜質脫離管材內壁，使其成為游離狀態。又因空氣的密度小重量輕幾乎沒有自重，反沖洗時可將集水帽內部的沉積物沖懸浮起來而被排出，從而解除集水帽堵塞。同時穿過集水帽的氣體可帶動起四周的海綿鐵進行翻滾，使海綿鐵之間產生摩擦，將其外表生成的Fe(OH)3摩擦掉。

2）有利于降低Fe2+，恢復海綿鐵除氧能力

空氣中的CO2可除去Fe(OH)2形式存在的Fe2+保護膜，反應過程起到較好的除氧作用。反應機理如下。

二氧化碳在水中水解生成碳酸：

亞鐵離子是顯兩性的物質，在堿性溶液中顯酸性（亞鐵酸），在酸性溶液中顯堿性（氫氧化亞鐵）：

氫氧化亞鐵與碳酸發生中和反應，生成碳酸亞鐵：

繼續與碳酸反應，生成重碳酸亞鐵：

碳酸亞鐵和重碳酸亞鐵與溶解氧發生氧化-還原反應，生成氫氧化亞鐵，放出二氧化碳：

二氧化碳在鐵的氧化的過程中，起到相當重要的作用，將鐵表面的氫氧化亞鐵保護膜除去，活化鐵的表面，使鐵的氧化過程順利進行，除氧過程能在常溫下順利進行，從而恢復海綿鐵的除氧能力。二氧化碳在鐵的氧化過程中沒有損失，是鐵氧化反應的催化劑，加快反應速度。

●3.2.3 科學確定空氣反沖洗時間、頻次及沖洗壓力等段塞參數

現場對反洗流程進行改造，將空壓機0.35～0.75MPa的空氣引入到正常的水反洗流程。由于空氣中含有豐富的氧氣，采用空氣反沖洗時，時間控制不易過長。考慮到海綿鐵中Fe(OH)2易與空氣中的氧氣發生化學反應，在海綿鐵洗干凈的前提下，盡量縮短氣體反沖洗時間，以減少海綿鐵的消耗。在多次試驗的基礎上，我們發現空氣反沖洗時間過短，海綿鐵反沖懸浮不起來，時間過長則會加速海綿鐵消耗。

由于海綿鐵的處理能力是一個逐漸下降、平衡、恢復上升的過程。經過多次試驗，筆者確定每星期使用空氣反沖洗一次，反沖時間3～5min為最佳，此時可將集水帽的沉積物沖洗出來，也可使罐內中、下部的海綿鐵反洗起來，然后采用生水反洗，控制水反沖洗壓力在0.3～0.45MPa反復清洗，就可達到比較理想的除氧效果。最后再用除氧器罐體積2倍的軟化水替換掉生水，此時，可轉入正常的除氧運行。如果初次采用空氣反沖洗時，可根據集水帽、海綿鐵堵塞、結塊程度來確定反洗時間。

經過規范、總結，得出結論：

第一段塞：媒質：空氣，控制壓力：0.35～0.45MPa，頻次：一星期1次，時間：每次3～5min；

第二段塞：媒質：生水，控制壓力：0.3～0.45MPa，頻次：一星期1次，時間：每次10min；

第三段塞：媒質：軟化水，控制壓力：0.35～0.45MPa，頻次：一星期1次，時間：每次5min。

3.3 現場實施效果

1）經濟效益。

經過KD521注汽站現場實施，取得了很好除氧及節水、節電效果，處理后的水質含氧量由原來的0.03mg/L下降為0.006mg/L。實施前，100m3/h（實際泵排量80m3/h）反洗泵一天需要反洗2次，一次反洗時間20min。采用氣體反洗法后，水反洗時間可縮短到12min（啟動空壓機消耗較少可忽略不計），可取得很好的節水、節電效果：

日節水w：

節電a：

Analysis on Oxygen Reducing Measures and Its Energy Saving Effects for Steam Injection Water of Boiler

Wang Jingjing1Chang Hongping1Zhao Hua2
(1.The four district production management of Gudong oil production plant of Shengli Oilfeld Branch Company Sinopec Dongying 257231)
(2.Gudong oil production plant of Shengli Oilfeld Branch Company Sinopec Dongying 257231)

In the process of steam injection, dissolved oxygen in the feed water will corrode boiler pipe, when the corrosion accumulated to a certain degree will lead to blast accidents harming to personal and property.The fltering deaerator working principle is: soften water containing dissolved oxygen pass special sponge iron (the shape of flter material approximate to the small quartz sand) with a larger surface area, dissolved oxygen in water can take the oxidation reaction with iron in normal temperature and be removed, the deoxidized water pass water cap into the resin tank for further processing.Based on steam injection boiler corrosion investigation caused by the steam injection water with high oxygen, this article analyzes the reasons of high oxygen in steam injection boiler water, formulates specifc countermeasure with good reduction oxygen effect which achieves certain economic and social benefts.

Steam injection boiler Water oxygen containing Water treatment Backwash

X933.2

B

1673-257X(2015)06-54-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.06.011

王敬敬（1981～),女，從事熱注運行工作，主要研究方向為注汽鍋爐技術礦場應用。

2015-01-05）