降低锅炉注汽水质含氧措施及节能降耗效果分析

王敬敬常洪平赵 华

（1.中国石化胜利油田分公司孤岛采油厂采油管理四区 东营 257231）

（2.中国石化胜利油田分公司孤东采油厂 东营 257237）

降低锅炉注汽水质含氧措施及节能降耗效果分析

王敬敬1常洪平1赵 华2

（1.中国石化胜利油田分公司孤岛采油厂采油管理四区 东营 257231）

（2.中国石化胜利油田分公司孤东采油厂 东营 257237）

在注汽过程中，给水中的溶解氧会对锅炉炉管起到氧腐蚀作用，使炉管变薄，当腐蚀积累到一定程度时将发生爆管事故，造成人身和财产损失。过滤式除氧器的工作原理是：含有溶解氧的软化水通过特制的海绵铁（其形状近似于小粒度的石英沙）滤料，该滤料具有较大的表面积，常温下，可使水中的溶解氧与铁发生氧化反应，从而将溶解氧除去，除氧后的水通过集水帽进入树脂罐进一步处理。在注汽水质含氧高致注汽锅炉腐蚀情况调查的基础上，分析了锅炉注汽水质含氧高的原因，并制定了具体的对策，实施后取得了良好的降低含氧的效果，同时取得了一定的经济和社会效益。

注汽锅炉 水质含氧 水处理 反冲洗

水中的溶解氧会造成与其接触金属的氧腐蚀，如与注汽锅炉炉管接触会产生氧腐蚀。锅炉炉管内蒸汽温度越高氧腐蚀速度就越快[1]。因此，锅炉用水含氧指标要求非常严格，要求含氧小于0.01mg/L。但生水（来水）中的含氧指标一般大于3.5mg/L，给水中的溶解氧会对锅炉炉管起到氧腐蚀作用，使炉管变薄，当腐蚀积累到一定程度时将发生爆管事故，造成人身和财产损失。

生水在进入锅炉炉管制汽前均要进行水处理。水处理主要有软化和除氧两大功能。生水经过预处理和离子交换处理后即为软水，软水中会溶有大量的气体，如氧气、二氧化碳等。尤其是水中的溶解氧很容易给锅炉给水系统及锅炉带来较为严重的氧腐蚀[2]。氧腐蚀是一种电化学腐蚀。铁与氧易形成两个电极，组成腐蚀电池。腐蚀原理为：铁的电极电位总比氧的电极电位高，所以在铁氧腐蚀电池中，铁为阳极，氧为阴极，发生腐蚀，如图1所示。

图1 锅炉炉管氧腐蚀示意图

氧腐蚀反应式为：

炉管内壁一旦发生氧腐蚀，产生Fe(OH)3等腐蚀生成物，就不能阻止其继续腐蚀[3]。随着时间的延长，炉管内壁就会形成不同形状的陷坑，严重影响锅炉的安全运行。因此，降低锅炉给水含氧指标，减少或防止溶解氧对锅炉炉管的腐蚀，对保障锅炉的正常运行，实现锅炉安全经济注汽至关重要。

1 注汽水质含氧高致注汽锅炉腐蚀情况调查

现场采用了常温—过滤式除氧器技术。虽然此项除氧设备操作简单、除氧效果明显。但因除氧器自身流程的缺陷，易造成海绵铁结块和Fe(OH)3等腐蚀生成物堵塞集水帽，反洗时不能把Fe(OH)3等腐蚀生成物冲洗干净，树脂再生时会引起树脂中毒，严重的是炉管内壁形成铁垢（主要成分是铁的氧化物和氢氧化物，较坚硬，易清除），导致锅炉腐蚀进而引起炉管变薄乃至爆管，影响锅炉的安全经济运行。

2 原因分析

目前，现场采用的常温-过滤式除氧器除氧，因多种原因没能发挥出其理想的除氧效果。过滤式除氧器的工作原理是：含有溶解氧的软化水通过特制的海绵铁（其形状近似于小粒度的石英沙）滤料，该滤料具有较大的表面积，常温下，可使水中的溶解氧与铁其化学反应原理是：

反应生成物Fe(OH)3为松软絮状物。当海绵铁表面积达到一定程度后，可用反冲洗法将Fe(OH)3冲走，以保持海绵铁的除氧能力。正常情况下，水处理后含一般能控制在0.01mg/L以下，但随着水处理时间的延长，水质含氧逐步增加，达0.03mg/L以上，甚至更高。这就要求频繁进行反冲洗，甚至进行清罐，清洗海绵铁，以保持或恢复海绵铁的除氧能力。频繁反冲洗和清罐增加了大量人力、物力消耗。

经过分析，主要原因是水反冲洗效果差和腐蚀生成物易沉淀结块两项原因造成的。

1）水反冲洗效果差

为了将除氧器罐内的Fe(OH)3等腐蚀生成物冲洗掉，将结块的海绵铁冲散，以恢复海绵铁的除氧能力，需要定期反洗。过去一直采用水反洗流程。反冲洗时，生水通过除氧罐底部均匀分布的35个集水帽进入除氧器罐内部，将除氧器罐内Fe(OH)3等腐蚀生成物冲洗掉，将结块的海绵铁冲散，以恢复海绵铁的除氧能力。

除氧器罐内的海绵铁重达0.5t，受自重和水处理压力的共同作用，容易使其结块沉淀，部分在罐壁形成铁瘤，加上Fe(OH)3等腐蚀生成物在海绵铁罐的罐底沉积，堵塞集水帽，影响除氧效果。在长期运行的过程中由于集水帽的堵塞程度不同，使其吸水性和反冲洗过水能力有较大差异。

吸水性差的集水帽，在水反冲洗时很难冲起上部的海绵铁及Fe(OH)3等腐蚀生成物。反冲洗时，水流从较宽的缝隙中通过，形成偏流，使反冲洗不彻底，导致除氧能力急剧下降。如果经常清洗集水帽也可达到除氧效果，但将耗费大量的人力、物力。

2）腐蚀生成物易沉淀结块

除氧器罐内的Fe(OH)3等腐蚀生成物易沉淀结块，颗粒小的便进入集水帽内，在内壁形成块，堵塞集水帽缝隙，且其堵塞程度不同，使集水帽吸水、过水能力下降，造成反洗时形成偏流，导致反洗不彻底。由于软化水是自上而下通过滤料层的。在自重与水处理压力共同作用下，海绵铁及生成物易固结一起，沉积于罐底，堵塞部分集水帽。由于集水帽堵塞造成除氧能力下降。

由于腐蚀生成物易沉积结块的设备缺陷，造成集水帽堵塞；反冲洗效果差的工艺缺陷造成集水帽吸水和过水能力降低，影响除氧效果。因此，集水帽堵塞是导致水质含氧超标的根本原因。

3 制定对策并实施

3.1 确定对策思路

根据以往经验，要解决水质处理含氧超标的难题，延长锅炉管使用寿命，需要另辟蹊径。QC小组多次邀请采油厂、采油矿水质处理专家召开“专家会议”，广泛吸取了专家和岗位工人的“头脑风暴”成果，确定了解决问题的技术路线与对策思路（见图3）。

图3 对策思路图

3.2 对策实施

●3.2.1 反冲洗媒质及其流程改进思路的提出

除氧水处理过程中产生的反应生成物Fe(OH)3为松软絮状物。当海绵铁表面积达到一定程度后，可用反冲洗法将Fe(OH)3冲走。但几年来现场操作表明，水反冲洗过程Fe(OH)3生成物很难冲洗彻底。多年来笔者一直进行研究，也采取了一些措施，如增大反洗和增加反洗次数等，都未取得很好的效果，成为困扰多年的管理和技术难题。

由于软化水是自上而下通过滤料层的。在自重与水处理压力的作用下，海绵铁及生成物易固结一起，沉积于罐底，用常规的反洗法很难将其冲洗掉，从而造成部分海绵铁结块失去除氧作用，并堵塞集水帽。

经过集思广益，提出了采用空气+生水+软化水三段塞式反冲洗法，即反冲洗媒质由原来单一的水改为空气、生水、软化水，分三个阶段进行冲洗。实施时在海绵铁的反洗流程上增加一条空气反冲流程（见图4）。

图4 空气反冲流程示意图

第一段塞：使用空气段塞作为反冲洗媒质，冲洗时使Fe(OH)3生成物和结块的海绵铁在水中悬浮起来；

第二段塞：用生水反冲洗使Fe(OH)3等腐蚀生成物被冲洗走；

第三段塞：待Fe(OH)3等腐蚀生成物冲洗干净时用软化水将生水替换掉。

通过以上三段塞式冲洗过程，解决集水帽堵塞而造成反冲洗水道偏流进而造成除氧效果差的难题。当空气反冲洗一定时间后，此时因及时改为正常的水反冲洗，按除氧操作规程执行。

●3.2.2 空气反冲洗法除氧原理

空气反冲洗法除氧的原理主要有两方面：

1）有利于解除集水帽堵塞

由于空气的摩擦力和剪切力比水大，容易使杂质脱离管材内壁，使其成为游离状态。又因空气的密度小重量轻几乎没有自重，反冲洗时可将集水帽内部的沉积物冲悬浮起来而被排出，从而解除集水帽堵塞。同时穿过集水帽的气体可带动起四周的海绵铁进行翻滚，使海绵铁之间产生摩擦，将其外表生成的Fe(OH)3摩擦掉。

2）有利于降低Fe2+，恢复海绵铁除氧能力

空气中的CO2可除去Fe(OH)2形式存在的Fe2+保护膜，反应过程起到较好的除氧作用。反应机理如下。

二氧化碳在水中水解生成碳酸：

亚铁离子是显两性的物质，在碱性溶液中显酸性（亚铁酸），在酸性溶液中显碱性（氢氧化亚铁）：

氢氧化亚铁与碳酸发生中和反应，生成碳酸亚铁：

继续与碳酸反应，生成重碳酸亚铁：

碳酸亚铁和重碳酸亚铁与溶解氧发生氧化-还原反应，生成氢氧化亚铁，放出二氧化碳：

二氧化碳在铁的氧化的过程中，起到相当重要的作用，将铁表面的氢氧化亚铁保护膜除去，活化铁的表面，使铁的氧化过程顺利进行，除氧过程能在常温下顺利进行，从而恢复海绵铁的除氧能力。二氧化碳在铁的氧化过程中没有损失，是铁氧化反应的催化剂，加快反应速度。

●3.2.3 科学确定空气反冲洗时间、频次及冲洗压力等段塞参数

现场对反洗流程进行改造，将空压机0.35～0.75MPa的空气引入到正常的水反洗流程。由于空气中含有丰富的氧气，采用空气反冲洗时，时间控制不易过长。考虑到海绵铁中Fe(OH)2易与空气中的氧气发生化学反应，在海绵铁洗干净的前提下，尽量缩短气体反冲洗时间，以减少海绵铁的消耗。在多次试验的基础上，我们发现空气反冲洗时间过短，海绵铁反冲悬浮不起来，时间过长则会加速海绵铁消耗。

由于海绵铁的处理能力是一个逐渐下降、平衡、恢复上升的过程。经过多次试验，笔者确定每星期使用空气反冲洗一次，反冲时间3～5min为最佳，此时可将集水帽的沉积物冲洗出来，也可使罐内中、下部的海绵铁反洗起来，然后采用生水反洗，控制水反冲洗压力在0.3～0.45MPa反复清洗，就可达到比较理想的除氧效果。最后再用除氧器罐体积2倍的软化水替换掉生水，此时，可转入正常的除氧运行。如果初次采用空气反冲洗时，可根据集水帽、海绵铁堵塞、结块程度来确定反洗时间。

经过规范、总结，得出结论：

第一段塞：媒质：空气，控制压力：0.35～0.45MPa，频次：一星期1次，时间：每次3～5min；

第二段塞：媒质：生水，控制压力：0.3～0.45MPa，频次：一星期1次，时间：每次10min；

第三段塞：媒质：软化水，控制压力：0.35～0.45MPa，频次：一星期1次，时间：每次5min。

3.3 现场实施效果

1）经济效益。

经过KD521注汽站现场实施，取得了很好除氧及节水、节电效果，处理后的水质含氧量由原来的0.03mg/L下降为0.006mg/L。实施前，100m3/h（实际泵排量80m3/h）反洗泵一天需要反洗2次，一次反洗时间20min。采用气体反洗法后，水反洗时间可缩短到12min（启动空压机消耗较少可忽略不计），可取得很好的节水、节电效果：

日节水w：

节电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，从事热注运行工作，主要研究方向为注汽锅炉技术矿场应用。

2015-01-05）