蒸汽污染及蒸汽品质

15.2.1　蒸汽污染及蒸汽品质

1.蒸汽的污染及品质标准

蒸汽污染是指蒸汽中带有的盐分或杂质导致蒸汽品质的恶化。蒸汽带盐的方式有两种，其一为蒸汽携带含有盐分的炉水水滴，称之为机械性携带；其二为携带直接溶解于蒸汽中的盐分，称之为溶解性携带，因为各种盐分在蒸汽中具有不同的溶解能力，蒸汽的溶盐存在选择性，因此又称为选择性携带。可见，饱和蒸汽的机械性携带与溶解性携带之和即为携带的总盐分S_q，可表示为

式中：分别为每千克蒸汽中机械携带含盐量、溶解携带某种盐分的含盐量及溶解

盐分的总含量，mg/kg。前两项可按以下两式计算

式中：ω为蒸汽中机械携带水分的质量分数，即蒸汽湿度，%；a_y为蒸汽中溶解携带某种盐分的质量分数，为该盐分在蒸汽中的质量与和蒸汽相接触的炉水中质量之比，称分配系数，%；S_ls及S_ls，i为每kg炉水中总含盐量及某种盐分的含盐量，mg/kg。

蒸汽总携带炉水盐分的质量分数，称总携带系数k，即

上式中如果含盐量为某种盐分，即为某种盐分的携带系数k_i。

如果忽略腐蚀产生的盐分，可建立下列盐分平衡方程

式中：S_gs为给水含盐量，mg/kg；ρ_pw为排污率，即排污水量占给水总量的质量分数，%。

由此可见，蒸汽中含盐量取决于蒸汽湿度，盐分在蒸汽中的溶解能力以及炉水的含盐量。

饱和蒸汽品质恶化后将严重危害锅炉、汽轮机或其它蒸汽用户的安全经济运行，可能发生：①降低了热能的有效利用，影响与蒸汽直接接触的产品的质量及工艺条件；②部分盐分沉积在过热器及再热器的管壁面上，将使管壁温度升高，产生垢下腐蚀，导致钢材强度降低，以致发生爆管事故；③部分盐分沉积在蒸汽管道的阀门处，使阀门动作失灵以及泄漏；④部分盐分沉积在汽轮机的通流部分，将使通道的流通截面缩小，叶片表面变得粗糙，叶片形状改变，使汽轮机流阻增大，出力和效率降低，影响转子的动平衡，引起机组振动，严重时甚至造成重大安全事故。

为此，必须进行蒸汽的净化，保证其符合一定的品质指标。

我国制定的标准《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量GB/T12145—1999》目前主要适用于临界压力以下的火力发电机组及蒸汽动力设备（包括正常运行和停、备用机组启动）。我国临界压力以下的电站锅炉正常运行时的蒸汽品质标准见表15.2。为防止汽轮机积结金属氧化物，蒸汽中铜和铁的含量也不得超过规定的量。超临界机组正常运行和启动时的蒸汽品质应符合《超临界火力发电机组水汽质量标准DL/T912—2005》的规定。

表15.2　临界压力以下的电站锅炉正常运行时的蒸汽质量标准

对于工业锅炉，蒸汽品质应符合下列要求：对于有过热器的工业锅炉，饱和蒸汽的湿度≯1%，对于无过热器的水管锅炉，饱和蒸汽的湿度≯3%；对于无过热器的锅壳式锅炉，饱和蒸汽湿度≯5%，工业用过热蒸汽的含钠量应＜300μg/kg。

通过上述分析可知，提高蒸汽品质的措施有：

（1）提高给水品质　在排污量不变时，提高给水品质即减少了炉水含盐量，则蒸汽品质相应提高。给水品质取决于水处理的方法，应通过技术经济比较，采用合理的水处理系统。对于高压以上的电站锅炉，更应采用完善的水处理系统。对于补水量大的热电站，为节省水处理费用，通常采用较为简单的水处理系统，因此给水品质较差。

（2）改进锅筒内部装置　选择适当的汽水分离器，以提高汽水分离效率，减少蒸汽的机械性携带；采用蒸汽清洗及分段蒸发等方法降低蒸汽的溶解性携带，均可提高蒸汽品质。

（3）增加炉水排污量　进入锅炉的给水在蒸发过程中不断浓缩，使得炉水中具有远高于给水的含盐量。为此，需连续（或间断）地排除部分炉水，即连续（或间断）排污，以降低炉水含盐量，保持合格的炉水品质，从而提高蒸汽品质。由于排污量的增加将使热损失和补水量增大，其最大允许的排污率见表15.3，而最小排污率取决于腐蚀产物污染炉水的程度，一般ρ_pw≥0.3%。

表15.3　最大允许的排污率ρ_pw　　%

2.蒸汽含盐机理

蒸汽含盐有机械性携带和溶解性携带两种形式。

（1）饱和蒸汽的机械性携带机理

机械性携带是指锅筒锅炉中，饱和蒸汽从炉水中引出时携带一些蒸汽空间内含有盐分的水滴。水滴进入锅筒汽空间有如图15.13所示的两种途径，一是汽泡从炉水中穿过液面时，汽泡在液面破裂而引起炉水飞溅所形成的水滴进入锅筒汽空间；二是从锅筒汽空间引入的汽水混合物具有较大的动能，当其直接冲击水面或锅筒内件时引起炉水飞溅，形成大量的水滴进入锅筒汽空间。当图（a）所示的汽泡穿过液面时，先上升到液面并鼓出液面。由于水的下流使汽泡顶部的液膜逐渐变薄，最终导致破裂，则破裂的液膜变形成细小水滴向蒸汽空间飞溅。此后，汽泡周边的水在填补空缺部位时形成一个波峰，以一定速度上升的峰顶断裂为若干个较大水滴，进入蒸汽空间。

图15.13　水滴进入锅筒汽空间的过程

（a）汽泡穿过液面；（b）汽水混合物冲击液面

进入蒸汽空间的水滴，当其质量较大且蒸汽空间高度足够时，能借自重返回液面，其余的水滴则由于汽流的作用力大于水滴的重力被汽流卷吸带走，形成蒸汽带水。当水滴在蒸汽空间受到汽流向上的作用力（浮升力及水滴与汽流摩擦形成的曳拉力）与水滴向下的重力相等时，则达到水滴随汽流飞逸的临界状态，即

式中：d为设水滴为球状时的直径，m；w″为汽

流上升速度，m/s；ξ为汽流与水滴之间的摩擦阻力系数，取ξ＝10/Re^0.5。

当汽流速度一定时，能被汽流带走的最大水滴直径称为飞逸直径d_fy；当水滴直径一定时，能将水滴带走的汽流速度称为飞逸速度w_fy，d_fy及w_fy由式（15.51）导出

显然，汽流的上升速度越大，则水滴飞逸直径也越大，使蒸汽湿度也增大。

蒸汽压力、锅炉负荷、蒸汽空间高度及炉水含盐量是影响蒸汽机械性携带的主要因素。

①提高蒸汽压力，汽水密度差（ρ′－ρ″）减小而ρ″增大，由式（15.52）和式（15.53）可知，水滴的飞逸速度将减小而飞逸直径增大，汽水不易分离；此外，饱和水的表面张力和汽泡的直径随压力增大都减小，则汽泡破碎时形成的水滴直径小，这两个因素都使蒸汽的带水能力增强。因此高压时允许的汽流上升速度比中压时小。但由于压力增高后，汽流上升速度因蒸汽密度增大而减小，实际中只有当压力高于15MPa时，随压力增加蒸汽湿度才有显著的增长趋势。

②随着锅炉负荷D的增大，蒸汽湿度ω呈指数关系增加，如图15.14所示。这是在蒸汽压力、锅筒尺寸及炉水含盐量给定的条件下由试验得到的。由图可见，ω与D的关系曲线由两个蒸汽负荷D₁和D₂近似地分为三个区域，其一般表达式

式中：A为与压力和汽水分离装置有关的系数；n为与负荷有关的指数。

图15.14　蒸汽湿度和锅炉负荷的关系

第Ⅰ负荷区：D＜D₁，n＝1～3，ω＜0.03%。该区域由于锅炉负荷不大，蒸汽流速较小，蒸汽湿度ω随D的增大增加较慢。

第Ⅱ负荷区：D₁≤D＜D₂，n＝2.5～4，ω＝（0.03～0.2）%。该区域随着锅炉负荷的增加，汽水混合物穿出水面所造成的炉水飞溅量增加，蒸汽流速迅速增大，可以携带直径较大的水滴，使蒸汽湿度ω增加很快。

第Ⅲ负荷区：D≥D₂，n＝8～10，ω＞0.2%。进入这个区域后，锅炉负荷增大除了使蒸汽流速继续增大外，还因水空间汽泡增加导致水位膨胀，使实际蒸汽空间高度减到很小，限制了汽水自然分离，以及液面剧烈波动，使液面的泡沫被蒸汽直接带走，因此湿度急剧增加。

电站锅炉要求ω＜0.03%，因此应在第Ⅰ负荷区工作，即D＜D₁。

实际应用中常用蒸汽空间负荷或蒸发面负荷两个参数来表示锅炉负荷。

如果锅筒直段范围内蒸汽空间的容积为V，m³，则通过单位蒸汽空间容积的蒸汽质量流量D，kg/h，称为蒸汽空间质量负荷R_v′；通过单位蒸汽空间容积的蒸汽容积流量称为蒸汽空间容积负荷R_v，按以下两式计算

蒸汽空间负荷值越小，表示蒸汽停留的时间越长，即蒸汽中的水滴有更多的机会重新回落到水空间中。

如果锅筒直段范围内的液面面积为F，m²，同理可得，蒸发面质量负荷R_F′＝D/F，kg/（m²·h）；蒸发面容积负荷R_F＝Dv″/F，m³/（m²·h）。若汽水混合物全部进入锅筒水空间，R_F′或R_F实际上为蒸汽穿经单位液面的质量流速或容积流速，即表示蒸汽携带水滴的能力。

过高的蒸汽空间负荷或蒸发面负荷都会使蒸汽湿度超过允许值，因此蒸汽空间负荷必须小于根据蒸汽允许湿度确定的允许值，蒸汽允许湿度由炉水含盐量确定。在确定锅筒尺寸时，应考虑一定的储备系数。蒸汽空间容积负荷的参考值见表15.4，表中可以看出，随着压力增高，蒸汽空间容积负荷的允许值减小。

表15.4　蒸汽空间容积负荷的参考值

③锅筒蒸汽空间的高度h_q是汽水重力分离的场所，显然，其高度增加，有利于水滴回落到水空间，使输出的蒸汽湿度减小。试验表明，当h_q很小时，汽流带走大量的飞溅炉水，因此蒸汽湿度ω很大。随着h_q的增加，ω急剧减少。但当h_q＞0.6m后，ω的变化就较平缓，因为此时蒸汽只能携带细小水滴，而较大直径水滴的最大上升高度已经小于蒸汽空间高度，不能被汽流携带走。因此，没有必要采用过大的锅筒尺寸来降低蒸汽湿度。ω与h_q的关系曲线见图15.15所示。

图15.15　蒸汽湿度和蒸汽空间高度的关系

运行中，蒸汽空间高度由锅筒水位所控制。需要指出，由于锅炉炉水中的有机化合物、碱类及油脂等杂质使液面形成一泡沫层，此外炉水中的蒸汽存在使水空间发生膨胀，使得锅筒内实际水位h_sj高于水位表所指示的水位h_zs，因为两者是按重位压差平衡的，有如下换算关系：

式中：φ为水容积中的平均容积含汽率。因此，运行中要注意锅筒内水位的实际高度。

④炉水含盐量S_ls增加，炉水表面张力增大，汽泡在液膜变得很薄时才会破裂，因此在水面上形成减小蒸汽空间高度的泡沫层，破裂时成为易被蒸汽携带的细小水滴；同时，炉水粘度也增大，使浮升速度慢的小汽泡不易合并成大汽泡，则水空间膨胀而蒸汽空间高度减小，所以S_ls增加将使蒸汽湿度ω增大，ω与S_ls的关系见图15.16曲线1。由图可见，在一定负荷下，当S_ls达到某一临界炉水含盐量S_lj值时，将使ω急剧增大，这是由于上述各种现象使蒸汽空间减小到较大直径的水滴已经能被蒸汽大量带走所致，而S_ls＜S_lj时，ω几乎不变。图15.16曲线2还示出了蒸汽含盐量S_q和S_ls的关系，S_q随S_ls的增加总是增大的，但S_ls＞S_lj后，因ω急剧增加，蒸汽含盐量S_q的增加速度比ω更快。S_lj值与炉水杂质成分、蒸汽压力、锅炉负荷、蒸汽空间高度及汽水分离装置等因素有关。负荷增大则S_lj值减小，其具体数值应由热化学试验确定。

图15.16　蒸汽湿度、蒸汽含盐量和炉水含盐量的关系

1—ω和S_ls的关系；2—S_q和S_ls的关系

除以上的影响因素外，锅炉运行工况也影响蒸汽湿度的大小，如锅筒水位的控制影响蒸汽空间高度，锅炉负荷骤增或压力骤降也会使蒸汽湿度增大。

综上所述，选用合适的锅筒内径，提高汽水分离效率是减小机械性携带的主要途径。对于中、低压的小容量锅炉，蒸汽带水是蒸汽被污染的主要原因。

（2）蒸汽的选择性携带机理

选择性携带是指某些盐分直接溶解于蒸汽中形成的蒸汽带盐。饱和蒸汽和过热蒸汽都具有直接溶解盐分的能力。

饱和蒸汽溶盐能力取决于其在饱和蒸汽中的溶解度，即分配系数a_y的大小，主要与盐分种类，压力及pH值有关。试验表明，炉水中各种常见盐分的a_y与盐分种类及压力关系如图15.17所示，一般可用下式表示式中指数n由盐分种类确定。

图15.17　各种盐分的分配系数与压力的关系

①盐分种类。饱和蒸汽对各种盐分具有不同的溶盐能力，也称为选择性。由图15.17和式（15.58）可见，盐分的n值越小，在其它条件相同时a_y值越大，即蒸汽溶盐性能越大。按分配系数大小可将各种盐分分为三类：第一类，指数n＜1.0，大多为金属氧化物Fe₃O₄及Al₂O₃等。这类盐分在蒸汽中的溶解度最大，如在10MPa时a_y＝0.4左右，但在炉水中的含量很少，因此蒸汽中的含量也不大；第二类，指数n＝1.0～3.0，为弱电解质，在水中含量高的是硅酸H₂SiO₃，分配系数较大，10MPa时a_y＝0.01；第三类，指数n＞4，如NaOH、NaCl及Na₂SO₄等难溶于蒸汽的盐分，其分配系数比硅酸的低得多，10MPa时NaOH的a_y值仅为10^－4，一般可不予考虑。

②压力。随着压力增加，蒸汽与水的密度差减小，使蒸汽与水的性质亦即溶盐能力接近，则各种盐分的分配系数增大，如H2SiO₃的分配系数在18MPa时是10MPa的10倍左右。即饱和蒸汽的溶盐能力随着压力增高而迅速增大，使得蒸汽的含盐量增多。当达到临界压力时分配系数a_y＝1，即各种盐分的溶盐能力相同。因此，对于第三类n值略大于4.0的难溶于蒸汽的盐分，如NaOH及NaCl，在p≥14MPa时其分配系数仍应考虑，而对于n值更大的盐分，即使压力很高，分配系数还是很小，仍可忽略。

因此，高压锅炉中蒸汽溶解盐分是影响蒸汽品质的主要因素，必须加以重视。而在中、低压锅炉中，由于蒸汽溶盐能力差，并且允许的蒸汽湿度较高，因此机械性携带是影响蒸汽品质的主要因素，一般不必考虑蒸汽溶盐问题。

图15.18　硅酸分配系数与炉水pH值的关系

③pH值。硅在炉水中以硅酸及硅酸盐两种形态同时存在。其中硅酸易溶于饱和蒸汽，而Na₂SiO₃、Na₂Si₂O₅等硅酸盐属于第三类盐分，亦即在饱和蒸汽中的溶解能力很小，因此蒸汽中溶入的主要是硅酸。在炉水中硅酸与硅酸盐之间处于水解平衡状态

上式可见，如果提高pH值，即增加碱度，炉水中的OH^－增加，则平衡向左面移动，硅酸含量减少而相应的硅酸盐含量增加，则溶入饱和蒸汽中的硅酸将减少。如按计算，硅酸的实际的分配系数a_y减小，蒸汽中硅酸含量下降，如图15.18所示。a_y随pH值增加而减小的现象，在pH＞9时比较明显，尤其在超高压力以上，当pH≥12时，pH值的影响又逐渐减小。实际上，炉水的pH值应符合其水质标准，不能采用增大pH值的方法来减小饱和蒸汽中硅酸含量。因为过大的碱度将使炉水表面泡沫层增加，蒸汽湿度剧增，还可能引起苛性脆化。

综上所述，硅酸是蒸汽溶解性携带中最应注意的盐分，其不仅分配系数大，而且易在汽轮机中以不溶于水且难以清除的SiO₂沉淀，严重时将迫使汽轮机停机进行机械清理。采用提高给水品质和蒸汽清洗等措施是减小溶解性携带的主要途径。

进入过热状态的蒸汽含盐量主要有饱和蒸汽机械携带的NaCl、NaOH和Na₂SO₄，以及溶解携带的硅酸等，硅酸在过热蒸汽中失去水分形成SiO₂。各种盐分也能溶于过热蒸汽，它们的溶解度大小和在饱和蒸汽中相似，即饱和蒸汽中易于溶解的盐分在过热蒸汽中的溶解度较大，如NaCl、NaOH和SiO₂属于易溶盐分，而Na₂SO₄为难溶盐分。

临界压力以下，各种盐分在过热蒸汽中的溶解度具有相似的特性，除取决于盐分种类外，还与过热蒸汽的温度和压力有关。盐分在过热蒸汽中的溶解度具有下列特性：饱和蒸汽中易于溶解的盐分在过热蒸汽中的溶解度也较大；压力愈高溶解度愈大；压力一定时，随着温度增加有的盐分溶解度下降，有的增加，有的先下降然后再上升；过热汽温很高时，蒸汽接近于理想气体，盐分溶解度受温度影响大而受压力的影响相对减小；超临界压力下盐分溶解度的规律性与低于临界压力的情况类似^［2］。

难溶盐分Na₂SO₄的溶解度非常小，温度和压力对其在过热蒸汽中的溶解度的影响很也小。当温度小于450℃，温度增加时溶解度减小；当压力大于16MPa小于临界压力，温度大于450℃时，溶解度与压力无关，仅随温度升高略有增加。

3.锅内盐分的沉积

锅炉受热面的汽水系统一般由省煤器、水冷壁和过热器三部分组成。直流锅炉中的盐分，除被蒸汽带出锅炉外，其余全部沉积在各部分受热面中；而锅筒锅炉还可通过排污排除给水中带入的部分盐分，因此给水品质一般比直流锅炉的水质要低。

在省煤器中基本不会沉积盐分。因为只有如CaSO₄、CaCO₃、Mg（OH）₂等具有负溶解度的钙、镁化合物，当其在水中的浓度达到过饱和可能析出。一般给水中这些盐分的含量很少，或根本不存在。

在水冷壁中由于水的蒸发浓缩，水中含盐浓度增大。对于难溶于蒸汽的分配系数较小的盐分，其水中浓度增长较快，当该种盐分的含量大于其在水中的溶解度时，就会析出并沉积在蒸发段，如钙、镁盐分及Na₂SO₄等。压力愈高，盐类的分配系数也愈大，溶于蒸汽中的盐分愈多，水冷壁上积盐的可能性愈少。但是饱和温度也增加，ρ′下降而盐类在水中的溶解度降低，则使水冷壁中较易积盐。试验及运行表明，随着压力的提高，如水中盐类浓度不变，水冷壁管中沉淀开始点位置提前，向质量含汽率小的方向移动，即水冷壁中的积盐范围扩大。

对于那些较易溶于蒸汽的分配系数较大的盐类，其水中浓度增长较慢，一般不会沉积在蒸发段，如NaCl等。但在低、中压锅炉中，NaCl等盐分的分配系数大为减小时才有可能沉积。对于分配系数很大的盐分，如硅酸、金属氧化物等，不会在直流锅炉水冷壁中产生硅酸盐水垢，但这些盐分可能会在炉水含量过高及热负荷也高的锅筒锅炉水冷壁中沉淀。

在过热器中，饱和蒸汽携带的某种盐分的含量如果大于其在过热蒸汽中的溶解度，则多余盐分就会在过热器管内壁上析出沉积。反之，全部盐分溶于过热蒸汽并进入汽轮机。随着汽轮机膨胀作功，压力降低，盐分在蒸汽中的溶解度减小并逐渐地沉积在汽轮机中。

由于盐分在过热蒸汽中的溶解度随压力提高而增大，随温度增加呈现先下降后上升的趋势，所以对不同压力和过热蒸汽温度的过热器，其盐分沉积情况一般如下：在中、低压过热器中，由于压力低，主要沉积物有溶解度较小的NaCl、Na₂SO₄和Na₃PO₄等；在高压过热器中，主要沉积物有Na₂SO₄，而NaCl、Na₃PO₄等由于溶解度增大而沉积物很少；在超高压力及以上的过热器中，盐分的溶解度很大，一般不会在过热器中沉淀而基本转入过热蒸汽中。

氧化铁的溶解度由于随汽温增高而降低，因此氧化铁大都沉积在过热器中，只有少量被过热蒸汽带走，所以给水中的氧化铁含量必须小于过热蒸汽出口参数下的氧化铁最小溶解度。

对于超临界压力以上的直流锅炉，盐分在工质中的溶解度大为增加，因此沉积于锅内的盐分仅有难溶的钙、镁类。金属氧化物的含量超过工质中的溶解度时也会沉积。由于超临界工质的密度在拟临界温度处急剧变化，使得工质的溶盐能力突变，因此盐分大部分沉淀在最大比热区。