高壓電極鍋爐電極材料耐久性試驗(yàn)研究

陳衛(wèi)波 陳志高 張大長(zhǎng) 汪喆

摘 要：本文通過(guò)開(kāi)展不同電極材料耐久性試驗(yàn)，考察5種電極材料在等濃度磷酸鈉溶液中的耐腐蝕性能。研究結(jié)果表明石墨電極、不銹鋼電極、Q235鐵片、鋼筋均有不同程度的電解，而鈦電極表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐腐蝕性，該研究成果可為高壓電極鍋爐電極材料的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓電極鍋爐;電極材料;耐久性試驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.004

0 概述

隨著國(guó)家對(duì)電能替代工作的高度重視，電極鍋爐在國(guó)內(nèi)迎來(lái)了前所未有的發(fā)展，電極鍋爐因具有效率高、無(wú)噪聲、環(huán)保無(wú)污染、占地面積小、啟動(dòng)速度快、可在低負(fù)荷下長(zhǎng)期作用等特點(diǎn)，在供暖行業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

其中，高壓電極作為電極鍋爐的核心構(gòu)件，國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究都非常少，已有的研究主要從總體角度分析電極形狀和電極排列位置、方式對(duì)爐水加熱效率的影響，缺少對(duì)高壓電極材料耐腐蝕性的研究。吳炳晨[1]對(duì)浸入式鍋爐汽水參數(shù)進(jìn)行研究，闡述了三相電極設(shè)計(jì)成曲棍球球桿形狀的原因：加熱時(shí)，配合爐水上下螺旋運(yùn)動(dòng)，可使鍋爐在電功率較低時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)液位的線(xiàn)性調(diào)節(jié)，使電功率線(xiàn)性調(diào)節(jié)范圍達(dá)到0.5%～100%。郭峰[2]研究了浸沒(méi)式電極鍋爐的原理，電極兩極幾乎周長(zhǎng)相等，這樣所形成的電場(chǎng)強(qiáng)度比較均勻，不會(huì)產(chǎn)生水的電解作用，因而不會(huì)產(chǎn)生氫氣，保證了鍋爐的安全。但兩者均未考慮到電解質(zhì)溶液對(duì)電極的腐蝕作用。因此，對(duì)高壓電極耐久性的研究顯得尤為重要。

本文開(kāi)展了不同電極類(lèi)型耐久性試驗(yàn)，重點(diǎn)探究了在配置濃度為0.003%的磷酸鈉溶液中5種電極材料的電解程度，為浸沒(méi)式電極鍋爐高壓電極的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考[3-5]。

1 高壓電極鍋爐原理

1.1 高壓電極鍋爐的產(chǎn)汽流程

浸沒(méi)式電極蒸汽鍋爐的運(yùn)行主要利用電極直接加熱帶有一定電導(dǎo)率的爐水的方式，鍋爐內(nèi)筒的水作為電阻，在電流的作用下迅速加熱，聚集一定熱量后，就產(chǎn)生了高質(zhì)量的蒸汽。鍋爐內(nèi)循環(huán)泵將外筒水流打入內(nèi)筒，不斷地給內(nèi)筒補(bǔ)水。鍋爐正常運(yùn)行或在熱備用狀態(tài)時(shí)，需要將保持內(nèi)外筒總水量維持恒定，所以需要通過(guò)給水泵向鍋爐外筒補(bǔ)給除氧水。

1.2 高壓電極鍋爐的產(chǎn)汽原理

浸沒(méi)式電極鍋爐的內(nèi)筒分成相同的三部分，中心點(diǎn)即為內(nèi)筒的中心;在內(nèi)筒的中心，3個(gè)分區(qū)以120°的角度均分相交，同時(shí)通過(guò)內(nèi)筒底部連通，電極鍋爐的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在浸沒(méi)式電極鍋爐的內(nèi)筒四周，電場(chǎng)分布如圖2所示，具有如下的特點(diǎn)：

（1）增加了電流的導(dǎo)通體積。（2）三相導(dǎo)電的兩極為電極表面端與內(nèi)筒端，面積都比較大，而且電極兩極幾乎周長(zhǎng)相等。所以，形成了均勻的電場(chǎng)強(qiáng)度，確保了電極鍋爐的安全性;（3）在三相電極所圍成的區(qū)域之內(nèi)，電場(chǎng)的強(qiáng)度幾乎為0;（4）在內(nèi)筒的底部，溶液的離子在內(nèi)筒內(nèi)壁和各電極之間電壓的作用下，會(huì)形成一個(gè)如圖2所示的均勻電磁場(chǎng)，在電磁場(chǎng)的作用下，溶液中的離子做上下運(yùn)動(dòng)，形成電流，加速了水分子的汽化;（5）在內(nèi)筒的底部，在各電極之間電場(chǎng)的作用下，在3個(gè)電極之間形成一個(gè)電磁場(chǎng)，隨著三相電流的相差，溶液中的導(dǎo)電離子形成復(fù)雜的漩渦，增強(qiáng)了液體流動(dòng)，加速了水的蒸發(fā)，也起到了減少內(nèi)筒底結(jié)垢的作用。

2 高壓電極耐久性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

（1）電極類(lèi)型。根據(jù)現(xiàn)有鍋爐電極類(lèi)型，選取5種較為常見(jiàn)的

材料，分別為石墨電極棒（Φ20×500）、不銹鋼電極片（400×40×2）、Q235鐵片（400×50×0.35）、鋼筋（Φ8×500）和鍍鉑鈦電極。

（2）試驗(yàn)方法。如下圖3所示，配置濃度為0.003%的磷酸鈉溶液，分別將石墨電極、不銹鋼電極片、Q235鐵片、鋼筋電極懸浮于鐵桶的中心位置（鈦電極用燒杯），電極頂部接通220V的交流電。筒的內(nèi)部安裝浮球閥裝置，外部連接儲(chǔ)水箱，可始終保持鐵桶中水位的恒定，每個(gè)電極加熱3天。

（3）測(cè)試方法。通過(guò)肉眼觀(guān)察電極表面的顏色變化及溶液的渾濁程度初步判斷電解程度，隨后用電子天平準(zhǔn)確量出電極的質(zhì)量變化。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）溶液及桶壁變化。試驗(yàn)過(guò)程中電極周?chē)写罅繗怏w出現(xiàn)，大約20小時(shí)之后，除鈦電極之外的4種電極試驗(yàn)裝置中的溶液均開(kāi)始變得渾濁，且桶內(nèi)周?chē)写罅康狞S色銹斑依附在桶壁上。

鈦電極因材料有限采用燒杯加熱，試驗(yàn)3天之后可以看出燒杯周?chē)蔫F絲網(wǎng)有明顯生銹的現(xiàn)象，溶液沒(méi)有渾濁和沉淀物，試驗(yàn)前后杯壁變化如圖4所示。

（2）電極變化。經(jīng)過(guò)3天的試驗(yàn)，5組電極均有不同程度的電解，Q235電極片和不銹鋼電極片表面有不同顏色的物質(zhì)析出，且厚度變薄，由于附著物的產(chǎn)生，Q235電極片重量由76.5g變?yōu)?6.6g;石墨電極棒和鋼筋電極棒略微變細(xì)，且顏色變深;鈦電極表面有變黑的跡象，但尺寸沒(méi)有發(fā)生變化。5種電極材料的質(zhì)量均沒(méi)有明顯改變，試驗(yàn)后電極變化如圖5所示：

3 結(jié)論

（1）電極耐久性試驗(yàn)中，桶內(nèi)有大量的黃色銹斑依附在桶壁上，這說(shuō)明交流電的陰陽(yáng)極在火線(xiàn)與零線(xiàn)之間交替變換，桶壁也有一半的時(shí)間充當(dāng)陽(yáng)極，因此也會(huì)發(fā)生電解，而鍍鉑鈦電極要遠(yuǎn)比鐵絲網(wǎng)穩(wěn)定，同時(shí)內(nèi)筒壁的抗腐蝕性也是需要研究的方向之一;

（2）Q235電極片、不銹鋼電極片、石墨電極棒、鋼筋電極棒尺寸均發(fā)生不同程度縮小，且表面有物質(zhì)析出，說(shuō)明這4種電極材料在電解質(zhì)溶液的環(huán)境下耐腐蝕性較差，不能滿(mǎn)足高壓電極鍋爐的要求。鈦電極的表面也有明顯變黑的跡象，但尺寸并沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明鈦表面生成了致密的氧化物保護(hù)膜，使其具有消光特性，改善材料的耐腐蝕性能[6]。

因此可得出如下結(jié)論：鈦電極有更強(qiáng)的耐腐蝕性，更適于作為高壓電極鍋爐的電極材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳炳晨，吳航宇.核電電極浸入式鍋爐汽水參數(shù)反向控制電功率方法[J].中國(guó)電力，2017，50（02）：107-112+123.

[2]郭鋒，夏青揚(yáng)，劉楊.浸沒(méi)式電極鍋爐原理及應(yīng)用[J].能源研究與管理，2012（02）：65-67.

[3]和平志，劉紅，朱鵬飛，宋文君.輥式鈦電極制造工藝的改進(jìn)[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2017，34（03）：40-42.

[4]楊琴.鈦合金與鈦鋁合金的擴(kuò)散連接工藝研究[D].華北電力大學(xué)，2015.

[5]秦維，姚建林，顧仁敖.純鈦電極上的表面增強(qiáng)拉曼光譜研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（12）：3300-3303.

[6]姚惕予.鈦及鈦合金的表面發(fā)黑[J].南京528廠(chǎng)機(jī)械制造分廠(chǎng)工藝所，2002.

[7]王巖峰.鈦合金表面發(fā)黑工藝研制及機(jī)理研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2009.

作者簡(jiǎn)介：陳衛(wèi)波（1981-），男，浙江臺(tái)州人，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事熱浸鍍鋅、電極鍋爐工程設(shè)計(jì)和研究工作。