中國電極鍋爐現(xiàn)狀及展望

引言

隨著能源清潔轉型的不斷深入，風、光等清潔能源將逐漸取代煤炭等化石能源，成為可利用的主要能源。國家能源局發(fā)布的《關于2021年風電、光伏發(fā)電開發(fā)建設有關事項的通知(征求意見稿)》提出，2030年我國一次能源消費將有25%左右來自可再生能源，風電和太陽能發(fā)電總裝機量達12億千瓦以上等目標任務。

風能和太陽能由于存在不穩(wěn)定性和隨機性，與電力系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性相矛盾，隨著其在能源供給中比例的不斷提高，造成整個能源系統(tǒng)中儲能總量不斷減少，具體表現(xiàn)為調節(jié)能力不足。而儲能技術作為一種有效的技術手段，能夠將隨機波動能源變?yōu)橛押媚茉矗行p緩新能源發(fā)電的隨機性和波動性，保障電網(wǎng)的安全運行。

近年，隨著儲能技術的快速發(fā)展，與清潔能源配套的蓄熱儲能技術相應地有所完善。其中，電極鍋爐蓄熱技術是應用前景十分廣闊的高效儲能技術。電極鍋爐蓄熱儲能技術是指利用低谷電力加熱水，以顯熱或者潛熱的形式將熱能在蓄熱罐儲存起來，在用電高峰期間將存儲的熱量釋放出來以滿足大面積供暖或外供工業(yè)蒸汽等其他用熱的需要，均具有能量轉換效率高、無環(huán)境污染、調節(jié)控制便利等優(yōu)點。電極鍋爐蓄熱完全可以適用于發(fā)電廠端，能夠大幅度提高機組靈活調節(jié)能力，其分布式儲熱的靈活電加熱方式可以完全實現(xiàn)低谷儲熱，提高電網(wǎng)低谷調峰能力。

2022年7月13日，工信部網(wǎng)站公示了《全國工業(yè)領域電力需求側管理第四批參考產(chǎn)品(技術)目錄》，其中就包括電極式鍋爐蓄熱系統(tǒng)，國內更加重視電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)在儲能、調峰、消納新能源等方面的作用，致力于推動能源結構的快速轉型，解決儲能領域的難題，使得清潔能源得到快速的發(fā)展。本文介紹了電極鍋爐的相關應用，重點介紹了電極鍋爐水儲熱技術在當前及未來的應用前景。

1.電極鍋爐的原理

1.1基本類型

電極鍋爐的工作方式與傳統(tǒng)的電鍋爐有著很大的區(qū)別，傳統(tǒng)的電鍋爐的加熱方式為電阻式加熱，即通過電熱管來加熱爐水，而電極鍋爐則是通過將高壓的電極直接作用于具有一定阻值的爐水，從而產(chǎn)生熱水或蒸汽，實現(xiàn)電熱之間高效的轉化，其效率可達99%以上。

電極鍋爐由于基本結構和工作原理的不同，可分為噴射式和浸沒式兩種類型，如圖1、圖2所示。

圖1 噴射式電極鍋爐（示例）

噴射式電極鍋爐：主體結構是一個大型的壓力容器，在容器上部裝有一個儲水容器，儲水容器周圍垂直地安裝著電極。容器底部儲有處理過的爐水，爐水通過循環(huán)水泵輸送到儲水容器之中，并通過容器壁四周的噴嘴噴出至周圍的高壓電極上，沿電極向下流動，高壓電流使得水加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸汽。

圖2 浸沒式電極鍋爐（示例）

浸沒式電極鍋爐：主要分為內、外筒兩個區(qū)域，位于爐外的循環(huán)水泵向鍋爐外筒輸送經(jīng)過處理的除氧水，爐內的循環(huán)水泵將外筒中的水輸送至內筒，內筒的爐水在高壓電極的作用下變成熱水或蒸汽。通過調控外筒補水控制高壓電極的浸沒深度，從而調節(jié)鍋爐的輸出功率。

兩種電極鍋爐之間有著很大的不同之處，將其進行比較分析，如表1所示。由表1可以看出，浸沒式電極鍋爐對于循環(huán)水量的要求較少，對三相電極進線電電源無要求，蒸汽品質較高，運行維護簡單，設備要求較低且占地面積小，便于分布式安裝，與噴射式電極鍋爐相比具有突出的優(yōu)勢，便于大規(guī)模應用。

表1 兩種類型電極鍋爐的比較

由于1995年瑞士核電站啟動鍋爐發(fā)生爆燃事故，噴射式電極鍋爐被歐洲禁用，僅在北美等地區(qū)使用，國內目前的產(chǎn)品也以浸沒式居多，故本文只針對浸沒式電極鍋爐做具體的分析。

1.2運行機理

浸沒式電極鍋爐的主體結構如圖3所示。主要由內筒區(qū)、外筒區(qū)及蒸汽區(qū)3部分組成。其中，內筒的主要功能是實現(xiàn)對爐水的加熱從而產(chǎn)生熱水或蒸汽，外筒用來存儲水以及補充內筒耗水，蒸汽區(qū)則是通過對出口蒸汽的調節(jié)來調整內筒的壓力。

鍋爐啟動時通過位于內筒的三相高壓電極將電壓施加于內桶的爐水，使得爐水在較短的時間內實現(xiàn)快速升溫。內筒與外筒之間通過循環(huán)水泵和管道連接，當內筒水由于滿足使用條件而發(fā)生轉移時，外筒內部的溶液通過循環(huán)水泵源源不斷地輸送至內筒以補充耗水，外筒的水則是通過外側的給水泵來進行補充。

由于內桶水的電導率會隨蒸汽的不斷輸出和鹽分的不斷積累發(fā)生變化，故需設置參數(shù)檢測裝置以及加藥調整裝置進行及時調整，一般加藥裝置設置在外筒與給水泵相連的管道上。對于筒內液體電導率較高的情形，則通過內筒排污閥排出部分高濃度的爐水。

圖3 電極鍋爐結構原理圖

內桶上方設置有蒸汽出口閥，用于及時調整內桶壓力。當鍋爐需要停止運行時，需要先把蒸汽閥門開到最大降壓，并逐步減少循環(huán)泵供水，降低內桶水位和輸出功率，等輸出功率降到足夠低時高壓側電源分閘，關閉循環(huán)泵和供水泵，停止鍋爐。

2.行業(yè)現(xiàn)狀

2.1發(fā)展歷程

對于電極鍋爐的研究至今已有100余年的歷史。1905年歐洲發(fā)明了世界上第一臺電極鍋爐，當時，受限于工業(yè)水平，并未得到廣泛應用；20世紀20年代，ZETA公司對電極鍋爐進行了改造，成功發(fā)明出ZETA牌高壓電極鍋爐，提高了安全性能；20世紀40年代，歐洲發(fā)明了另一種電極鍋爐———噴射式電極鍋爐，降低了對絕緣性能的要求，此時電極鍋爐開始應用于工業(yè)生產(chǎn)領域；20世紀70年代至80年代，國外的核電站建設規(guī)模迅速增大，此時由于電極鍋爐高環(huán)保性和安全性，廣泛應用于核電建設之中；20世紀90年代，國內首次引進了西屋公司核電技術，噴射式電極鍋爐開始在中國大規(guī)模應用。

2.2合作現(xiàn)狀

第1臺電極鍋爐問世至今已有100余年，漫長的發(fā)展歷程中許多海外電極鍋爐制造商不斷積累經(jīng)驗和進行技術革新，形成了各具特色的產(chǎn)業(yè)品牌，由此占據(jù)了電極鍋爐市場的大部分份額。由于國內對于電極鍋爐的研究起步較晚，技術水平不夠成熟，難以自主研發(fā)制造電極鍋爐，因此多數(shù)的國內企業(yè)都是通過與國外廠商技術合作等方式來謀求自身的發(fā)展。表2介紹了部分海外重點的電極鍋爐制造商以及其國內的合作廠商。

表2 國內外企業(yè)合作現(xiàn)狀

由表2可以看出，目前大部分的國內企業(yè)都是采用與海外廠家聯(lián)合，引進先進技術設備等方式來開展高壓電極鍋爐的研發(fā)、生產(chǎn)與制造。但實際上，從當前市場上各種類電極鍋爐的份額比例來看，進口品牌更易得到用戶的認可，多數(shù)國內用戶在選擇高壓電極鍋爐特別是當前國內難以獨立生產(chǎn)的大功率高壓電極鍋爐時都更加傾向于進口產(chǎn)品，即便是那些進軍國內市場相對較晚的國外品牌，依然能夠借助品牌效應迅速打開國內市場。

圖4分析了近年來國內部分企業(yè)的技術路線以及發(fā)展歷程。國內對于電極鍋爐的大規(guī)模引入始于本世紀初，隨著人們更深刻地認識到化石能源所引起的環(huán)境污染的危害以及國內面臨著能源結構的轉型等問題，國內廠商開始研究電極鍋爐在能源轉型中所發(fā)揮的作用。受限于技術因素，初期的廠商合作多以技術引進為主，分析原因為：一方面，電極鍋爐作為高尖端技術產(chǎn)品，其生產(chǎn)制造存在著諸多技術困難，需要部分技術交叉集成，研發(fā)的難度較大。國內對于電極鍋爐技術的研究起步較晚，部分技術達不到需求，并且測試大功率電極鍋爐的實驗條件難以獲得，給國內廠商研發(fā)、生產(chǎn)、制造電極鍋爐帶來了很大的困難。另一方面，在大規(guī)模技術引進之前，國內已采購和使用的電極鍋爐均為海外品牌，并且已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)鏈，部分廠商不得不通過尋求國際合作的方式來開拓國內市場。

基于以上原因，從本世紀初國內的部分企業(yè)開始謀求與海外廠商合作，通過引進尖端技術以及不斷學習改進來開拓國內市場和進行技術積累。

圖4 國內廠商技術路線分析

2.3技術革新

合作引進并不意味著完全照搬，當前與國外廠商建立良好合作關系的國內企業(yè)都是結合了國內的實際需求來進行技術改進。國內較為出名的浙江上能鍋爐有限公司便是選擇與加拿大ACME進行合作，上能沒有延續(xù)ACME在國外的產(chǎn)品型號，而是結合國內實際開發(fā)出了一種新型的全浸沒式結構電極鍋爐(CEJS)，成為國內唯一一家能夠把全浸沒式電極式結構技術同時應用到高電壓電極熱水和蒸汽鍋爐的廠家。

當然，國內部分廠商并沒有選擇與國外企業(yè)進行技術合作，而是選擇了更加艱難的自主研發(fā)。杭州華源前線能源設備有限公司和山東北辰機電設備股份有限公司便是具有突出代表性的兩家國內企業(yè)。在生產(chǎn)實踐中不斷實現(xiàn)技術突破革新，已經(jīng)形成了自己的技術路線并不斷突破自我，成為名副其實的國產(chǎn)領軍企業(yè)。

雖然國內對于電極鍋爐的研發(fā)較晚，在實際應用過程中仍然會遇到各種技術難題，但經(jīng)過科研人員的不畏艱難，刻苦攻關，使得國內電極鍋爐行業(yè)快速發(fā)展。表3整理了近年來國內部分企業(yè)在電極鍋爐的生產(chǎn)研發(fā)過程中的技術發(fā)展情況。可以看出，無論是選擇與國外廠商合作還是選擇自主研發(fā)的國內企業(yè)都進行了專項技術攻關并取得了一定的成果，已經(jīng)逐步形成產(chǎn)業(yè)體系。例如，華源前線專注于蓄能供熱系統(tǒng)，擁有專利80余項，其產(chǎn)品在民用供暖、工業(yè)供熱方面均得到了廣泛地應用。山東北辰的主要產(chǎn)品高壓電極鍋爐蓄熱/供熱機組為自主研發(fā)產(chǎn)品，已被認定為國內技術領先水平。

表3 國內部分企業(yè)的技術研發(fā)現(xiàn)狀

核心技術研發(fā)是企業(yè)賴以生存和進步的基礎，在國內企業(yè)對高壓電極鍋爐蓄熱產(chǎn)品的不斷研發(fā)過程中，關鍵核心技術的積累使得國內企業(yè)能夠保持較高的競爭力，拓展出更多的增量市場。隨著儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術的不斷進步，國內對于電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)的研究已經(jīng)步入了新的階段，各企業(yè)也在不斷拓展蓄熱產(chǎn)品路線，表4為國內部分企業(yè)的蓄熱產(chǎn)品路線。

表4 國內部分企業(yè)的蓄熱相關產(chǎn)品線

在已經(jīng)商業(yè)化的電極鍋爐儲能蓄熱技術中，“電極鍋爐+水蓄熱罐”無疑是近年來最熱門的蓄熱技術。相當一部分的企業(yè)已經(jīng)不局限于水體蓄熱，而是進行組合式發(fā)展，開發(fā)出固體蓄熱、熔鹽換熱等技術路線。

綜合來看，國內企業(yè)對于電極鍋爐的關鍵技術領域進行了相關的技術突破，在高壓電極鍋爐的應用尤其是對蓄熱調峰改造進行了相關的探索，并且已成功應用于項目之中，實現(xiàn)了技術路線的突破，有助于電極鍋爐的大規(guī)模推廣應用。

3.應用現(xiàn)狀與前景

3.1當前應用現(xiàn)狀

在碳中和目標大背景下，電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)作為能夠實現(xiàn)清潔能源消納領域的核心技術，已得到深入推廣，其安全、環(huán)保、操作簡便的特點使得它在核電廠輔助蒸汽系統(tǒng)、蓄熱供暖及火電廠靈活性改造等方面得到了廣泛應用。

電極鍋爐作為電廠輔助蒸汽系統(tǒng)的重要組成部分，在機組啟停階段電極鍋爐輔助蒸汽系統(tǒng)進行減壓處理，滿足用戶側的需求。目前，國內除部分老型核電站外基本采用電鍋爐，國際上在建、新建的核電站均采用電極鍋爐作為啟動鍋爐使用。

碳中和背景下國家大力推進清潔供暖工程，加快國內能源體系的改革，在這種情況下電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)在供暖領域得到了更為廣泛的應用。其中，電極鍋爐水蓄熱供暖系統(tǒng)以高轉換效率和普適性在全國范圍內已經(jīng)成功試點運行并投入工程應用，在新疆、青海等地已完成電極鍋爐水蓄熱系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應用。

高壓電極鍋爐+水蓄熱罐方案是當前火電廠調峰改造的主要方式之一，它能夠合理利用谷電實現(xiàn)能量轉化，緩解電力系統(tǒng)的供應緊張的形式，進一步提升電力資源的使用效率。同時，其經(jīng)濟效益較為顯著。

3.2未來應用前景

在國家能源局2021年發(fā)布的《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》中指出，儲熱技術已經(jīng)被列入新型儲能技術范疇。電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)能夠發(fā)揮儲能技術的作用，支撐新能源大規(guī)模發(fā)展，有效提高可再生能源消納比例、參與電力系統(tǒng)調峰蓄熱、實現(xiàn)清潔能源供熱以及提升農村用能電氣化水平。

3.2.1消納可再生能源

消納問題一直是阻礙可再生能源發(fā)展的難題。隨著碳達峰、碳中和目標的提出，可再生能源成為熱點產(chǎn)業(yè)，可再生能源的消納壓力也日益增大。可再生能源難以消納主要是因為自身具有隨機性和不穩(wěn)定性的特點，與電力系統(tǒng)要求的平穩(wěn)和可靠性相矛盾。在這種情況下，電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)作為新型儲能裝置成為了解決可再生能源消納的關鍵。儲能技術可以將隨機波動能源變?yōu)橛押媚茉矗瑧脙δ芗夹g可以減緩新能源發(fā)電的隨機性和波動性，優(yōu)化電網(wǎng)結構配置。這種情況下，電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)能夠與新能源發(fā)電聯(lián)合使用，將隨機波動能源變?yōu)橛押媚茉矗行p緩新能源發(fā)電的隨機性和波動性，保障電網(wǎng)的安全運行。

3.2.2調峰蓄熱

近年來，隨著新能源發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，負荷峰谷差仍在持續(xù)增大，電力系統(tǒng)的調峰需求也在不斷增加。當前，國內的電力供求十分緊張，現(xiàn)有的調峰資源不能夠滿足電網(wǎng)的調峰需求，導致各地機組被動參與調峰，限制了各地區(qū)機組的運行。

為緩解電網(wǎng)調峰壓力，各地均提出了不同的應對措施。有專家指出，需要從“源-網(wǎng)-荷”3個方面來解決。從電網(wǎng)側來講，需要從結構上提高電網(wǎng)調峰能力，電極鍋爐水蓄熱作為新型儲能技術，能夠削弱用戶間的熱負荷關系，實現(xiàn)熱電解耦，成為電網(wǎng)調峰優(yōu)先考慮的一項技術。

電極鍋爐水蓄熱技術能夠調節(jié)熱電機組的熱負荷，實現(xiàn)更大限度的機組供能。一般來講，熱電機組在供熱期間常常由于用戶側的需求調整發(fā)電負荷。采用電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)后，在采暖高峰期熱電機組會保持較高的發(fā)電負荷，此時用于采暖抽汽供熱的負荷不用調整到一個較低的水平，結合電極鍋爐本身的供熱量，完全能夠滿足用戶側的供熱需求，從而優(yōu)化電網(wǎng)資源的配置。這種新型儲能系統(tǒng)在國內已經(jīng)進行試點運行并取得了不錯的經(jīng)濟效果。

3.2.3清潔供暖

我國三北地區(qū)風力資源豐富，十分有利于風力行業(yè)的發(fā)展。但是由于風電難以消納，導致棄風現(xiàn)象異常嚴重，造成了嚴重的資源浪費現(xiàn)象。由于供暖期處于風季，是電網(wǎng)調峰最為困難的季節(jié)，于是在北方的冬季風力發(fā)電的出力能力受到嚴格地限制，風力發(fā)電在保證熱電機組滿足供熱需求的情況下被迫停運。此外，傳統(tǒng)燃油、燃煤鍋爐的使用對環(huán)境造成嚴重污染，不符合碳中和理念，受到嚴格地限制。在這種情況下，部分地區(qū)特別是三北地區(qū)如何采暖，成為首要考慮的問題。

早在2013年，國家能源局就在吉林白城建立了以風力發(fā)電為基礎的清潔能源供暖的試點工程，該項目采用高壓電極鍋爐與蓄熱裝置連用的系統(tǒng)，利用電網(wǎng)棄風的電力進行熱電轉化，將儲存的熱量進行供暖，實現(xiàn)了風能供暖。

與傳統(tǒng)化石能源相比，電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)不會造成任何的污染，而且由于熱電轉化效率極高，設備運行安全高效，完全可以實現(xiàn)清潔供暖。2019年7月，蓄熱電鍋爐供暖項目入選能源局《北方地區(qū)冬季清潔取暖典型案例匯編》，成為國家能源局大力推廣使用的新型電取暖設備之一。這種供暖方式具有建設周期短、選址范圍自由靈活等特點，有利于淘汰小型燃煤鍋爐，適用于區(qū)域集中供暖。同時，由于電極鍋爐本身還具有“即用即啟、不用即停”的強適應能力，能夠適應當前風電的不穩(wěn)定性，成為集中供暖下優(yōu)先考慮的補充供暖模式。

3.2.4農村電氣化改革

雖然現(xiàn)有電極鍋爐大多作為啟動鍋爐與核電等聯(lián)合使用，但由于電極鍋爐自身的廣泛適用性，它不僅僅應用于聯(lián)合儲能系統(tǒng)，也可以作為能耗裝置單獨使用。

在國務院發(fā)布的《2030年前碳達峰行動方案》中提出實施“碳達峰十大行動”并重點強調要推進農村地區(qū)清潔取暖，提升農村用能電氣化水平。在國家優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構、淘汰落后產(chǎn)能的過程中，電極鍋爐在產(chǎn)業(yè)能效水平的提升以及農村用能的低碳化轉型中定會發(fā)揮出至關重要的作用。

電極鍋爐由于啟停之間的轉換和它的變負荷的能力比較強，在微小型工業(yè)領域和農村分散式住戶的供暖等方面仍然有著很大的應用空間。用戶可以通過對電壓電流的調整來控制熱水/蒸汽產(chǎn)量，當用戶對熱水和蒸汽有使用需求時，電極鍋爐能夠快速地產(chǎn)出熱水和蒸汽以滿足需求；當用戶不需要熱水或蒸汽時，它能夠保持較低負荷運行甚至直接停爐。在實現(xiàn)熱電高效轉化的同時不會對環(huán)境造成污染，符合碳達峰要求下我國農村的低碳轉型要求，完全符合新形勢下國家能源轉型的重大戰(zhàn)略需求。

4.存在的問題

4.1電極材料問題

難以研發(fā)制造高安全性的電極材料仍是國內電極鍋爐廠商面臨的主要難題。對于電極材料，特別是碳基材料或貴金屬材料中部分金屬元素，如：Au，Ag和Zn等為電極材料的組成成分時，在電流存在的條件下會發(fā)生電催化還原CO2的反應，最終生成的CO。

同時，還需考慮到爐內腐蝕、電化學反應及高溫高壓高濕環(huán)境對電極材料造成的影響，所以制備高壓電極時材料的選擇、組分的配比及處理工藝的選擇猶為重要。在電極的制作過程中，完成電極棒核心部件的制作后，還需對電極棒表面進行鍍層處理以強化表面材料的性能，優(yōu)化電極的抗腐蝕氧化性能。

繁瑣的制備步驟和極高的工藝要求對于國內制造商提出了新的調整。由于國內電極鍋爐發(fā)展較晚，國內還沒有相對成熟的高壓電極制備的技術，核心電極材料仍需從瑞典、加拿大等國進口，難以獨立生產(chǎn)制造高壓電極鍋爐。同時，受限于現(xiàn)有工藝水平，國內高尖端材料難以實現(xiàn)高精度量化生產(chǎn)，測試大功率電極鍋爐的實驗條件難以獲得，仍需進行相應的技術攻關。

4.2絕緣瓷件問題

為了實現(xiàn)新的應用場景，電極鍋爐的電壓等級越來越高（35kV），鍋爐內壓也越來越高（8MPa）,傳統(tǒng)的C120電瓷材料在運行過程中由于高溫高壓容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，極大地縮短了絕緣瓷件的使用壽命，從而影響電極鍋爐的正常運行。

醴陵市精格特種瓷有限公司針對這種現(xiàn)象，通過使用C610電瓷材料開發(fā)適配電極鍋爐的絕緣瓷件，C610電瓷材料的高強度高導熱性能有效地提高了瓷件的使用壽命，為電極鍋爐的穩(wěn)定運行提供實質性保障。

4.3水處理問題

基于電極鍋爐獨特的電流直接加熱爐水的運行機理，電極鍋爐內部的裝置對于爐內水質的變化極其敏感，對于水質的要求極高，如果水質達不到要求會對電極鍋爐運行穩(wěn)定性和使用壽命造成很大的影響，因此需要采用加藥的方式來對鍋爐用水進行處理。

同傳統(tǒng)燃煤、燃油鍋爐相比，電極鍋爐尤其是高壓電極鍋爐對于水質的要求會更高，傳統(tǒng)的鍋爐給水加藥系統(tǒng)由于在參數(shù)調控方面具有延遲性，并且非常容易受到各種因素的干擾，導致在實際使用過程中效果并不理想，并不完全適用于電極鍋爐，仍需要開展進一步地研究。

4.4腐蝕問題

同傳統(tǒng)的火電鍋爐一樣，電極鍋爐在運行過程中也面臨著腐蝕問題。由于腐蝕過程比較緩慢，在鍋爐運行初期并不明顯，不會直接威脅到鍋爐的安全運行，但是一旦腐蝕形成，將會直接影響到鍋爐的運行，甚至引發(fā)安全事故。

對于鍋爐高壓電極腐蝕特性的研究，不僅要考慮到高溫高壓高濕環(huán)境，同時還需要考慮高壓交流電對電極的腐蝕。關于高溫高壓高濕環(huán)境引起的腐蝕已有不少學者進行了研究，如：楊健喬、王樹眾等人研究了4種合金材料在700℃超臨界水中的氧化行為；徐鴻、鄧博等人研究了一種鎳基合金在高溫高壓超臨界水中的氧化特性。

目前，對于電極鍋爐腐蝕問題尤其是交流腐蝕問題研究得較少。僅有鄭重等人對不同條件下電極鍋爐交流腐蝕的影響因素進行了分析，并且受限于實驗條件分析時并未考慮到空氣中氧氣的干擾，實驗電壓受限，導致實驗橫向對比樣本較少。現(xiàn)有對交流腐蝕的研究更側重于地埋管道。如：姜子濤研究了交流線路與管道腐蝕及距離；劉凱峰分析了埋管地線的交流腐蝕現(xiàn)狀。而對于宏觀的腐蝕過程研究較少，并且已有的對交流腐蝕的研究并不適用于鍋爐電極的交流腐蝕過程。因此，開展對高壓電極交流腐蝕的基礎研究就顯得格外重要。

4.5析氫問題

雖然電極鍋爐在調峰、供暖、儲能等方面有著廣泛的應用，但是其本身也存在著安全性問題———運行析氫。電極鍋爐的基本原理是用高壓電流來加熱水以實現(xiàn)能量的轉化，在這一過程中電極表面在高壓作用下會伴隨發(fā)生水的電解反應，交替的電流導致電極表面會間隔產(chǎn)生氫氣與氧氣。同時，由于電解水反應所需的電能很小，通常電位在2V及以上即可發(fā)生電解水的反應，故電解水反應貫穿電極鍋爐運行的整個過程。

運行過程中產(chǎn)生的氫氣若未及時排出，待其與氧氣混合后，混合物會積聚在蒸汽發(fā)生器回路內。而氫氣的爆炸極限是4.0%~75.6%，著火溫度不小于585℃，最低引爆能量僅為0.02MJ。如果聚集的氫氧混合物中氫氣達到爆炸極限，在進行爐內檢修時若存在明火現(xiàn)在或產(chǎn)生靜電條件則會引發(fā)爆炸。

目前，國內還沒有電極鍋爐運行析氫的解決方案。鍋爐在檢修時由于明火而造成爆爐的現(xiàn)象仍時有發(fā)生，對鍋爐維修人員造成了嚴重的傷害。因此，如何處理可燃性氣體保證系統(tǒng)安全持續(xù)運行是急需解決的難題。

5.建議發(fā)展方向

通過對于行業(yè)內普遍存在的問題的分析，明確了當前國內電極鍋爐行業(yè)仍然面臨著諸多的技術難題。這些困難并不是在短時間內能夠攻克的，仍需技術經(jīng)驗的積累以及科技水平的提高。對此，提議在以下幾個方面來進行專業(yè)技術攻關。

5.1電極材料和高壓電極制備工藝

高壓電極蒸汽發(fā)生器產(chǎn)業(yè)界急需攻關的方向是電轉化為熱的大型電極材料。目前，其仍嚴重依賴進口(如瑞典特種合金材料)，在國內的研究及應用處于空白。需要攻克高效電化學催化劑、復合電極及非石棉復合隔膜材料開發(fā)三大技術性難題，建立起能夠制備符合國際標準電極的電極體系。

高壓電極難以大規(guī)模生產(chǎn)制作的關鍵問題之一是其電化學催化劑問題。金屬鉑是一種非常理想高效的電化學催化劑，但是高昂的價格致使其難以實現(xiàn)電極的量產(chǎn)。有人提出將鉑催化劑分散于不同的載體制成復合電極材料，但是在制作過程中不僅要考慮到催化劑的活性、尺寸和表面功能群等性狀，還需要考慮到電子特性和磁化特性，這對于國內工藝技術提出了新的挑戰(zhàn)。非石棉復合隔膜材料開發(fā)是電極制備行業(yè)面臨的一個難題，其核心制備技術一直掌握在國外公司，國內目前還處于研究階段，仍需開展進一步地研究。

5.2電極鍋爐運行過程中離子檢測與控制

為提高蒸汽發(fā)生器的安全系數(shù)，避免水介質中的電解水析氫反應的進行，在保證蒸汽發(fā)生器電流傳導性滿足運行需求的同時，需降低水中腐蝕爐體、促進析氫反應的金屬離子含量。

為了控制蒸汽發(fā)生器水呈堿性、減少氧氣與碳酸含量，需要對水進行軟化和脫鹽；同時，還需控制爐水中離子不能在爐內形成腐蝕或者水垢，且不能隨著熱水蒸汽發(fā)生器溫度升高而有過高的反應活性。因此，建議在電極鍋爐外部設置實時離子監(jiān)測系統(tǒng)、除鹽裝置及加藥劑量控制裝置。

5.3高濕環(huán)境下H2高靈敏度檢測

三相電機交流電作用下，因各種離子的存在使水中存在電子移動，電極表面在高壓作用下會伴隨發(fā)生水的電解反應，交替的電流導致電極表面會間隔產(chǎn)生氫氣與氧氣。如果產(chǎn)生的氫氣達到爆炸極限，在進行爐內檢修時，在明火或產(chǎn)生靜電的情況下，會引燃氫氧混合物，發(fā)生爆炸。

因此，建議構建一套實時監(jiān)測氫氣化合氣組分分析的系統(tǒng)，能夠精準捕集氫氣組分輸出信號，并正向反饋給電極系統(tǒng)，進行參數(shù)調節(jié)響應，及時阻斷析氫反應進行，嚴格控制氫氣化合氣成分比例低于爆炸極限。

5.4高壓電極鍋爐本體與安全防護系統(tǒng)

高壓電極鍋爐的加熱功率調節(jié)主要是通過調節(jié)與電極的接觸水量來實現(xiàn)的，即通過改變電極間的電阻實現(xiàn)電功率轉換為熱功率。高壓電極采用浸沒式，電極與爐水直接接觸，加熱功率可以在5%~100%范圍內調節(jié)。

建議對鍋爐的本體材料、金屬筒體絕緣隔離的安全防護進行重點研究。對于筒體材料來說，一方面，要防止筒體中的堿性工質對筒體材料造成影響，包括盾體材質、進水管材質和升降設備材質選擇等；另外一方面，需要做好安全絕緣保護，主要包括進出口介質管道、接地保護、高壓電極絕緣及升降設備絕緣等。

在發(fā)生器運行安全方面，建議設置必要數(shù)量的安全閥，保護水被蒸干或者全部產(chǎn)生蒸汽的風險。對于整個鍋爐運行系統(tǒng)需設置安全溫度控制保護、壓力控制保護、水量控制保護、漏電保護和產(chǎn)漏氫保護等安全保護系統(tǒng)。

6.總結與展望

對于電極鍋爐的基本結構原理、當前行業(yè)現(xiàn)狀、應用現(xiàn)狀與前景以及當前存在的問題進行了分析，總結如下：

（1）我國電極鍋爐企業(yè)已經(jīng)從與海外廠家合作引進技術并改進的時期逐步過渡到通過自身技術突破在中/低壓電極鍋爐領域實現(xiàn)了自主生產(chǎn)制造，但是在高壓電極鍋爐方面仍然面臨著諸多難題，還需要進一步地研究。

（2）電極鍋爐作為核電站輔助啟動鍋爐，在機組啟動及緊急停堆時發(fā)揮著不可替代的作用。“雙碳”目標戰(zhàn)略規(guī)劃下，未來電極鍋爐配合儲熱系統(tǒng)在消納風力、光伏等可再生能源發(fā)電、儲汽蓄熱參與電網(wǎng)調峰、電熱高效轉換實現(xiàn)冬季清潔供暖與提高農村電氣化水平等方面應用前景廣闊。

（3）當前電極鍋爐制造業(yè)普遍存在的問題在于水質、材料、腐蝕與析氫4個方面。高壓電極鍋爐對于水質要求極高，傳統(tǒng)的鍋爐給水加藥系統(tǒng)并不完全適用；高壓電極材料仍然嚴重依賴進口國內仍難以實現(xiàn)自主大規(guī)模量產(chǎn)；國內有關電極鍋爐腐蝕尤其交流腐蝕問題的研究受實驗條件限制，發(fā)展緩慢；運行過程中電解反應產(chǎn)生的H?，CO等可燃性氣體處理是系統(tǒng)安全持續(xù)運行急需解決的難題。

解決當前我國電極鍋爐行業(yè)面臨難題，建議從以下幾方面技術進行重點突破：

（1）需攻克高效電化學催化劑、復合電極及非石棉復合隔膜材料開發(fā)3大難關，制備達到國家和行業(yè)標準的高壓電極。

（2）揭示H?，CO的生成規(guī)律并研發(fā)抑制技術與高效處理裝置。

（3）構建實時監(jiān)測氫氣化合氣組分分析系統(tǒng)，以應對運行過程重大高濕環(huán)境對于H?高靈敏度檢測所造成的影響。

（4）重點研究電極鍋爐的本體材料、金屬筒體絕緣隔離的安全防護，構建高壓電極蒸汽發(fā)生器本體與安全保護系統(tǒng)。

注：原文作者為王昊、董鶴鳴、杜謙、魏國華。編者有所改動。