超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐高溫硫腐蝕分析及電弧噴涂防腐應(yīng)用

謝衛(wèi)國(guó)

(山西興能發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 太原 030206)

1 機(jī)組概況

山西興能發(fā)電有限責(zé)任公司二期工程(2×600 MW)鍋爐為HG－2000/25.4－YM12型一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行、帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、Π形布置的本生直流鍋爐，鍋爐下部水冷壁及灰斗采用螺旋管圈，上部采用一次垂直上升管屏。30個(gè)低NOx軸向旋流燃燒器前后墻布置，采用對(duì)沖燃燒方式。配置正壓直吹制粉系統(tǒng)，前墻從上至下布置B，D，F(xiàn)磨煤機(jī)，后墻從上至下布置 A，C，E磨煤機(jī)。每臺(tái)磨煤機(jī)帶1層燃燒器，任意5臺(tái)磨煤機(jī)能長(zhǎng)期帶額定負(fù)荷運(yùn)行。煤粉細(xì)度(設(shè)計(jì)煤種)R90=17%。

山西興能發(fā)電有限責(zé)任公司#3鍋爐投產(chǎn)運(yùn)行1年后，發(fā)現(xiàn)燃燒器高度區(qū)域水冷壁左右側(cè)墻向火側(cè)外壁高溫腐蝕嚴(yán)重(如圖1所示)，進(jìn)行了局部換管。經(jīng)統(tǒng)計(jì)實(shí)際入爐煤的煤質(zhì)資料，電廠實(shí)際用煤中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)1.50%，與設(shè)計(jì)煤種硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.82%相差較大。為尋求合理的解決方案，相關(guān)技術(shù)人員對(duì)兄弟電廠進(jìn)行了調(diào)研。眾所周知，解決劣質(zhì)煤的穩(wěn)定燃燒與防止高溫腐蝕的發(fā)生，在許多技術(shù)的應(yīng)用上是矛盾的，運(yùn)行調(diào)整和設(shè)備改造效果并不是很理想，且無(wú)特別成熟的經(jīng)驗(yàn)。

2 水冷壁高溫硫腐蝕的形成過(guò)程

圖1 水冷壁左右側(cè)墻向火側(cè)外壁高溫腐蝕

對(duì)沖燃燒鍋爐的高溫硫腐蝕通常發(fā)生在爐膛兩側(cè)墻水冷壁上，這是因?yàn)閷?duì)沖燃燒鍋爐通常采用雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器，前后墻的一次風(fēng)相碰后煤粉氣流沖向兩側(cè)水冷壁，煤粉在水冷壁附近燃燒產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致煤粉沖刷水冷壁并形成腐蝕性氣氛;同時(shí)，水冷壁兩側(cè)墻附近的旋流燃燒器出口煤粉易偏向兩側(cè)墻，并隨著旋流強(qiáng)度的增加而加重，使兩側(cè)墻附近易形成還原性氣氛和腐蝕性氣體，因此，對(duì)沖燃燒鍋爐的腐蝕部位一般在水冷壁兩側(cè)墻。

水冷壁高溫硫腐蝕是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，它與爐膛管壁附近的溫度、氣體成分、煤質(zhì)和煤粒的運(yùn)動(dòng)狀況有關(guān)。煤的硫分越高，燃燒后腐蝕性物質(zhì)含量就越高，與水冷壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性就越大。

大型鍋爐水冷壁高溫硫腐蝕過(guò)程如下:

(1)在爐膛內(nèi)，煙氣溫度一般在800℃以上，煤粉中的黃鐵礦(FeS2)受熱分解，反應(yīng)式為

一定濃度的H2S和SO2存在時(shí)，便生成硫

(2)在還原性條件下，硫直接與Fe發(fā)生反應(yīng)生成 FeS，即

(3)H2S能通過(guò) Fe2O3層，與磁性氧化鐵層Fe3O4中復(fù)合的FeO發(fā)生反應(yīng)

(4)高溫條件下，F(xiàn)eS會(huì)被繼續(xù)緩慢氧化成Fe3O4，即

從上述分析可知:煤中的硫和硫化物是形成硫腐蝕的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是高溫硫腐蝕的內(nèi)因;外部條件是高煙溫導(dǎo)致水冷壁溫度高和煤粉火焰貼墻，形成近壁面強(qiáng)還原性氣氛。而煤的燃燒特性則直接影響水冷壁管周?chē)€原性氣氛的生成量，影響管壁的腐蝕速度。爐膛中還原性氣氛增加，可燃硫以及硫化氫等氣體含量增高，這是造成高溫腐蝕的重要原因;另外，除直接化學(xué)反應(yīng)外，借助FeS層的半導(dǎo)體性能和密集的深入龜裂紋，煙氣中的氧氣與H2S結(jié)合，便可能發(fā)生電化學(xué)腐蝕，使腐蝕速度加快;再者，由于煤粉過(guò)粗，煤粉氣流和煤粉回流區(qū)氣流沖刷水冷壁管，使管壁腐蝕產(chǎn)物脫落，腐蝕不斷進(jìn)行，導(dǎo)致腐蝕和磨損并存。

3 防腐噴涂技術(shù)的應(yīng)用

燃煤電廠鍋爐水冷壁在長(zhǎng)期經(jīng)受硬固體顆粒沖擊和碰撞的同時(shí)，也受到硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫化氫等物質(zhì)的化學(xué)腐蝕，這種典型的腐蝕與磨損并存的工況是水冷壁管工作失效的主要原因。當(dāng)爐管處于高溫狀態(tài)時(shí)，這種腐蝕會(huì)向深層次發(fā)展，因此，對(duì)其表面進(jìn)行防腐處理是非常必要的。針對(duì)鍋爐工作面的腐蝕情況及運(yùn)行工況參數(shù)，對(duì)鍋爐水冷壁受熱工作面采用超音速電弧噴涂技術(shù)進(jìn)行防護(hù)，可獲得良好的效果，大大延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低維護(hù)成本。

3.1 防腐噴涂的必要性

(1)涂層能防磨防腐，有效阻止腐蝕，防止層層剝落。

(2)采取運(yùn)行調(diào)整及設(shè)備改造的措施后，雖然部分電廠有效果，但有的會(huì)加重腐蝕，其結(jié)果具有不確定性。采用電弧噴涂工藝可有效解決上述問(wèn)題，且易于操作，可靠性高。

3.2 材料

防腐電弧噴涂特種絲材生產(chǎn)技術(shù)已比較成熟，該絲材就是針對(duì)在高溫環(huán)境中經(jīng)受酸、堿、鹽嚴(yán)重腐蝕和磨粒磨損的工作表面，采用超音速電弧噴涂工藝進(jìn)行有效強(qiáng)化而設(shè)計(jì)制造的噴涂材料。

(1)防腐特種絲材采用了特種陶瓷組分，在噴涂過(guò)程中形成硬度極高的硬質(zhì)相及塑性金屬相，從而使涂層既有硬質(zhì)陶瓷相，又有包圍這些硬質(zhì)相的具有良好塑性的金屬黏合相，構(gòu)成抗磨損性能優(yōu)異的涂層體系。涂層中的微觀結(jié)構(gòu)與沖蝕顆粒有一定的配比要求。

(2)構(gòu)成防腐特種絲材的粉芯采用了團(tuán)聚工藝，使各組分在每個(gè)顆粒中都占據(jù)相同的質(zhì)量比，保證了涂層成分的均質(zhì)性，避免了傳統(tǒng)混合法存在的不均勻問(wèn)題。

(3)防腐特種絲材粉芯中含有放熱性成分，在噴涂過(guò)程中發(fā)生放熱反應(yīng)，加強(qiáng)了涂層與基體的結(jié)合以及涂層本身的凝聚性。

(4)防腐特種絲材涂層具有與受熱面大致相近的線性膨脹系數(shù)(8.8 ×10－6/K)。

3.3 超音速電弧噴涂防腐防磨工藝介紹

超音速電弧噴涂的施工過(guò)程主要有4道工序:機(jī)械除渣、噴砂表面粗化、噴涂及涂層封閉。在各個(gè)施工階段有著嚴(yán)密的檢測(cè)手段及檢測(cè)方法。

(1)機(jī)械除渣。除去水冷壁表面積灰及焦塊等雜物。

(2)噴砂。選用#16～#20石英砂粗噴，使其表面清潔度達(dá)Sa3.0級(jí)。一般來(lái)說(shuō)，工件管壁厚度不小于4mm即可進(jìn)行噴砂，正常的噴砂工藝不會(huì)影響管壁的力學(xué)性能。噴砂后管壁表面應(yīng)干燥，無(wú)灰塵、油污、氧化皮、銹斑及其他雜物，基材表面呈現(xiàn)均質(zhì)的灰白色并保持一定的粗糙度，以利于噴涂層粘接，管壁打磨后減薄量為0.08～0.10 mm。

(3)噴涂。根據(jù)鍋爐的具體工況選取不同的噴涂材料，了解水冷壁腐蝕、磨損情況，根據(jù)不同工況下工件所要求的耐磨、耐腐蝕性能選擇相應(yīng)的材料。以特種絲材為例，其噴涂工藝控制參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 防腐特種絲材采用電弧噴涂工藝的控制參數(shù)

(4)涂層封閉。為防止煙氣中的腐蝕性氣體通過(guò)涂層孔隙滲透到涂層與基層結(jié)合層面造成內(nèi)腐蝕，當(dāng)天噴完的區(qū)域應(yīng)及時(shí)封閉。對(duì)噴涂表面進(jìn)行封孔處理，強(qiáng)化噴涂效果。涂層表面噴涂均勻、光滑，無(wú)掛珠現(xiàn)象。

3.3.1 電弧噴涂涂層應(yīng)具有的性能

(1)涂層厚度為0.3～0.6 mm。

(2)結(jié)合強(qiáng)度為38.16 MPa，硬度≥51.9 HRC。

(3)涂層孔隙率控制在1%以內(nèi)。

(4)800℃時(shí)抗沖擊、抗氧化性是#10鋼的20倍。

(5)耐磨粒磨損性能。以15CrMoG鍋爐管材為對(duì)比材料，經(jīng)磨損試驗(yàn)測(cè)定，防腐特種絲材的磨損量為140.5mg，15CrMoG 的磨損量為446.3mg，表明防腐特種絲材的耐磨性能為后者的3.19倍，大約是45CT的2.00倍。

(6)平均磨損速度≤0.13 mm/年。

(7)膨脹系數(shù)與金屬相近，為8.8×10－6/K。

(8)超音速霧化減小了粒子的粒度，降低了涂層的粗糙度，也降低了粒子扁平化過(guò)程中的飛濺，有利于降低涂層的孔隙率。

(9)鍋爐長(zhǎng)期運(yùn)行后涂層不脫落、不開(kāi)裂。

3.3.2 注意事項(xiàng)

(1)噴涂時(shí)合理控制噴涂溫度，防止管子過(guò)熱及電弧損傷。

(2)涂層表面噴涂均勻，平整光滑，無(wú)剝落、起皮及漏噴現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

超音速電弧噴涂涂層性能良好、噴涂效率高、成本低且適宜現(xiàn)場(chǎng)原位大面積施工，即使在比較惡劣的環(huán)境中噴涂，同樣能獲得可靠的涂層質(zhì)量。近年來(lái)，隨著超音速電弧噴涂槍以及專用于電弧噴涂粉芯絲材的問(wèn)世，涂層的組織和性能有了進(jìn)一步的改善，使超音速電弧噴涂技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用前景更加廣闊，在燃用高硫煤的鍋爐水冷壁防腐方面具有其他方法難以替代的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)鍋爐水冷壁管進(jìn)行電弧噴涂，提高了管壁表面的耐磨、耐腐蝕性能，保證了電站鍋爐連續(xù)、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益良好。

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