生物質(zhì)直燃鍋爐空氣預(yù)熱器腐蝕研究

賈少剛，王定才，丁恒，郭俊海

(1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000;2.華電宿州生物質(zhì)能發(fā)電有限公司，安徽 宿州 234000;3.安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽 宿州 234000)

1 機(jī)組概況

安徽華電宿州生物質(zhì)能發(fā)電有限公司一期2臺(tái)12.5 MW生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組分別于2008年7月和12月投入運(yùn)行。鍋爐由無錫華光鍋爐股份有限公司生產(chǎn)制造，型號(hào)為UG－75/3.82，是燃用生物質(zhì)燃料的75t/h的中溫中壓鍋爐，其空氣預(yù)熱器(以下簡(jiǎn)稱空預(yù)器)為臥式管箱式，分高、低溫段2組管箱，順列布置在尾部煙道內(nèi)。高溫段換熱管材質(zhì)為Q215－A.F鋼，其中有4023根? 40mm ×1.5mm 的管子，有180根? 40 mm×2 mm的管子;低溫段換熱管材質(zhì)為進(jìn)口耐酸、耐堿腐蝕的S－TEN1鋼，管子總數(shù)為3108根，管子規(guī)格為? 38.1 mm×2 mm。額定工況下空預(yù)器參數(shù)為:進(jìn)口煙溫，226℃;出口煙溫，142℃;進(jìn)口風(fēng)溫，20℃;出口風(fēng)溫，131℃;漏風(fēng)率，≤5%。

2 空預(yù)器檢修情況

該公司#1，#2機(jī)組投產(chǎn)1年后，檢查發(fā)現(xiàn)2臺(tái)鍋爐空預(yù)器換熱管腐蝕非常嚴(yán)重，尤其是低溫段冷風(fēng)進(jìn)口端處更甚，其腐蝕部位主要靠近管板處，如圖1所示。2009年8月#1鍋爐進(jìn)行第1次檢查性大修，低溫段3108根管子全部更換;2009年10月#2鍋爐進(jìn)行檢修時(shí)低溫段更換2400根管子;2011年5月#1鍋爐小修時(shí)低溫段更換了1987根管子，高溫段更換了80根管子，封堵57根管子;2011年6月#2鍋爐小修期間低溫段管子全部更換。

3 空預(yù)器腐蝕研究

圖1 腐蝕的管子

該公司鍋爐的燃料以玉米、小麥秸稈和豆秸為主，其干燥樣本的元素分析和工業(yè)分析［1］見表1。實(shí)際入爐燃料水分為40%～45%，入爐熱值為7.5～8.5 MJ/kg。

對(duì)鍋爐沉降灰和空預(yù)器銹垢進(jìn)行了X射線衍射成分分析(XRD)，結(jié)果見表2。XRD對(duì)24種元素進(jìn)行了定性半定量分析，從試驗(yàn)結(jié)果可知，鍋爐的沉積灰中主要是 Si，F(xiàn)e，Al，Ca，K，Cl元素，而空預(yù)器管銹垢中含量最高的為Fe元素。S－TEN管材的主要添加成分有 Mn，Cu，Si，Ni，Sb，P，除去上述幾種元素外，在銹垢中有 K，Mg，Cl，S等元素，這說明空預(yù)器的腐蝕現(xiàn)象與這幾種元素緊密相關(guān)，正是K，Mg，Cl，S等元素對(duì)生物質(zhì)鍋爐的過熱器產(chǎn)生了嚴(yán)重腐蝕［2］。空預(yù)器的低溫露點(diǎn)硫酸腐蝕肯定是存在的［3］，由表1可知秸稈類農(nóng)作物的w(S)較低，是燃煤的20%～25%，因此除低溫腐蝕外應(yīng)該同時(shí)存在其他的腐蝕，否則空預(yù)器的腐蝕不會(huì)如此快速和嚴(yán)重。

由文獻(xiàn)［4］可知，沉積在金屬表面的堿金屬氯化物可與煙氣中的SO2和SO3反應(yīng)，析出Cl2和HCl。

表1 生物質(zhì)燃料與煤的基本分析

表2 XRD分析

煙氣中硫的氧化物大部分是SO2，但是鋼管表層中的Fe2O3對(duì)SO3的生成具有催化作用，SO3的生成會(huì)加快反應(yīng)速度，而大部分硫酸鹽化則發(fā)生在積灰的內(nèi)部，反應(yīng)產(chǎn)生的Cl2和HCl接近金屬表面，導(dǎo)致金屬表面腐蝕。堿金屬硫酸鹽的沉積可以引起鋼鐵的腐蝕［5］，同時(shí)堿金屬硫酸鹽還能與金屬氧化膜反應(yīng)，形成熔融的復(fù)式硫酸鹽，導(dǎo)致鋼管致表面的氧化膜被破壞，如式(3)所示。

灰分中堿金屬化合物在受熱面的沉積為受熱面金屬的腐蝕創(chuàng)造了條件，在堿金屬、氯元素、硫元素的共同作用下，金屬壁面不斷被腐蝕;金屬氧化層的不斷剝落則加劇了腐蝕的進(jìn)程，導(dǎo)致管子完全腐蝕。

由此可見，空預(yù)器的腐蝕一方面是低溫硫酸、HCl腐蝕，另一方面是堿金屬鹽類物質(zhì)的沉積腐蝕，在這兩種腐蝕的共同作用下，生物質(zhì)鍋爐空預(yù)器換熱管腐蝕情況十分嚴(yán)重。

4 空預(yù)器改造及效果

燃煤、燃油和燃?xì)忮仩t空預(yù)器均存在較嚴(yán)重的低溫腐蝕現(xiàn)象［6－8］，針對(duì)空預(yù)器的低溫腐蝕現(xiàn)象，除調(diào)整運(yùn)行方式外，諸多鍋爐使用單位均將空預(yù)器鋼管改造為搪瓷管，改造后效果良好［9－11］。

搪瓷管是在鋼管的表面涂覆一層或數(shù)層瓷釉，通過燒結(jié)使兩者牢固結(jié)合。搪瓷管不但具有原鋼管的機(jī)械強(qiáng)度，還具有搪瓷涂層良好的耐酸腐蝕、耐磨和耐熱性能［12］，并且其傳熱性與鋼管基本相同［13－14］。

通過調(diào)研同類型鍋爐的情況并與鍋爐生產(chǎn)廠家技術(shù)人員探討后，確定了將原鍋爐空預(yù)器管箱整體改造為搪瓷管箱的方案。#1機(jī)組于2012年3月24日完成改造工作，#2機(jī)組于2013年4月底完成改造工作。搪瓷管由山東恒濤節(jié)能環(huán)保有限公司生產(chǎn)制造，搪瓷管母管材質(zhì)為Q195，瓷釉為高強(qiáng)耐腐蝕瓷釉 HTB －02，搪瓷厚度為(0.34 ±0.06)mm，具有極強(qiáng)的耐腐蝕、耐磨損特性，表面光滑不易積灰，其制造符合Q/GHT 001—2006《搪瓷鋼管式空氣預(yù)熱器》標(biāo)準(zhǔn)。

#1鍋爐空預(yù)器改造前、后的參數(shù)見表3，由表3可知:空預(yù)器出口風(fēng)溫達(dá)到了158℃，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值131℃，證明搪瓷管的傳熱性能要優(yōu)于原鋼管。#1鍋爐自改造后已運(yùn)行近2年，期間停爐檢修時(shí)對(duì)空預(yù)器進(jìn)行檢查，搪瓷管表面光潔，無瓷釉脫落現(xiàn)象，如圖2所示。

表3 #1鍋爐空預(yù)器改造前、后參數(shù)

圖2 改造后的空預(yù)器

按改造前熱風(fēng)溫度108℃、改造后熱風(fēng)溫度158℃、額定工況下送風(fēng)量86569 m2/h、空氣比熱容1.004kJ/(kg·K)、空氣密度1.17kg/m3、燃料入爐熱值8.0 MJ/kg、機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)7200 h、燃料單價(jià)300元/t計(jì)算，改造后每年可節(jié)約燃料量

86569×1.17×(158－108)×1.004×1000×7200/(8.0×106×1000)=4576(t)，

每年可節(jié)約燃料費(fèi)用

4576×300/10000=137(萬元)。

5 結(jié)論

生物質(zhì)鍋爐空預(yù)器的嚴(yán)重腐蝕是低溫露點(diǎn)腐蝕和堿金屬沉積腐蝕共同作用的結(jié)果，將空預(yù)器換熱管改造為搪瓷管后，空預(yù)器運(yùn)行狀況良好，腐蝕基本消除，搪瓷管傳熱狀況良好，漏風(fēng)率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，搪瓷管的使用壽命遠(yuǎn)高于原鋼管?？疹A(yù)器改造后經(jīng)濟(jì)效益良好，#1鍋爐改造后每年可節(jié)約燃料費(fèi)用130余萬元。搪瓷管空預(yù)器適宜在現(xiàn)有運(yùn)行的生物質(zhì)直燃鍋爐中推廣，最好在鍋爐制造安裝階段就使用搪瓷管。

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