對生物質鍋爐水冷壁管高溫腐蝕的分析

吳新建++殷飛

摘 要：某公司鍋爐為無錫華光鍋爐股份有限公司設計生產(chǎn)的秸稈直燃爐排爐，為國內(nèi)第一臺自主設計的高溫高壓秸稈爐排爐。鍋爐自2008年6月投入商業(yè)運行，鍋爐受熱面已有不同程度的減薄，本文主要針對腐蝕情況進行分析、制定防腐措施。

關鍵詞：生物質鍋爐；水冷壁；高溫腐蝕

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.003

1 前言

某公司鍋爐為無錫華光鍋爐股份有限公司設計生產(chǎn)的秸稈直燃爐排爐，為國內(nèi)第一臺高溫高壓秸稈爐排爐。煙氣流向采用四回程“M”型，鍋爐布風由兩部分組成：一次風從二側墻爐排下各分三個風管送入風室，再經(jīng)過爐排上的風孔進入爐膛。風室中有隔板分隔成六個獨立的風室，進風管上設有調節(jié)擋板，可根據(jù)燃料和燃燒情況進行調節(jié)。二次風布置在前、后墻爐拱處，在爐排的上方，前墻布置了三層二次風，后墻布置了三層二次風。二次風管上裝有可調風門。鍋爐自2008年6月投入商業(yè)運行，經(jīng)過5年多的運行，鍋爐受熱面已有不同程度的減薄。

2 鍋爐腐蝕情況

從鍋爐歷年生產(chǎn)情況可以看出，隨著機組利用小時的增加，鍋爐滿負荷運行的時間越來越長，爐膛溫度長期850℃--950℃之間運行，火焰中心正對著后墻水冷壁。2012年6月后墻水冷壁第一次出現(xiàn)泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)壁厚在3.0mm左右，已接近水冷壁管的極限值。

從后拱拱尖水冷壁測厚記錄看出，后墻水冷壁中間區(qū)域腐蝕速度較快，兩側腐蝕速度較慢，2012年更換以后，2年內(nèi)管壁減薄了大約2mm，腐蝕速度大約為1mm/年，但在后拱三通向上，正對火焰面處最薄只有2.3 mm左右，腐蝕速度達到1.3mm/年。

2014年對水冷壁檢查時發(fā)現(xiàn)水冷壁腐蝕減薄嚴重，同時檢查發(fā)現(xiàn)爐膛火焰中心區(qū)域四周水冷壁均存在嚴重減薄現(xiàn)象，水冷壁表面覆蓋一層堅硬的腐蝕產(chǎn)物，有的如琉璃狀，有的鐵銹狀，水冷壁管表面可以看到腐蝕層成片剝落的明顯痕跡。

對水冷壁測厚發(fā)現(xiàn)，爐膛火焰中心四周部位水冷壁管減薄嚴重，各墻角部位減薄稍低，即減薄中間多兩側少的特點。自爐排面向上至屏過人孔門處均有不同程度的減薄，高度從爐排面上方2m（標高8m）至屏過人孔門處（標高17m），在左右側墻拱尖上下4米區(qū)域尤為嚴重，最薄處僅有3.0mm，而屏過上方水冷壁高溫腐蝕不明顯；而側墻水冷壁管原始厚度為7mm。

3 原因分析

水冷壁外壁腐蝕有三種類型，一種類型是硫酸鹽型，一種類型是硫化物型，一種類型是氯化物型。水冷壁的高溫腐蝕通常是由這三種類型腐蝕復合作用的結果。

生物質燃料的成分復雜，通過對燃料化驗分析得出，燃料可燃成分中硫分較低、Cl含量較高，還含有K、F等。灰成分中K、Na含量高，Mg含量高，鋁成分較低。對管外腐蝕垢樣進行了元素成分分析，腐蝕垢樣中鐵含量為53.11%，鉀18.97%，氯18.58%，由此判斷管外腐蝕垢樣的主要成分為氧化鐵和氯化鉀。鐵被通過某種方式從管子往管外垢層輸送，垢樣中氯化鉀是由煙氣中夾帶的熔化或半熔化狀態(tài)下的堿金屬氯化物灰粒接觸到水冷壁凝結下來，并在水冷壁上不斷生長、積聚而成，沉積物對管子造成嚴重的腐蝕。

對水冷壁腐蝕的垢樣成分進行分析，可確定為堿金屬氯化物的熔融腐蝕。水冷壁腐蝕外觀表現(xiàn)外壁氧化膜破裂剝落，腐蝕沿著晶界向內(nèi)延伸。受熱面的腐蝕主要為沉積物中堿金屬氯化物的高溫熔融腐蝕，氯在腐蝕過程中并未被消耗，而是起到催化劑的作用在高溫沉積物中循環(huán)作用，造成比較嚴重的高溫腐蝕。

在生物質燃燒過程中，大量的氯、硫元素與揮發(fā)性的堿金屬元素以蒸氣形態(tài)進入到煙氣中，通過反應形成微米級顆粒的堿金屬氯化物，凝結和沉積在溫度較低的高溫受熱面管壁上。凝結和沉積在管子外表面的堿金屬氯化物與金屬表層的氧化膜發(fā)生氧化還原反應，氯化鐵在管壁垢層溫度高于315℃時發(fā)生氣化，向煙氣側擴散，導致金屬表層的氧化膜脫落；暴露出來的管壁金屬鐵和煙氣中的氧進行氧化反應，生成新的氧化膜。反應過程周而復始，使得受熱面管壁的厚度不斷減少。

堿金屬硫酸鹽化學反應中會產(chǎn)生氯氣的過程發(fā)生在積灰層，在靠近金屬表面會聚集濃度非常高的氯氣，其濃度遠高于煙氣中的氯氣。在整個腐蝕過程中，氯元素起到了催化劑的作用，將鐵元素從金屬管壁上置換出來，金屬氧化物連續(xù)沉積，形成多孔疏松的腐蝕膜，最終導致了嚴重的腐蝕。

硫化物型腐蝕主要發(fā)生在火焰沖刷管壁的情況下，這個腐蝕過程在350℃及其以上溫度時進行得很迅速，這恰是高壓鍋爐水冷壁的溫度范圍。受爐型限制，在爐拱下方區(qū)域為火焰中心，煙氣溫度較高，軟化的灰粘度加大，極易吸附在周圍的水冷壁管上，形成強堿性灰垢，使周圍煙氣溫度居高不下，煙氣里的灰周而復始的黏附，形成大片腐蝕焦掛在水冷壁上，管壁表面的Fe2O3氧化膜被復合硫酸鹽破壞，更加劇了腐蝕速度。

4 目前已采取的措施

針對水冷壁腐蝕嚴重的現(xiàn)象，公司邀請專家們現(xiàn)場查看，通過取樣分析，認為要完全消除高溫腐蝕還不太可能，只能采取一些措施延緩高溫腐蝕的速度。

（1）維持薄料層，對爐排振動速率進行優(yōu)化調整，適當增大振動頻率，減輕爐排振動幅度；（2）對爐膛出口煙氣O2濃度控制進行適當優(yōu)化，提高燃料的燃盡率，降低爐膛煙氣溫度水平；（3）提高一、二次風氣流速度，破壞氯氣的高濃度聚集；（4）對明顯存在高溫腐蝕區(qū)域的水冷壁管更換為合金鋼管；（5）提高水冷壁材質，將前后墻、側墻水冷壁腐蝕段水冷壁材質由20G提高至15CrMoG。

5 計劃采取的措施

（1）對向火面進行防磨防腐噴涂；（2）添加堿金屬阻垢劑，抑制低熔點的堿金屬氯化物（KCl和NaCl）的生成，形成高熔點的堿金屬復合鹽，減少堿金屬氯化物和堿金屬氧化物向煙氣中析出；（3）在燃燒室前后墻向火面敷設耐火澆注料，避免高溫煙氣與水冷壁管直接接觸，降低水冷壁管表面溫度。

參考文獻：

[1]江蘇國信如東生物質發(fā)電有限公司編著.《集控運行規(guī)程》，2014修訂版[S].

[2]祝燮權編著.實用五金手冊[K].上海：上?？茖W技術出版社（第7版），2006.

[3]孫風平編著.生物質鍋爐燃燒技術及案例[M].北京：中國電力出版社，2014.

[4]楊松，李宜男編著.鍋爐壓力容器焊接技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[5]中國華能集團公司編著.火電金屬監(jiān)督[M].北京：中國電力出版社，2013.