生物質(zhì)鍋爐高溫過熱器腐蝕原因分析及對(duì)策

王振宇，曹義杰，張子梅

（江蘇聯(lián)美生物能源有限公司，江蘇 泰州 225300）

生物質(zhì)鍋爐高溫過熱器腐蝕原因分析及對(duì)策

王振宇，曹義杰，張子梅

（江蘇聯(lián)美生物能源有限公司，江蘇 泰州 225300）

根據(jù)生物質(zhì)鍋爐的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從過熱器的材質(zhì)和高溫腐蝕原理等方面分析總結(jié)了高溫過熱器易腐蝕的原因。通過從過熱器溫度控制、吹灰汽源改造以及燃料含水量控制等方面優(yōu)化工藝，在生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行期間采取預(yù)防高溫腐蝕的措施，從而更好地保護(hù)過熱器，提高鍋爐連續(xù)運(yùn)行的能力。

生物質(zhì)；鍋爐；高溫腐蝕；過熱器

0 引言

有機(jī)物中除礦物燃料以外，所有來源于動(dòng)植物的能源物質(zhì)均屬于生物質(zhì)能，通常包括木材、森林廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物、動(dòng)物糞便等。生物質(zhì)能由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來，僅次于煤炭、石油和天然氣，占世界能源消費(fèi)總量第四位，在整個(gè)能源系統(tǒng)中占有重要地位。

1 背景概述

某生物質(zhì)鍋爐是以生物質(zhì)秸稈為主要燃料的75 t/h聯(lián)合爐排蒸汽鍋爐，采用爐前強(qiáng)制給料的燃燒方式。聯(lián)合爐排由往復(fù)爐排、鏈條爐排、風(fēng)室及支撐件組成，往復(fù)爐排配置搖臂式往復(fù)運(yùn)動(dòng)的變頻調(diào)速裝置，鏈條爐排配置變頻調(diào)速的J300型齒輪減速箱。往復(fù)爐排通風(fēng)率5%，鏈條爐排通風(fēng)率6.5%，一次風(fēng)進(jìn)入爐底風(fēng)室后再由爐排之間隙進(jìn)入燃料層。燃料由往復(fù)爐排上方進(jìn)入爐膛，在此處由于爐內(nèi)高溫輻射和一次風(fēng)的作用逐步預(yù)熱、干燥、著火、燃燒，隨著往復(fù)機(jī)構(gòu)的工作，燃料邊燃燒邊逐級(jí)向后部運(yùn)動(dòng)，直至鏈條爐排，最后灰渣落入爐后的除渣口。

在爐膛下部，前后墻和左右兩側(cè)墻各布置有二次風(fēng)口，二次風(fēng)約占總風(fēng)量的30%。二次風(fēng)在此鍋爐的燃燒中起到十分關(guān)鍵的作用，二次風(fēng)攪拌爐內(nèi)氣體使之混合，使?fàn)t內(nèi)煙氣產(chǎn)生旋渦，延長(zhǎng)懸浮的飛灰及飛灰可燃物在爐內(nèi)的行程，使飛灰及飛灰可燃物進(jìn)一步降低。另外，對(duì)懸浮可燃物供給部分空氣，有利于提高鍋爐熱效率，降低鍋爐初始排煙濃度。

煙氣流程：按爐膛→3級(jí)過熱器→第1煙氣通道（4級(jí)過熱器）→第2煙氣通道（二級(jí)過熱器、一級(jí)過熱器高溫段）→尾部對(duì)流受熱面布置（一級(jí)過熱器低溫段、2組省煤器、二次風(fēng)空氣預(yù)熱器、一次風(fēng)空氣預(yù)熱器）→布袋除塵器。

2012年3月1號(hào)鍋爐投入運(yùn)行，2012年8月2號(hào)鍋爐投入運(yùn)行，2014年4月1號(hào)爐三級(jí)過熱器發(fā)生爆管，2014年7月2號(hào)爐三級(jí)過熱器發(fā)生爆管。爆管后對(duì)2臺(tái)鍋爐爆破過熱器管子進(jìn)行取樣分析，查找三級(jí)過熱器高溫腐蝕的原因。

2 過熱器材質(zhì)分析

2.1 爆管位置及斷口情況

2臺(tái)鍋爐過熱器爆管位置非常相似，在三級(jí)過熱器最內(nèi)側(cè)3—4排，靠近爐膛頂部位置，處于過熱器溫度最高處。1號(hào)和2號(hào)的爆裂失效管段斷口及附近的狀態(tài)見圖1。管子斷口處的管徑與其他部位基本一致，未見明顯的脹粗和塑性變形，1號(hào)和2號(hào)的管子外壁有黑色附著物，表面凹凸不平；管子內(nèi)壁較平，但顏色不均勻。從宏觀形貌可以看到，管壁減薄很不均勻，較厚一側(cè)（1號(hào)的9點(diǎn)位置和2號(hào)的12點(diǎn)位置）有明顯的撕裂變形（如圖1中白色箭頭所示），說明這2個(gè)位置是最后斷開的，破壞始于管壁較薄的部位。

圖1 斷口宏觀形貌及送檢取樣位置

2.2 過熱器管材質(zhì)化學(xué)分析

從1號(hào)過熱器管上取30mm×30mm的塊狀樣品，依照GB/T16597-1996《冶金產(chǎn)品分析方法X射線熒火光譜通則》等標(biāo)準(zhǔn)，使用能量X熒光光譜儀，對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明，過熱器管材質(zhì)的化學(xué)成分完全符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)TP-347H不銹鋼無(wú)縫鋼管的要求，見表1。

表1 過熱器管材質(zhì)化學(xué)分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3 高溫腐蝕的原理

3.1 過熱器管外壁腐蝕減薄過程

由于生物質(zhì)中堿金屬（K，Na）含量較高，草質(zhì)類生物質(zhì)燃料中的氯元素含量也較高，在生物質(zhì)燃燒過程中，大量的氯、硫元素與揮發(fā)性的堿金屬元素（主要是K和Na）以氣態(tài)形式進(jìn)入到煙氣中，通過均相反應(yīng)形成微米級(jí)顆粒的堿金屬氯化物（KCl和NaCl），凝結(jié)和沉積在溫度較低的高溫過熱器管壁上。堿金屬氯化物與煙氣中的二氧化硫發(fā)生硫酸鹽化反應(yīng)生成氯氣。

生成的氯氣起到了催化劑的作用，促進(jìn)金屬氧化物的生成（以Fe為例）：

一系列的化學(xué)反應(yīng)，使以鐵為主要材質(zhì)的金屬管外壁不斷生成腐蝕產(chǎn)物，隨著腐蝕產(chǎn)物的增厚，膜層內(nèi)應(yīng)力不斷增大，造成其開裂、脫落。如此循環(huán)作用，造成管子外壁凹凸不平、整體減薄嚴(yán)重，最終局部率先達(dá)不到應(yīng)有的強(qiáng)度而失效[1]。

在整個(gè)腐蝕過程中，氯元素起到了催化劑的作用，將鐵或鉻元素從金屬管壁上持續(xù)不斷地置換出來，造成管壁腐蝕。從來源看，只要入爐的生物燃料中含有堿金屬和氯元素，當(dāng)管壁溫度達(dá)到腐蝕溫度區(qū)間時(shí)，必然發(fā)生腐蝕。腐蝕一旦發(fā)生，將持續(xù)進(jìn)行不會(huì)停止。因此，生物燃料中堿金屬和氯元素含量是影響腐蝕速度的決定性因素。

過熱器管的原始尺寸為Φ33.7mm×5.6mm，管子的內(nèi)徑為22.5mm。經(jīng)測(cè)量，2臺(tái)鍋爐高溫過熱器（三級(jí)過熱器）爆管位置的管子內(nèi)徑均約為22.5mm，說明過熱器管的減薄主要是由管子外壁腐蝕造成的。管外壁受到腐蝕后開始脫落，管子減薄到一定程度后，在過熱器管內(nèi)高壓蒸汽的作用下，就會(huì)在管子減薄最嚴(yán)重的地方發(fā)生爆管。

3.2 腐蝕的溫度區(qū)間

通過分析高溫高壓生物質(zhì)鍋爐高溫過熱器實(shí)際腐蝕發(fā)生發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸汽溫度控制在490℃以下運(yùn)行時(shí)，高溫過熱器腐蝕較慢，一旦溫度高過550℃時(shí)，腐蝕速度加快，實(shí)際測(cè)量的腐蝕速度高達(dá)1.5～2.0mm/a。同時(shí)，實(shí)際運(yùn)行過程中，處于高溫過熱器后段蒸汽流程（溫度較高）的管子較前段蒸汽流程（溫度較低）的腐蝕嚴(yán)重，處于溫度環(huán)境的水冷壁管子腐蝕非常輕微。當(dāng)過熱器的蒸汽溫度小于450℃時(shí)，管壁腐蝕基本可以忽略；當(dāng)蒸汽溫度在490～520℃時(shí)，管壁腐蝕速度加快；當(dāng)蒸汽溫度大于520℃時(shí)，管壁腐蝕速度將急劇加快?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)高溫過熱器管壁溫度與蒸汽溫度大致相差50～100℃，也就是說，當(dāng)高溫過熱器管壁溫度大于620℃時(shí)，腐蝕速度加劇。對(duì)比所做的堿金屬氯化物的熔融試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，高溫過熱器腐蝕的典型溫度腐蝕區(qū)間與堿金屬氯化物的熔融溫度區(qū)間相吻合，熔融態(tài)的堿金屬氯化物對(duì)高溫過熱器腐蝕的發(fā)生和發(fā)展起了決定性的作用。

3.3 過熱器管內(nèi)壁氧化和管壁的晶間腐蝕

對(duì)過熱器管斷口處進(jìn)行了金相分析，發(fā)現(xiàn)過熱器管內(nèi)壁有很厚的氧化皮層存在，并且已經(jīng)開裂和脫落。由于氧化皮的存在會(huì)導(dǎo)致過熱器管導(dǎo)熱性能降低，造成過熱器管局部過熱，進(jìn)而降低過熱部位管子的高溫強(qiáng)度；過熱器管的長(zhǎng)期過熱還會(huì)使管壁金屬發(fā)生晶間腐蝕，其結(jié)果也是降低管子的強(qiáng)度；而過熱器管內(nèi)壁氧化皮層的大量開裂和脫落，也會(huì)造成過熱器管內(nèi)部的堵塞，同樣會(huì)造成過熱器管的局部過熱，導(dǎo)致管子強(qiáng)度降低。過熱器管局部過熱、強(qiáng)度降低的最后結(jié)果就是在管子最薄弱處發(fā)生爆管。

3.4 過熱器管壁厚與強(qiáng)度的關(guān)系

過熱器管斷口開裂是由管子壁厚度最小處開始，對(duì)這樣壁厚的管子進(jìn)行管子承壓處的強(qiáng)度計(jì)算，來判斷這些管子是否還能繼續(xù)服役。

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9222-2008《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》，介質(zhì)溫度tJ為540℃時(shí)，壁溫tb為tJ+50℃，即590℃。對(duì)于TP-347H，壁溫590℃所對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力[σ]為99MPa。

彎管外側(cè)的最小需要厚度δwmm按式（1）計(jì)算：

式中：C1為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算考慮腐蝕減薄的附加厚度，一般選0.5mm；δWL為彎管外側(cè)所需理論計(jì)算厚度。

式中：K為彎管形狀系數(shù)，K=（4R+DW）/（4R+2DW），其中R為彎管半徑；DW為管材外徑；δL為直管理論計(jì)算厚度，δL=pDW/（2φh[σ]+p），其中p為計(jì)算壓力，一般取介質(zhì)壓力的1.15倍；φh為縫隙減弱系數(shù)，對(duì)于無(wú)縫鋼管，φh=1。

對(duì)于目前的試樣，由于過熱器彎管半徑遠(yuǎn)大于管子本身的直徑，可以作為直管來計(jì)算，得到最小厚度值。如果管壁厚達(dá)不到這個(gè)值，就不具備服役條件了。代入數(shù)值計(jì)算可得：

即便是直管，安全服役的最小厚度為1.8149mm。

由此可見，1號(hào)過熱器管和2號(hào)過熱器斷口起始點(diǎn)的管壁厚度分別只有0.8mm和1mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管子服役的安全厚度，因此，在管內(nèi)高壓汽體介質(zhì)的作用下，該處成為過熱器管爆裂的起始點(diǎn)，是過熱器發(fā)生爆管的直接原因。

4 預(yù)防高溫腐蝕的措施

4.1 三級(jí)過熱器溫度的控制優(yōu)化

控制過熱器溫度是控制腐蝕速率的有效措施。機(jī)組運(yùn)行初期，上料系統(tǒng)不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)堵料現(xiàn)象，負(fù)荷難以調(diào)整；生物質(zhì)混合燃料，摻配不均勻，造成入爐燃料熱值不穩(wěn)定，過熱器超溫現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，最高達(dá)到600℃，是腐蝕主要原因。隨著上料系統(tǒng)的不斷完善，以及過熱器溫度控制精準(zhǔn)度的提高，使過熱器超溫情況減少。同時(shí)，增加三級(jí)過熱器溫度報(bào)警，并將三級(jí)過熱器溫度列入小指標(biāo)考核，嚴(yán)格控制超溫時(shí)間。2015年初對(duì)2臺(tái)鍋爐三級(jí)過熱器進(jìn)行了整體更換，按照鍋爐廠家原設(shè)計(jì)材質(zhì)、管徑?jīng)]有改變，經(jīng)過1年多的運(yùn)行，三級(jí)過熱器管壁厚度腐蝕減薄在0.5mm左右，較之前的2mm/a有很大好轉(zhuǎn)。

4.2 吹灰汽源改造

蒸汽吹灰也是三級(jí)過熱器減薄爆管的原因之一，吹灰汽源蒸汽水量大、壓力過高以及吹灰頻次過高是對(duì)過熱器造成影響的主要因素。

（1）吹灰汽源設(shè)計(jì)取自汽包的飽和蒸汽，經(jīng)過減壓分配到吹灰分汽缸。對(duì)應(yīng)分汽缸壓力（1MPa）下的蒸汽飽和溫度約180℃，且自動(dòng)疏水形式，不易將疏水排放干凈，導(dǎo)致蒸汽含水量較大。而三級(jí)過熱器管壁溫度較高在500～600℃，使三級(jí)過熱器管產(chǎn)生典型熱疲勞特征，水的動(dòng)能很大，所以蒸汽帶水使受熱面管子的吹損速度非常快。

（2）來自于汽包的飽和蒸汽，雖然經(jīng)過減壓閥降低了壓力，但是吹灰壓力仍難以控制。汽包壓力9.5MPa需要降低到1MPa，如果控制不當(dāng)，極易導(dǎo)致吹灰壓力過高，對(duì)受熱面管壁的吹損程度更加嚴(yán)重。

（3）根據(jù)鍋爐廠家建議，每個(gè)班次（8 h）對(duì)鍋爐各受熱面循環(huán)吹灰1次，雖然控制了鍋爐受熱面結(jié)焦、積灰，但也易導(dǎo)致受熱面吹損。

針對(duì)上述幾點(diǎn)，在三級(jí)過熱器整體更換后，對(duì)吹灰汽源進(jìn)行了改造。采用供熱母管過熱器蒸汽（0.85MPa，280℃）代替原來汽包減壓后的飽和蒸汽，降低了吹灰蒸汽溫度與三級(jí)過熱器管壁的溫差；對(duì)吹灰器自動(dòng)工作流程中疏水的時(shí)間作了調(diào)整，由時(shí)間控制改為溫度控制，保證蒸汽的過熱度，過熱器蒸汽帶水情況明顯改善；調(diào)整吹灰頻率，由原來每班吹灰1次調(diào)整為每天吹灰1次。實(shí)際運(yùn)行中，尾部排煙溫度和各受熱面積灰情況沒有發(fā)生明顯變化，同時(shí)也降低了吹灰對(duì)三級(jí)高溫過熱器的不利影響。

4.3 燃料含水量控制

因?yàn)槿霠t生物質(zhì)燃料含水量高，特別是秸稈類和樹皮類入爐水分在30%～50%，高水分燃料入爐后，著火相應(yīng)延遲，爐內(nèi)流化速度大，燃料在爐內(nèi)的有效停留時(shí)間短，造成燃燒效率下降，燃料熱值偏低，燃料消耗量更大；著火滯后引起的爐膛上部溫度偏高使過熱蒸汽超溫，尤其是三級(jí)過熱器（屏式過熱器）管壁溫度偏高，易形成高溫堿腐蝕；另外，由于燃燒產(chǎn)生的煙氣量增加，排煙溫度升高，增加鍋爐的排煙損失，降低鍋爐效率。

因此，要使鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須控制入爐燃料的水分在合理范圍內(nèi)，首先應(yīng)控制收購(gòu)的燃料含水率，杜絕人為加水，其次生物質(zhì)流化床鍋爐應(yīng)建立足夠的防雨料庫(kù)，從源頭上控制燃料入爐含水率。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)三級(jí)高溫過熱器腐蝕的分析，針對(duì)各種引起高溫腐蝕的原因采取了相應(yīng)的措施，在實(shí)際運(yùn)行中，取得了很好的效果，對(duì)生物質(zhì)發(fā)電過程中類似問題的解決具有借鑒意義。

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（本文編輯：張 彩）

Cause Analysis on Corrosion of High-temperature Superheater of Biomass Boiler and the Countermeasures

WANG Zhenyu，CAO Yijie，ZHANG Zimei
（Jiangsu Luenmei Bio-Energy Co.，Ltd.，Taizhou Jiangsu225300，China）

According to the structure and operation characteristics of biomass boilers，the paper，in combination with actual production and operation experience，analyzes and summarizes the corrosion causes of high-temperature superheater in terms of superheater material and the principle of high-temperature corrosion. Through technological optimization on superheater temperature control，transformation of soot-blowing steam，water content control in the fuel as well as adoption of high-temperature corrosion prevention measures during biomass boiler operation，the superheater is better protected to improve continuous operation capability of the boiler.

biomass；boiler；high-temperature corrosion；superheater

TK228

：B

：1007-1881（2016）09-0053-04

2016-05-06

王振宇（1976），男，工程師，從事生物質(zhì)發(fā)電方面的研究。