鍋爐水冷壁腐蝕防治技術(shù)的應(yīng)用探討

王鑫威 大唐三門峽發(fā)電有限責(zé)任公司

在我國的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，鍋爐是必不可少的重要設(shè)施，但鍋爐水冷壁的腐蝕卻是一個無法忽視的問題。水冷壁的腐蝕，會導(dǎo)致鍋爐運行過程中無法得到有效冷卻，進而引發(fā)鍋爐過熱燒毀，嚴重時會引發(fā)鍋爐爆炸等安全事故，為工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患。因此，要對鍋爐水冷壁的腐蝕有著清晰的認知，并提出防治措施，保障鍋爐運行過程中的穩(wěn)定性和安全性。

一、鍋爐水冷壁的腐蝕

（一）腐蝕機理

在鍋爐設(shè)備中，鍋爐水冷壁的腐蝕過程是持續(xù)動態(tài)進行的變化，其主要腐蝕物質(zhì)分為硫鹽酸、氯化物和硫化物三種，其中硫鹽酸是最為重要的腐蝕物質(zhì)之一，尤其是在高溫狀況下。一般狀況下，水冷壁的腐蝕是硫鹽酸與其他兩種物質(zhì)交叉復(fù)合共同作用的結(jié)果[1]。

鍋爐設(shè)施所使用的燃料普遍含有硫，煤粉通過氣流輸送至鍋爐爐膛中，并在水冷壁附近區(qū)域燃燒，在其過程中包括二硫化鐵（FeS2）在內(nèi)的各種硫化物，在經(jīng)過燃燒、分解與氧化后，因水冷壁附近氣體中的氧含量會快速減少，而產(chǎn)生還原性氣體。隨著還原性氣體的不斷增加，硫化氫（H2S）和一氧化碳（CO）等作為還原劑的物質(zhì)含量也在不斷升高，此時自由態(tài)的硫（S）會與水冷壁表面的鐵（Fe）發(fā)生直接反應(yīng)形成硫化亞鐵（FeS），造成水冷壁的腐蝕。而隨著硫化氫含量的增加，加劇了水冷壁表面內(nèi)的氧化亞鐵（FeO）等物質(zhì)的腐蝕反應(yīng)，不穩(wěn)定的硫化亞鐵在持續(xù)不斷的高溫氧化作用下變?yōu)樗难趸F（Fe3O4），水冷壁的表面腐蝕也在持續(xù)進行[2]。

（二）腐蝕原因

鍋爐設(shè)備中水冷壁的腐蝕主要發(fā)生在燃燒無煙煤和貧煤時，其原因主要有五點。

第一，是穩(wěn)燃裝置的布置問題。在部分四角切圓的鍋爐中，燃燒器的噴口處通常會布置各種穩(wěn)燃裝置，盡管能夠提升燃燒效果，卻也導(dǎo)致了單次風(fēng)送煤粉的效率降低，造成煤粉刷墻的現(xiàn)象。

第二，劣質(zhì)的貧煤鍋爐在點火時存在一定延遲，燃燒器噴口處附近沒有得到充分燃燒的煤粉顆粒數(shù)量增多，導(dǎo)致氧含量下降，進而導(dǎo)致還原性和腐蝕性物質(zhì)的增加。

第三，許多鍋爐機組為了減少有害氣體的排放，進行低氮燃燒器的改造，通過加裝分級送風(fēng)裝置的方式，降低爐膛中下部的風(fēng)量，卻導(dǎo)致了燃燒器區(qū)域的熱負荷增加，使水冷壁附近還原性和腐蝕性物質(zhì)含量的增加。

第四，在燃燒硫含量較高的貧煤時，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器易發(fā)生低溫腐蝕，導(dǎo)致漏風(fēng)和堵灰等狀況的發(fā)生，使得送風(fēng)機和引風(fēng)機的功率無法充分發(fā)揮，進而造成爐膛的缺氧。

第五，鍋爐在運作過程中的變負荷運行，也會加劇鍋爐內(nèi)部水冷壁的腐蝕狀況，使得水冷壁的腐蝕進一步加快。

此外，水冷壁的溫度也是一大關(guān)鍵因素。在低于300℃時，腐蝕反應(yīng)速度較慢或不發(fā)生反應(yīng)；若在400-500℃區(qū)間時，溫度越高，腐蝕速度越快，在加劇腐蝕的同時還引起水冷壁結(jié)垢，造成換熱熱阻的增大，使得溫度進一步升高，從而加速水冷壁的腐蝕[3]。

二、鍋爐水冷壁的腐蝕防治技術(shù)

（一）嚴格控制水質(zhì)

在鍋爐的運作過程中，鍋爐水的水質(zhì)對水冷壁的腐蝕有著至關(guān)重要的作用，其溶解的氧氣會與鍋爐發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，引起鍋爐的腐蝕，因此，鍋爐水水質(zhì)需要進行嚴格控制。

鍋爐水冷壁的材質(zhì)通常為碳鋼，其在鍋爐水中通過鋼中的碳與鐵形成了陽極和陰極，在鍋爐水中大量鹽分的作用下，產(chǎn)生了原電池反應(yīng)。一般而言，鍋爐水要維持在微堿性，因為氧元素是原電池反應(yīng)中的重要條件，能夠形成氫氧化亞鐵，若無氧氣接收陽極釋放的電子，則該反應(yīng)將會達到平衡，腐蝕不再繼續(xù)進行。

然而實際情況下，鍋爐水中溶解有大量氧氣，且氧氣含量隨著未經(jīng)處理的鍋爐水而不斷補充，使得電化學(xué)腐蝕仍舊在不斷進行，進而影響到鍋爐的使用壽命和運行的安全穩(wěn)定性，為鍋爐設(shè)備的安全運行埋下了隱患。因此，將水中的氧氣去除，是防止鍋爐水冷壁發(fā)生腐蝕的一大關(guān)鍵。

去除水中氧氣主要有兩種方法，一種是物理方法，另一種是化學(xué)方法。

物理方法是將水進行加熱沸騰，其原理是當(dāng)水在沸騰時，蒸氣隨著壓力迅速增加，使得氧氣在水上部空間所占比例迅速減少，水中的氧氣含量趨向于零，進而實現(xiàn)對鍋爐水的物理去氧。但如果溫度過低，則會起不到去氧的效果，溫度過高又會造成水汽流失，因此需要將溫度控制在合適的范圍，最好控制在當(dāng)前氣壓下沸點溫度的2-3 度。但是，該方法所起到的效果取決于設(shè)備的結(jié)構(gòu)與運行狀態(tài)，如果設(shè)備不佳則會使得除氧效果無法達到預(yù)期。

而化學(xué)方法則是通過化學(xué)藥劑除去水中所含有的氧氣。通常，聯(lián)氨藥劑是最為廣泛使用的化學(xué)除氧方法，然而其具有毒性，鍋爐產(chǎn)汽需要考慮到生產(chǎn)和生活的用途，因此使用諸如二甲基酮肟進行化學(xué)除氧。二甲基酮肟在常溫下是一種無色液體，不具有毒性，不會對環(huán)境造成污染，也因為其水溶性呈中性而不會對鍋爐水的酸堿性造成影響，且最后的反應(yīng)生成產(chǎn)物為氮氣和水，對熱力系統(tǒng)的運行不會造成有害影響，因此二甲基酮肟是鍋爐水化學(xué)除氧最為合適的藥劑。

（二）監(jiān)控溫度變化

由于溫度也是水冷壁腐蝕的一大重要因素，溫度的高低決定了腐蝕的速度，溫度越高則腐蝕越快，同時引發(fā)鍋爐運轉(zhuǎn)過熱的問題，為鍋爐系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)造成了一定的安全隱患。因此，溫度變化的控制在對水冷壁的腐蝕進行防治過程中顯得尤為關(guān)鍵。

在鍋爐運行過程中，過熱器出口蒸汽溫度偏差控制在5℃以內(nèi)，屏式過熱器出口蒸汽溫度偏差控制在10℃以內(nèi)，且在運行過程中按照溫度高點對蒸汽溫度進行控制，避免爐膛發(fā)生過熱現(xiàn)象。由于在鍋爐運行時受熱面和蒸汽的溫度會不可避免地發(fā)生偏差，因此需要對停機溫度和熱啟動的過程進行控制，同時還要保證對氧氣和尾氣的控制，確保受熱面溫度與爐膛溫度達成一致。

在鍋爐停機時，爐膛中的停風(fēng)需要在十分鐘內(nèi)停止運轉(zhuǎn)，同時將包含引風(fēng)口、出風(fēng)口和送風(fēng)口在內(nèi)的通風(fēng)渠道關(guān)閉，防止受熱溫度的降低，確保悶爐的效率；而在停爐后，需要對包含屏式過熱器、高溫再熱器等爐內(nèi)多個元件的溫度進行控制，以有效控制降溫速度。

而在鍋爐的熱啟動過程中，所有溫度控制必須在不同的溫度控制標準下進行，并且將蒸汽的溫度控制在合理范圍內(nèi)。熱啟動狀態(tài)下，需要注意金屬受熱面溫度的控制，同時還要保證通風(fēng)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的同步性，在初期啟動的狀態(tài)下要將爐內(nèi)通過量控制在35%，并在5 分鐘的通風(fēng)時間內(nèi)完成點火操作，確保溫度能夠以一個穩(wěn)定的速度保持上升，避免發(fā)生降溫現(xiàn)象。

（三）停機維護保養(yǎng)

如果要進行長時間的停機，則需先將鍋爐水進行完全排放，并將爐內(nèi)污垢進行清理，將純度大于99%的氮氣壓入鍋爐，將壓力控制在0.02-0.049MPa 的范圍內(nèi)，防止摻入空氣。之后，在檢查氣體含量時，如果氧氣含量為0.2%左右時，則檢測合格。此外，在鍋爐煙道內(nèi)還應(yīng)放置干燥劑，以防煙道和受熱面因受潮而造成腐蝕。在停機保養(yǎng)期間，要對壓力變化進行實時監(jiān)控，并定期取樣分析，一旦壓力不足則需要進行及時補壓，確保鍋爐內(nèi)壓力的穩(wěn)定。

（四）其他防治措施

除了對水質(zhì)進行控制和溫度變化的監(jiān)控以及鍋爐的停機保養(yǎng)外，水冷壁腐蝕的防治還需要加強對燃煤的管理、科學(xué)組織燃燒、控制煤粉細度等方面的內(nèi)容，以保證鍋爐設(shè)施能夠安全穩(wěn)定的運行。

為提高鍋爐設(shè)備的穩(wěn)定性，如果條件允許，可使用低硫煤，以在燃燒階段避免高溫腐蝕的發(fā)生，其折算后的含硫量不大于1%。同時，還要注意對各個鍋爐系統(tǒng)的設(shè)備檢修，以保證鍋爐設(shè)備運行的可靠性，避免設(shè)備狀況異常而導(dǎo)致鍋爐腐蝕的加劇，進而造成安全隱患。

而煤的燃燒過程也要進行科學(xué)組織，將入爐風(fēng)量和風(fēng)速控制在合理的范圍。控制鍋爐燃燒運行的氧氣含量和入爐風(fēng)量，避免風(fēng)粉分離和局部還原性氣體含量較高等現(xiàn)象的發(fā)生。將一次風(fēng)的風(fēng)速降低，有諸如爐內(nèi)煤粉的穩(wěn)定燃燒，同時也能夠?qū)⒚悍蹥饬鲗λ浔诘母g進行緩解，但無法從根本上解決鍋爐的高溫腐蝕；而增加爐內(nèi)二次風(fēng)的風(fēng)速雖然有利于煤粉氣流的預(yù)混合，實現(xiàn)燃料的提前點火和穩(wěn)定燃燒，但會導(dǎo)致點火推遲，并降低煤粉的燃燒效率。因此，需要根據(jù)實際情況，對風(fēng)量進行控制。

煤粉的制粉系統(tǒng)的選型由煤的種類決定，如果燃燒的是劣質(zhì)煤炭，則會增加制粉系統(tǒng)的工作負擔(dān)，使得系統(tǒng)效率下降，煤粉顆粒也無法控制在合適的細度范圍。最為關(guān)鍵的一點，就是煤粉細度對于鍋爐的高溫腐蝕有著至關(guān)重要的影響，當(dāng)煤粉顆粒過粗則會對燃燒效率造成影響，未燃燒的煤粉聚集在水冷壁附近，從而加劇了高溫腐蝕。因此，需要根據(jù)鍋爐設(shè)備的實際狀況，將煤粉細度控制在合適的范圍內(nèi)。

此外，如果有必要性的話，還可對鍋爐設(shè)備進行優(yōu)化改造，在設(shè)備角度上解決水冷壁的腐蝕問題，同時也是最為根本的解決方法。

鍋爐爐膛內(nèi)的高溫區(qū)和水冷壁近壁區(qū)域氣流中含氧量較小，當(dāng)還原性物質(zhì)的含量較大時則會發(fā)生較為嚴重的高溫腐蝕現(xiàn)象。因此，通過對鍋爐設(shè)備的改造，以提高水冷壁附近區(qū)域中的氧含量，從而抑制還原性物質(zhì)的產(chǎn)生，能夠緩解甚至從根本上解決水冷壁的腐蝕問題。

設(shè)備的改造主要針對燃燒器進行改造，通過對主燃燒區(qū)的空氣系數(shù)進行重新分布，以多噴口小流量的布置方式，實現(xiàn)精準控制鍋爐的燃燒過程，將燃料和空氣的分級進行有機結(jié)合，降低主燃燒區(qū)域的熱負荷，并能夠防止鍋爐結(jié)渣和抑制爐內(nèi)有害氣體的生成。

主燃燒區(qū)域上部的燃盡風(fēng)和高位燃盡風(fēng)的合理布置，能夠?qū)崿F(xiàn)對燃燒過程的調(diào)節(jié)控制，在保證煤粉燃燒效率的同時還能大幅減少尾氣中有害氣體的排放。在改造的過程中，不可改變原主燃燒器框體的結(jié)構(gòu)形式和切圓，高位燃盡風(fēng)噴嘴應(yīng)采用四角布置，對圓鍋爐熱效不產(chǎn)生影響，保持原有熱工電橋電纜橋架走向，在改造之后燃燒系統(tǒng)能夠與其他鍋爐設(shè)備完全適配，并且做出的改動要盡可能少，投資盡可能要節(jié)省，施工盡量不要過于復(fù)雜，并在降低有害氣體排放的前提下，確保設(shè)備能夠安全且經(jīng)濟的運行，且爐內(nèi)還原性氣體含量能控制在合適的范圍內(nèi)，實現(xiàn)對高溫腐蝕的可控性，確保鍋爐運行時的效率和穩(wěn)定性。

在對鍋爐進行改造時，先將5 層一次風(fēng)噴口進行更換，以調(diào)整周圍風(fēng)率；再將一次風(fēng)噴口加裝鈍體，更換5 層一次封嘴噴體；一二次風(fēng)的布置要呈大小切圓的形式；將8層二次風(fēng)噴口進行更換，重新分配各層二次風(fēng)率，以便增加3 層燃盡風(fēng)的風(fēng)率；增加1層高位燃盡風(fēng)，將風(fēng)道隔板進行調(diào)整，以適應(yīng)燃盡風(fēng)的風(fēng)率；最后，將四角噴口和水冷壁管屏全部更換為燃盡風(fēng)。

鍋爐設(shè)備進行改造后，需要使用空氣動力場冷態(tài)煙花進行測試，以檢驗改造成果是否符合預(yù)期。在經(jīng)過改造后，提高了鍋爐對煤的適應(yīng)性，同時燃燒穩(wěn)定和防結(jié)渣能力也得到了提升，燃燒效率和輸出功率也得到了提升。

三、結(jié)論

為維護鍋爐設(shè)施的正常運行，同時也為了保障生產(chǎn)工作的安全，需要對鍋爐水冷壁的腐蝕的防治工作有著足夠的重視。在防治前，要對鍋爐水冷壁的腐蝕機理和腐蝕原因進行分析，并對鍋爐水質(zhì)進行嚴格控制，留意鍋爐的溫度變化，并注意停機時的維護保養(yǎng)，同時還要注意燃煤管理、煤炭燃燒、煤粉細度等方面的問題，若有必要還可對鍋爐設(shè)施進行改造，進行設(shè)備優(yōu)化。