第十六章結渣和高溫積灰及高溫腐蝕

1、2022-6-26動本091-21第五篇 鍋爐外部過程及燃煤污染物凈化技術第十六章 結渣和高溫積灰及高溫腐蝕第一節(jié) 煤粉鍋爐受熱面的積灰和腐蝕第二節(jié) 燃煤礦物成分的化學物理特性第四節(jié) 爐膛水冷壁結渣和高溫腐蝕第五節(jié) 高溫對流受熱面的積灰和腐蝕第六節(jié) 對流受熱面的蒸汽側高溫氧化2022-6-26動本091-22第一節(jié) 煤粉鍋爐受熱面的積灰和腐蝕一、積灰類型1、水冷壁結渣2、高溫黏結性積灰（高溫對流受熱面積灰）3、中低溫積灰（尾部受熱面積灰）二、管子外部腐蝕1、水冷壁高溫腐蝕2、高溫對流受熱面腐蝕3、低溫腐蝕2022-6-26動本091-23第二節(jié) 燃煤礦物成分的化學物理特性一、煤灰成分 主要礦物

2、成分8種元素：Si 、Al、 Fe 、Ca、Mg 、Ti、 K、 Na 在灰分分析中，灰組分均以氧化物成分給出。 見表16-1 酸性氧化物；堿性氧化物2022-6-26動本091-24二、煤灰主要礦物質(zhì)的熔化溫度 見表16-2 低熔點化合物 中熔點化合物 高熔點化合物 共熔體熔點更低。2022-6-26動本091-25灰熔點的影響因素： 灰分成分 一般酸性氧化物，灰熔點；堿性氧化物，灰熔點。 灰所處周圍環(huán)境的性質(zhì) 還原性氣氛，共晶體生成，灰熔點。 FeFe2 2O O3 3+CO=2FeO+CO+CO=2FeO+CO2 2 Fe Fe2 2O O3 3+H+H2 2=2FeO+H=2FeO+H

3、2 2O O FeO又形成低熔點的共晶體?；曳趾?2022-6-26動本091-26第四節(jié) 爐膛水冷壁結渣和高溫腐蝕一、結渣（1）結渣過程 在煤粉爐的爐膛中，燃燒形成的熔融灰渣黏結在受熱面上，并積聚發(fā)展成一層硬結的灰渣層，這個現(xiàn)象稱為結渣。 部位：通常在燃燒器區(qū)域水冷壁、爐膛折焰角、屏式過熱器及其后面的對流受熱面等處，有時爐膛下部的冷灰斗處也會發(fā)生結渣。2022-6-26動本091-272022-6-26動本091-28（2）結渣危害1）使爐內(nèi)傳熱變差；2）爐膛出口的受熱面超溫；3）爐膛內(nèi)未結渣的受熱面金屬表面溫度升高，引起高溫腐蝕；4）排煙溫度提高，鍋爐效率降低；5）結渣嚴重時，大塊渣落下

4、，可能撲滅火焰或砸壞爐底水冷壁，造成惡性事故。2022-6-26動本091-29（3）影響結渣的主要因素 一是火焰貼近爐墻時，煙氣中的灰仍呈熔化狀態(tài)。 二是火焰直接沖刷受熱面。1）爐膛溫度水平和熱負荷：爐內(nèi)燃燒器區(qū)域的溫度越高，結渣的可能性就越大。鍋爐負荷越高，結渣的可能性也越大。2）灰的特性：灰的熔點溫度；灰的黏性；灰的組成成分。3）爐內(nèi)燃燒區(qū)的氣氛：還原性氣氛，低熔共晶體使得灰的熔點明顯降低。4）爐內(nèi)流場： 煤粉氣流的流動特性，實際運行中，造成火焰貼墻，形成死旋渦區(qū)并出現(xiàn)還原性氣氛，鍋爐超負荷運行、爐膛漏風嚴重、送風量過大、風煤配合不當以及煤粉細度過大等，都可能導致爐內(nèi)熔化的灰渣與水冷壁接

5、觸形成結渣。2022-6-26動本091-210二、水冷壁高溫腐蝕（一）高溫腐蝕 高溫腐蝕是燃料中的硫在燃燒過程中生成腐蝕性灰污層或渣層以及腐蝕性氣氛，使高溫受熱面金屬管子表面受到侵蝕的現(xiàn)象。 腐蝕嚴重的現(xiàn)象通常出現(xiàn)在燃燒器區(qū)域。 2022-6-26動本091-211（二）水冷壁高溫腐蝕形式 硫化物型腐蝕 SO3氣體腐蝕 氯化物型腐蝕2022-6-26動本091-212 1、硫化物腐蝕 （1）黃鐵礦硫粉末FeS2隨著高溫煙氣流過水冷壁的管壁，在還原性氣氛下受熱分解，產(chǎn)生硫化氫（H2S）和游離氣態(tài)S原子。 2FeSFeS+S 當水冷壁管子附近有一定濃度的H2S和SO2時 2222H S+SO2H

6、 O+3 S2022-6-26動本091-213 （2） 在還原性氣氛中，由于缺氧，自由硫原子S可以存在。當水冷壁管壁溫度達到350時，會有硫化反應，同時還有硫化亞鐵與氧化亞鐵的反應： H2S+FeFeS+H2 22Fe+ SFeSFeO+H SFeS+H O2022-6-26動本091-214 原因： 內(nèi)因-燃料中的硫(H2S S) 外因-還原性氣氛 CO+3FeCO+3Fe2 2O O3 33Fe3Fe3 3O O4 4+CO+CO2 2 CO+Fe CO+Fe3 3O O4 43FeO+CO3FeO+CO2 2 CO+FeFeO+C CO+FeFeO+C2022-6-26動本091-21

7、5黃鐵礦FeS2和有機硫化合物燃燒時生成SO2： 2232224FeS+11O2Fe O +8SOS+OSO由SO2轉化為SO3方式：2、 SO3氣體腐蝕 1）在高溫下，SO2與煙氣中的自由氧原子反應，生成SO3。而自由氧原子可以由如下三種方式產(chǎn)生：氧氣在爐膛內(nèi)的高溫條件下分解； 22CO+OCO + O 222H +OH O+ O2022-6-26動本091-2162）催化反應生成SO3。 當高溫煙氣流過水冷壁積灰層的時候，由于有灰層中的五氧化二釩和氧化鐵的催化作用，產(chǎn)生了下列反應： 2522432224442523V O +SOV O +SO2SO +O +V O2VOSO2VOSOV O

8、 +SO +SO2022-6-26動本091-2173） 煤中的硫酸鹽熱解產(chǎn)生SO3： 43CaSOCaO+SO SO3氣體可以穿過灰層直接與壁面的氧化鐵膜反應生成硫酸鐵： 水冷壁溫度對腐蝕發(fā)展的影響見圖16-1。 23343Fe O +SOFe(SO )2022-6-26動本091-218(3)氯化物型腐蝕 煤灰中含有NaCl 2NaCl+H2NaCl+H2 2O NaO Na2 2O+2HClO+2HCl 2NaCl+H 2NaCl+H2 2O NaOH+HClO NaOH+HCl 2NaCl+H 2NaCl+H2 2O+SOO+SO3 3 Na Na2 2SOSO4 4+2HCl+2HC

9、l HCl氣體具有破壞管子表面氧化膜的作用： 2HCl+Fe2HCl+Fe2 2O O3 3+CO +CO FeO+FeClFeO+FeCl2 2+H+H2 2O+COO+CO2 2 當燃煤含氯量（大于0.35%）時，高溫水冷壁會發(fā)生嚴重的氯化物腐蝕。2022-6-26動本091-2193、防止高溫腐蝕的措施 （1）在水冷壁金屬表面噴涂耐腐蝕材料，或提高水冷壁金屬材料的耐腐蝕性能。（2）采用低氧燃燒技術。減小爐內(nèi)的過量空氣系數(shù)，自由氧原子的生成量減少，二氧化硫轉化為三氧化硫的轉化率降低，三氧化硫的濃度低，發(fā)生高溫腐蝕的機會就會減少。（3）合理配風和強化爐內(nèi)氣流的湍流混合過程，避免出現(xiàn)局部還原性

10、氣氛，以減少H2S和硫化物型腐蝕。2022-6-26動本091-220（4）采用煙氣再循環(huán)，可以降低爐膛內(nèi)火焰溫度和煙氣中的SO3濃度，減輕高溫腐蝕。（5）采用貼壁風技術，在水冷壁壁面附近形成氧化氣氛的空氣保護膜，避免高溫腐蝕。（6）水冷壁管壁溫度過高是引起水冷壁結渣和高溫腐蝕的重要原因，應當避免出現(xiàn)水冷壁局部管壁溫度過高現(xiàn)象。2022-6-26動本091-221第五節(jié) 高溫對流受熱面的積灰和腐蝕一、高溫積灰2022-6-26動本091-222形成機理：（1）低熔灰（700-850700-850）在高溫過熱器區(qū)未凝固，當接觸溫度較低的受熱面時凝固，形成粘性灰層。一些中熔（900-1100900

11、-1100）、高熔灰粒（1600 -28001600 -2800）被粘附在粘性灰層中。（2）煙氣中的氧化硫氣體在對灰層的長期作用下，形成白色硫酸鹽的緊密結實灰層，這個過程稱為燒結。中熔和高熔灰在緊密結實灰層表面進行著動態(tài)沉積，形成松散而且多孔的外灰層。2022-6-26動本091-223二、高溫腐蝕（一）機理（一）機理 過熱器和再熱器的高溫腐蝕主要是由于管壁外存在過熱器和再熱器的高溫腐蝕主要是由于管壁外存在高溫粘結性灰層，灰層中含有的高溫粘結性灰層，灰層中含有的堿金屬堿金屬，煙氣，煙氣三氧三氧化硫化硫與凝結在管壁的與凝結在管壁的堿金屬氧化物堿金屬氧化物及金屬表面或灰及金屬表面或灰分中的分中的氧

12、化鐵氧化鐵長期作用，生成堿金屬復合硫酸鹽長期作用，生成堿金屬復合硫酸鹽NaNa3 3Fe(SOFe(SO4 4) )3 3 K K3 3Fe(SOFe(SO4 4) )3 3 等復合物。在管壁形成等復合物。在管壁形成燒結性燒結性復合硫酸鹽復合硫酸鹽內(nèi)灰層。內(nèi)灰層。 2022-6-26動本091-224 復合硫酸鹽的熔點復合硫酸鹽的熔點較低，在較低，在550-710550-710內(nèi)為液態(tài)，溫度低于內(nèi)為液態(tài)，溫度低于550 550 時固態(tài)，溫度時固態(tài)，溫度高于高于710 710 時，它們就分解出時，它們就分解出三氧化硫三氧化硫而而成為硫酸鹽。成為硫酸鹽。 由復合硫酸鹽燒結而成的內(nèi)灰層，在由復合硫酸

13、鹽燒結而成的內(nèi)灰層，在固態(tài)沒有腐蝕作用，若處于熔化或半熔化固態(tài)沒有腐蝕作用，若處于熔化或半熔化狀態(tài)，則對金屬產(chǎn)生強烈的腐蝕，尤其在狀態(tài)，則對金屬產(chǎn)生強烈的腐蝕，尤其在650-700650-700時腐蝕最強。時腐蝕最強。2022-6-26動6-26動本091-2261. 管壁上的堿性金屬氧化物與周圍煙氣中的SO3發(fā)生化學反應生成硫酸鹽23242324Na O+SONa SOK O+SOK SO2. SO2、SO3透過積灰層向管子表面擴散，與氧化保護膜反應。 3SO3+Fe2O3 Fe2(SO4)3( (二）腐蝕過程二）腐蝕過程 2022-6-26動本091-227K3F

14、e(SO4)3熔化，并與鐵發(fā)生反應產(chǎn)生腐蝕： 2K2K3 3Fe(SO4)Fe(SO4)3 3+10Fe3K+10Fe3K3 3SOSO4 4 +3FeS+3Fe +3FeS+3Fe2 2(SO(SO4 4) )3 3 3.熔融的復合硫酸鹽形成 3K3K3 3SOSO4 4 +Fe2(SO4)32K3Fe(SO4)32022-6-26動本091-228（三）影響因素 1、煤中含硫和煤灰含堿 2、金屬材質(zhì)和壁溫 鋼材中鉻Cr是抗腐蝕元素。 見圖16-3 說明：含Cr量越大，腐蝕速率越小。 最大腐蝕速度一般處于660-730之間。 限制汽溫來控制高溫腐蝕。 超臨界和超超臨界壓力鍋爐，末級過熱器和再熱器的壁溫很高，采用奧氏體高鉻鋼材。2022-6-26動6-26動本091-230第六節(jié)第六節(jié) 對流受熱面的蒸汽側高溫氧化對流受熱面的蒸汽側高溫氧化一、蒸汽側高溫氧化機理一、蒸汽側高溫氧化機理 3Fe+4H2OFe3O4+4H2二、蒸汽側金屬氧化膜的特點二、蒸汽側金屬氧化膜的特點1.1.金屬氧化膜生長速率：金屬氧化膜生長速率：影響因素：金屬溫度、材料特性、接觸高溫蒸汽時間影響因素：金屬溫度、材料特性、接觸高溫蒸汽時間2.2.金屬氧