淺談生物質(zhì)鍋爐低溫腐蝕

1、淺談生物質(zhì)鍋爐低溫腐蝕Discussion on low temperature corrosion of biomass boiler曹義杰1 張子梅1 CAO Yi-jie，ZHANG Zi-mei（江蘇聯(lián)美生物能源有限公司 ，江蘇 泰州 225300）【摘要】 本文根據(jù)生物質(zhì)鍋爐尾部空預(yù)器運(yùn)行情況，對(duì)空預(yù)器低溫腐蝕的原因進(jìn)行總結(jié)分析，并采取相應(yīng)措施，減少了尾部受熱面漏風(fēng)、降低引風(fēng)機(jī)耗電量，提高鍋爐連續(xù)運(yùn)行能力。【關(guān)鍵詞】 生物質(zhì)鍋爐 空氣預(yù)熱器 低溫腐蝕 引言：生物質(zhì)能是可再生能源，對(duì)生物質(zhì)能的開發(fā)利用，是解決能源和環(huán)境問題的有效途徑之一。生物質(zhì)能源在發(fā)電應(yīng)用方面，主要設(shè)備是生物質(zhì)鍋爐。

2、生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行過程中還存在很多問題，制約鍋爐的連續(xù)運(yùn)行的能力。如：鍋爐高溫過熱器的腐蝕問題、空預(yù)器低溫腐蝕問題、進(jìn)料不暢問題、煙道堵灰和受熱面積灰問題、排渣問題、輸灰問題等。本文從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合我廠生物質(zhì)鍋爐多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)尾部空氣預(yù)熱器的腐蝕和堵灰進(jìn)行總結(jié)分析，探討解決方法，采取預(yù)防措施，延長(zhǎng)尾部空預(yù)器使用壽命，提高生物質(zhì)鍋爐連續(xù)運(yùn)行的能力。概述：江蘇聯(lián)美生物能源有限公司兩臺(tái)鍋爐，是由濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，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。煙氣流程：按爐膛、3級(jí)過熱器第一煙氣通道（4級(jí)過熱器）第二煙氣通道（二級(jí)過熱器、一級(jí)過熱器高溫段）尾

3、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。鍋爐尾部的空氣預(yù)熱器，通常是含有水蒸汽和硫酸蒸汽的低溫?zé)煔鈪^(qū)域，工作條件比較惡劣，容易出現(xiàn)低溫腐蝕和堵灰。一旦發(fā)生低溫腐蝕和堵灰，就會(huì)造成煙氣通道堵塞，引風(fēng)阻力增大，鍋爐正壓燃燒。這不但降低了鍋爐出力，甚至造成被迫停爐。腐蝕的結(jié)果會(huì)造成空氣預(yù)熱器管子泄漏損壞，造成嚴(yán)重漏風(fēng)，引起燃燒工況惡化。嚴(yán)重時(shí)不得不經(jīng)常更換受熱面，既增加了維修工作量和材料損耗，又影響了鍋爐的正常運(yùn)行，冷空氣進(jìn)入煙氣側(cè)，還會(huì)降低煙溫，加速低溫腐蝕及堵灰的速度，從而影響鍋爐安全運(yùn)行。一、 低溫腐蝕的機(jī)理：1、硫酸的形成及其對(duì)金屬的腐

4、蝕生物質(zhì)燃料平均含硫0.38%左右，燃料中的硫份在燃燒后，大部分變成二氧化硫，在一定條件下其中的少部分進(jìn)一步氧化成三氧化硫氣體。三氧化硫氣體與水蒸汽能結(jié)合成硫酸蒸汽，其凝結(jié)露點(diǎn)溫度高達(dá)110160甚至更高，露點(diǎn)溫度越高，煙氣含酸量愈大，腐蝕堵灰愈嚴(yán)重。當(dāng)空氣預(yù)熱器管壁溫度低于所生成的硫酸露點(diǎn)時(shí)，硫酸就在管壁上凝結(jié)而產(chǎn)生腐蝕，由于其發(fā)生在鍋爐的尾部受熱面，而尾部受熱面區(qū)段的煙氣和管壁溫度都較低，因此稱之為低溫腐蝕。 (見圖1)圖1空預(yù)器腐蝕金屬壁面被腐蝕的程度取決于硫酸凝結(jié)量的多少，濃度的大小和金屬壁面溫度的高低。硫酸象一層膠膜，一面粘在管壁上腐蝕，一面不斷粘著煙灰，形成多種硫酸鹽，并逐漸增厚，

5、形成煙道堵灰（見圖2）。圖2 煙道堵灰2、低溫腐蝕和堵灰的機(jī)理鍋爐低溫腐蝕最嚴(yán)重的部位是空氣預(yù)熱器的冷端。低溫腐蝕包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。通常低溫受熱面發(fā)生的腐蝕不均勻，這是由于煙氣中SO3濃度、受熱面上積灰程度和煙氣沖刷的不均勻造成的。低溫受熱面發(fā)生的腐蝕是多階段的過程，包括以下反應(yīng)： Fe2O3+6H+3SO42-3H2O+2Fe3+3SO42-Fe+2H+SO42- H2+Fe2+SO42-4Fe+8H+4SO42- 4H2O+FeS+3Fe2+ 3SO42-Fe2O3+5Fe+H2SO4H2+7H2O+FeS+4FeSO4+Fe2(SO4)2 因此，腐蝕產(chǎn)物主要是由低價(jià)鐵的硫酸鐵和鐵

6、的硫化物組成。另外，在空氣預(yù)熱器的煙氣出口段，沉積的硫酸溶液溶解管壁上的氧化膜和金屬鐵并與飛灰生成酸性黏結(jié)性灰，其成分包括Al2(SO4)2、CaSO4、 FeSO4和Fe2(SO4)3，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成煙氣通道的堵灰，使煙氣阻力劇增甚至造成通道全部堵死。腐蝕與堵灰往往是相互促進(jìn)的，堵灰使傳熱減弱，受熱面壁溫降低，而且在350以下沉積的灰又能吸收SO2,這將加速腐蝕過程。而一旦空預(yù)器受腐蝕泄漏后，便會(huì)發(fā)生漏風(fēng)，漏風(fēng)使煙溫進(jìn)一步降低，加速了腐蝕和堵灰過程，形成惡性循環(huán)。3、煙速對(duì)低溫腐蝕的影響從整個(gè)爐體煙氣流程來講，空氣預(yù)熱器煙氣通道截面較小，煙速較高、阻力較大，在相同的酸濃度下，煙速改變時(shí)，煙氣的

7、熱力學(xué)露點(diǎn)不變，但當(dāng)煙速增加時(shí)，酸的最大沉積速度會(huì)有所增加。因此，在尾部受熱面中，處于局部煙速較高、其傳熱較為強(qiáng)烈的部位，可能遭受較嚴(yán)重的低溫腐蝕。 尤其是已經(jīng)發(fā)生局部堵灰后，使尾部煙道同流面積大幅降低，為了維持爐膛負(fù)壓燃燒，必須加大引風(fēng)量，使得煙速進(jìn)一步提高，從而加重腐蝕和堵灰。4、溫度對(duì)腐蝕的影響煙氣中的水蒸氣進(jìn)入低溫受熱面后，由于煙氣溫度降低或接觸到較冷的受熱面，水蒸氣便發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。而且，溫度越低凝結(jié)速度越快。腐蝕往往從管子冷端逐漸向熱端延伸，堵灰則多積聚在煙氣流速較低的四周死角。當(dāng)鍋爐開爐停爐頻繁而積灰結(jié)渣又沒有得到及時(shí)清除時(shí)，腐蝕和積灰的速度必然加快。最開始尾部形成的松散性積灰在管

8、外壁粘附，時(shí)間過長(zhǎng)就可能由松散轉(zhuǎn)為緊密性的積灰，而積灰可能吸附煙氣中的二氧化硫、三氧化硫和水蒸汽，使積灰生成硫酸鹽和亞硫酸鹽，致使松散性積灰轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密性積灰。這些積灰與空氣預(yù)熱器內(nèi)管壁作用生成硫酸鐵和亞硫酸鐵，就更增加了積灰結(jié)渣的牢固性。上述積灰性質(zhì)的變化，首先發(fā)生在逆流式空氣預(yù)熱器冷端（進(jìn)風(fēng)口一側(cè)）的管內(nèi)壁上，原因是此處低溫空氣與低溫?zé)煔獾臒峤粨Q處，其管壁溫度較低，所以，溫度對(duì)腐蝕的影響很大。二、 影響低溫腐蝕的各種因素：1、不同燃料和燃燒方式對(duì)低溫腐蝕的影響 研究表明，即使燃料中折算含硫量相同，對(duì)不同的燃燒方式，煙氣中的SO3含量及露點(diǎn)可能出現(xiàn)相當(dāng)大的差異。這是因?yàn)槿紵郎囟仍礁撸?SO3的

9、轉(zhuǎn)化率也就越高，露點(diǎn)溫度也相應(yīng)越高。2、煙氣中含氧量對(duì)低溫腐蝕的影響 煙氣中氧含量越高，積灰速度越大。其原因?yàn)闊煔庵泻趿枯^少（低過量空氣系數(shù)）時(shí)，將使煙氣中CO濃度升高，而CO能抑制SO3的形成，因此，采用低過量空氣系數(shù)，能降低空預(yù)器的積灰，同時(shí)還能減輕其腐蝕。3、燃料含硫量及煙速對(duì)低溫腐蝕的影響 燃料中含硫量越低，生成SO3量越小，腐蝕也隨之減輕。研究還表明，在相同的酸濃度下，煙速改變時(shí)，煙氣的熱力學(xué)露點(diǎn)不變，但當(dāng)煙速增加時(shí)，酸的最大沉積速度有所增加。因此，在尾部受熱面中，處于局部煙速較高、其傳熱較為強(qiáng)烈的部位，可能遭受較嚴(yán)重的低溫腐蝕。 4、燃料中含鈣量對(duì)低溫腐蝕的影響 當(dāng)燃料中鈣含量增

10、加時(shí)，鈣能與SO3形成CaSO4，降低了SO3濃度，也降低了H2SO4含量，從而收到了降低空預(yù)積灰和腐蝕的效果。5、鍋爐負(fù)荷變動(dòng)的影響 隨著負(fù)荷的降低，排煙露點(diǎn)也有所降低，過量空氣系數(shù)越低，露點(diǎn)降得越厲害。這是因?yàn)殄仩t負(fù)荷降低時(shí)，爐膛溫度和過熱器壁溫均降低，無論是氧化或催化產(chǎn)生的SO3量均減少，從而使煙氣露點(diǎn)隨之降低。三、防止空預(yù)低溫腐蝕的技術(shù)措施通過對(duì)低溫腐蝕機(jī)理的分析，總結(jié)影響低溫腐蝕和堵灰的各種因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，有針對(duì)性的采取預(yù)防措施，改善空預(yù)器運(yùn)行環(huán)境，提高設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的能力。1、提高受熱面壁溫是防止空氣預(yù)熱器低溫腐蝕的最有效的方法。要提高壁溫，可以從提高排煙溫度和入口空氣溫度兩

11、方面入手。由于提高排煙溫度增加了排煙損失，使鍋爐熱效率降低，因此，提高排煙溫度是有限的。在實(shí)踐中常用的提高壁溫的方法是提高空氣入口溫度，采用暖風(fēng)器或熱風(fēng)再循環(huán)。但暖風(fēng)機(jī)或熱風(fēng)循環(huán)都會(huì)增加電耗，影響經(jīng)濟(jì)性。我們將一次風(fēng)機(jī)入口由室外改到室內(nèi)，由于進(jìn)風(fēng)的環(huán)境發(fā)生改變，一次風(fēng)溫度可以提高23，對(duì)減緩腐蝕也有積極作用。2、低溫受熱面采用耐腐蝕材料我們嘗試用搪瓷材料作為空氣預(yù)熱器冷端傳熱元件。實(shí)踐表明很有效。我公司在2014年10月將#2爐一次風(fēng)空預(yù)器最底層管箱整體更換為搪瓷管材質(zhì)，冷端改造之前考登鋼材質(zhì)，使用壽命為1.5年，改為搪瓷管后已經(jīng)運(yùn)行1.5年，這種搪瓷管子沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。改造費(fèi)用并不高，效果

12、很好，延緩了低溫腐蝕的速度。3、改變空預(yù)器管束結(jié)構(gòu)： 之前空預(yù)器管（51×2最上面兩排為51×3）錯(cuò)列排布，管子間距10mm容易發(fā)生堵灰，技改后管子42×3為順列排布后，管子間距20mm堵灰情況有很大好轉(zhuǎn)。由于管子間距擴(kuò)大，不僅積灰減少，而且便于尾部積灰的定期清理工作。4、采用低氧燃燒方式 煙氣中的過剩氧會(huì)增大SO3的生成量。研究表明，過量空氣系數(shù)在1.05以下，可以有效地減輕低溫腐蝕，同時(shí)，低氧燃燒時(shí)，排煙熱損失降低，有利于提高鍋爐效率。但是，低氧燃燒也可能帶來如下不利影響，如化學(xué)未燃盡損失有所增加，所以，運(yùn)行中加強(qiáng)燃燒調(diào)整，控制鍋爐氧量在35%，可以減弱空預(yù)器

13、的低溫腐蝕。5、避免漏風(fēng)煙道的漏風(fēng)會(huì)促進(jìn)SO3生成。同時(shí)，低溫受熱面區(qū)段的漏風(fēng)，會(huì)造成局部低溫，導(dǎo)致低溫腐蝕。定期做好漏風(fēng)試驗(yàn)，對(duì)尾部漏風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)減少漏風(fēng)量?？疹A(yù)器管束也要定期檢查堵漏，對(duì)腐蝕嚴(yán)重的管子進(jìn)行封堵或更換。搪瓷管空預(yù)器一般為卡箍式安裝方法，便于單根更換。6、定期清理尾部積灰 加強(qiáng)空氣預(yù)熱器的清灰工作 掌握積灰規(guī)律，定期除灰。既可增大煙氣流通面積，減少煙氣阻力，又相應(yīng)減少受熱面的腐蝕。在經(jīng)過五年多的運(yùn)行總結(jié)，現(xiàn)在鍋爐運(yùn)行3個(gè)月進(jìn)行尾部高壓水清洗，效果很好。既預(yù)防了空預(yù)器的腐蝕和積灰，同時(shí)減少了空預(yù)器的阻力，引風(fēng)機(jī)電耗明顯降低，重新前后約節(jié)省1kwh/噸汽，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。四、 結(jié)論經(jīng)過采取以上防止空氣預(yù)熱器低溫腐蝕和堵灰的措施，目前鍋爐尾部空預(yù)器