吳新建,殷 飛(江蘇國(guó)信如東生物質(zhì)發(fā)電有限公司,江蘇 南通 226400)
對(duì)生物質(zhì)鍋爐水冷壁管高溫腐蝕的分析
吳新建,殷 飛
(江蘇國(guó)信如東生物質(zhì)發(fā)電有限公司,江蘇 南通 226400)
某公司鍋爐為無(wú)錫華光鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的秸稈直燃爐排爐,為國(guó)內(nèi)第一臺(tái)自主設(shè)計(jì)的高溫高壓秸稈爐排爐。鍋爐自2008年6月投入商業(yè)運(yùn)行,鍋爐受熱面已有不同程度的減薄,本文主要針對(duì)腐蝕情況進(jìn)行分析、制定防腐措施。
生物質(zhì)鍋爐;水冷壁;高溫腐蝕
某公司鍋爐為無(wú)錫華光鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的秸稈直燃爐排爐,為國(guó)內(nèi)第一臺(tái)高溫高壓秸稈爐排爐。煙氣流向采用四回程“M”型,鍋爐布風(fēng)由兩部分組成:一次風(fēng)從二側(cè)墻爐排下各分三個(gè)風(fēng)管送入風(fēng)室,再經(jīng)過(guò)爐排上的風(fēng)孔進(jìn)入爐膛。風(fēng)室中有隔板分隔成六個(gè)獨(dú)立的風(fēng)室,進(jìn)風(fēng)管上設(shè)有調(diào)節(jié)擋板,可根據(jù)燃料和燃燒情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。二次風(fēng)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(fēng),后墻布置了三層二次風(fēng)。二次風(fēng)管上裝有可調(diào)風(fēng)門。鍋爐自2008年6月投入商業(yè)運(yùn)行,經(jīng)過(guò)5年多的運(yùn)行,鍋爐受熱面已有不同程度的減薄。
從鍋爐歷年生產(chǎn)情況可以看出,隨著機(jī)組利用小時(shí)的增加,鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng),爐膛溫度長(zhǎng)期850℃--950℃之間運(yùn)行,火焰中心正對(duì)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(cè)厚記錄看出,后墻水冷壁中間區(qū)域腐蝕速度較快,兩側(cè)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(duì)火焰面處最薄只有2.3 mm左右,腐蝕速度達(dá)到1.3mm/年。
2014年對(duì)水冷壁檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)水冷壁腐蝕減薄嚴(yán)重,同時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)爐膛火焰中心區(qū)域四周水冷壁均存在嚴(yán)重減薄現(xiàn)象,水冷壁表面覆蓋一層堅(jiān)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(duì)水冷壁測(cè)厚發(fā)現(xiàn),爐膛火焰中心四周部位水冷壁管減薄嚴(yán)重,各墻角部位減薄稍低,即減薄中間多兩側(cè)少的特點(diǎn)。自爐排面向上至屏過(guò)人孔門處均有不同程度的減薄,高度從爐排面上方2m(標(biāo)高8m)至屏過(guò)人孔門處(標(biāo)高17m),在左右側(cè)墻拱尖上下4米區(qū)域尤為嚴(yán)重,最薄處僅有3.0mm,而屏過(guò)上方水冷壁高溫腐蝕不明顯;而側(cè)墻水冷壁管原始厚度為7mm。
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(fù)合作用的結(jié)果。
生物質(zhì)燃料的成分復(fù)雜,通過(guò)對(duì)燃料化驗(yàn)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?;页煞种蠯、Na含量高,Mg含量高,鋁成分較低。對(duì)管外腐蝕垢樣進(jìn)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(guò)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(jié)下來(lái),并在水冷壁上不斷生長(zhǎng)、積聚而成,沉積物對(duì)管子造成嚴(yán)重的腐蝕。
對(duì)水冷壁腐蝕的垢樣成分進(jìn)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(guò)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(yán)重的高溫腐蝕。
在生物質(zhì)燃燒過(guò)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(jìn)入到煙氣中,通過(guò)反應(yīng)形成微米級(jí)顆粒的堿金屬氯化物,凝結(jié)和沉積在溫度較低的高溫受熱面管壁上。凝結(jié)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(yīng),氯化鐵在管壁垢層溫度高于315℃時(shí)發(fā)生氣化,向煙氣側(cè)擴(kuò)散,導(dǎo)致金屬表層的氧化膜脫落;暴露出來(lái)的管壁金屬鐵和煙氣中的氧進(jìn)行氧化反應(yīng),生成新的氧化膜。反應(yīng)過(guò)程周而復(fù)始,使得受熱面管壁的厚度不斷減少。
堿金屬硫酸鹽化學(xué)反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生氯氣的過(guò)程發(fā)生在積灰層,在靠近金屬表面會(huì)聚集濃度非常高的氯氣,其濃度遠(yuǎn)高于煙氣中的氯氣。在整個(gè)腐蝕過(guò)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(lái),金屬氧化物連續(xù)沉積,形成多孔疏松的腐蝕膜,最終導(dǎo)致了嚴(yán)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(gè)腐蝕過(guò)程在350℃及其以上溫度時(shí)進(jìn)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?yàn)榛鹧嬷行?,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(qiáng)堿性灰垢,使周圍煙氣溫度居高不下,煙氣里的灰周而復(fù)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(fù)合硫酸鹽破壞,更加劇了腐蝕速度。
針對(duì)水冷壁腐蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象,公司邀請(qǐng)專家們現(xiàn)場(chǎng)查看,通過(guò)取樣分析,認(rèn)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(duì)爐排振動(dòng)速率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,適當(dāng)增大振動(dòng)頻率,減輕爐排振動(dòng)幅度;(2)對(duì)爐膛出口煙氣O2濃度控制進(jìn)行適當(dāng)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(fēng)氣流速度,破壞氯氣的高濃度聚集;(4)對(duì)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(zhì),將前后墻、側(cè)墻水冷壁腐蝕段水冷壁材質(zhì)由20G提高至15CrMoG。
(1)對(duì)向火面進(jìn)行防磨防腐噴涂;(2)添加堿金屬阻垢劑,抑制低熔點(diǎn)的堿金屬氯化物(KCl和NaCl)的生成,形成高熔點(diǎn)的堿金屬?gòu)?fù)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(shè)耐火澆注料,避免高溫?zé)煔馀c水冷壁管直接接觸,降低水冷壁管表面溫度。
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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.003