燃煤工業(yè)鍋爐黏性積灰和露點腐蝕耦合機理

陳衡，潘佩媛，趙欽新，梁志遠，王云剛

（西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710049）

燃煤工業(yè)鍋爐黏性積灰和露點腐蝕耦合機理

陳衡，潘佩媛，趙欽新，梁志遠，王云剛

（西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710049）

通過現(xiàn)場實驗研究了燃煤工業(yè)鍋爐的黏性積灰和露點腐蝕耦合機理，在現(xiàn)場測試了不同壁面溫度(90、80、70、60、50和40℃)下20#碳鋼實驗段的積灰和腐蝕特性，然后利用XRF、XRD和SEM-EDS對灰樣和金屬試樣進行了系統(tǒng)理化分析。結(jié)果表明，當壁面溫度低至70℃時，H2SO4開始在壁面上冷凝并沉積，引起黏性積灰和露點腐蝕。隨著壁面溫度的降低，實驗段上的積灰量和腐蝕層厚度不斷增加。當壁面溫度降至40℃時，HCl開始在壁面上冷凝并加重積灰和腐蝕。煙氣中的飛灰可以通過吸附冷凝的酸液并與其反應(yīng)來減少壁面的黏性積灰和露點腐蝕。燃煤工業(yè)鍋爐的低溫受熱面宜控制壁面溫度在70℃以上，以減少酸液冷凝造成的黏性積灰和露點腐蝕。

煤燃燒；工業(yè)鍋爐；酸冷凝；沉積物；腐蝕；煙氣冷卻

引 言

2012年我國燃煤工業(yè)鍋爐的總量已達 46.7萬臺，年消耗原煤約7億噸，占全國煤炭消耗總量的18%以上[1]。目前，我國燃煤工業(yè)鍋爐普遍存在能耗高、效率低、污染嚴重等問題[2]。2010年我國各省市特種設(shè)備檢測機構(gòu)對全國運行的工業(yè)鍋爐熱效率的現(xiàn)場測試結(jié)果表明，1～35 t·h-1層燃鍋爐的平均熱效率僅約為 65%[3]。我國燃煤工業(yè)鍋爐的排煙溫度往往偏高，一般在160～300℃之間[4]，是工業(yè)鍋爐效率普遍較低的主要原因之一。

如果通過煙氣余熱利用裝置，將燃煤工業(yè)鍋爐的排煙溫度降低到硫酸露點附近，既可顯著提高鍋爐效率，也可有利于協(xié)同脫除PM/Hg/SO3[5-6]，因此對工業(yè)鍋爐的煙氣進行深度冷卻具有節(jié)能減排的綜合效益。但是在煙氣深度冷卻過程中，常會出現(xiàn)酸蒸汽冷凝造成的黏性積灰和露點腐蝕問題。當受熱面溫度低于煙氣中酸蒸汽（如H2SO4、HCl等）的露點溫度時，酸蒸汽在壁面上凝結(jié)成酸液[7]，進而引起金屬壁面的腐蝕，稱為露點腐蝕[8]。同時煙氣中的飛灰與酸液混合，黏附力大大增強[9]，在受熱面上形成黏性積灰，降低受熱面的換熱效率，堵塞煙氣流動通道、增大煙風(fēng)阻力，嚴重時甚至導(dǎo)致停爐。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對鍋爐的黏性積灰和露點腐蝕問題進行了大量研究，但是這些研究主要集中在燃油燃氣鍋爐[10-13]、燃煤電站鍋爐[14-20]和生物質(zhì)鍋爐[21-25]，關(guān)于燃煤工業(yè)鍋爐黏性積灰和露點腐蝕特性的研究仍非常少。煙氣深度冷卻技術(shù)在我國工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用仍處于探索階段，主要是借鑒燃煤電站鍋爐在該方面的已有研究成果，但是工業(yè)鍋爐與電站鍋爐的結(jié)構(gòu)和燃燒特性截然不同[26]，而且我國工業(yè)鍋爐具有煤種多變、負荷波動大和燃燒效率低等特點[27]，其低溫受熱面的腐蝕和積灰情況十分復(fù)雜，因此亟需開展針對我國燃煤工業(yè)鍋爐的露點腐蝕和黏性積灰的相關(guān)研究。

本文利用組合式低溫積灰腐蝕實驗裝置，在某城區(qū)供熱站對其燃煤工業(yè)鍋爐的黏性積灰和露點腐蝕特性進行現(xiàn)場實驗研究。采用X射線熒光光譜儀（XRF）、X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）以及能譜儀（EDS）對灰樣和金屬試樣進行理化分析，得到燃煤工業(yè)鍋爐低溫受熱面的積灰和腐蝕規(guī)律，揭示其黏性積灰和露點腐蝕的耦合機理，以期為煙氣深度冷卻技術(shù)在燃煤工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用提供重要的技術(shù)參考。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

本實驗以某供熱站的 29MW 層燃工業(yè)鍋爐為實驗平臺，該鍋爐型號為DHL29-1.57/130/80-AIII。鍋爐采用單鍋筒橫置式布置，其水循環(huán)由爐內(nèi)的自然循環(huán)和對流受熱面的強制循環(huán)組成。鍋爐本體呈“π”形室內(nèi)布置，鏈條爐排為正行程鱗片式。該鍋爐配有布袋除塵器及石灰石-石膏濕法脫硫塔。實驗期間鍋爐燃煤的煤質(zhì)穩(wěn)定，其燃煤的工業(yè)分析、元素分析和灰分析如表1和表2所示。

表1 實驗期間鍋爐燃煤的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal burned by boiler during experiment

表2 實驗期間鍋爐燃煤的灰分析Table 2 Ash analysis of coal burned by boiler during experiment/% (mass)

相關(guān)研究[8]表明，低負荷運行時燃煤鍋爐的低溫腐蝕和積灰往往最為嚴重。因此，本文選取的實驗時間為夏季，該鍋爐處于低負荷運行狀態(tài)，負荷維持在 41%～52%，鍋爐的排煙溫度亦偏低，在117.6～132.2℃之間，以考察最惡劣工況下燃煤工業(yè)鍋爐的黏性積灰和露點腐蝕特性，進而指導(dǎo)工業(yè)鍋爐低溫受熱面的設(shè)計和運行。

組合式低溫積灰腐蝕實驗裝置[28]安裝在鍋爐尾部空預(yù)器之后、除塵器之前的垂直煙道上（圖1）。實驗段由內(nèi)套管和外套管組成，循環(huán)冷卻水冷進入內(nèi)套管后，從內(nèi)、外套管之間的縫隙流出，對外套管進行充分冷卻。實驗段外套管的材料為 20#碳鋼（其成分見表3），其頂部160 mm長的部分為研究段，從該段提取灰樣和金屬試樣。如果煙氣冷卻換熱器在燃煤工業(yè)鍋爐上進行應(yīng)用，其循環(huán)介質(zhì)的溫度一般在40～90℃之間，因此實驗中通過冷卻水將實驗段的壁溫控制在40、50、60、70、80和90℃，即共包括6個工況。根據(jù)前期測試結(jié)果和本課題組在其他燃煤鍋爐上的實驗經(jīng)驗，綜合考慮積灰和腐蝕的形成時間，選取每個工況的測試時間為72 h，即可達到對低溫受熱面黏性積灰和露點腐蝕特性的研究目的。測試后將實驗段整體取出，觀察分析實驗段的積灰和腐蝕情況。

圖1 實驗位置及實驗裝置示意圖Fig.1 Diagram of experimental position and experimental apparatus

表3 實驗段外套管材料的成分Table 3 Material composition of outer tube of test section/% (mass)

1.2 分析方法

利用硬質(zhì)毛刷將研究段上的積灰移除到自封袋中，使用電子天平對灰樣稱重后采用研磨缽對灰樣進行研磨。在灰樣研磨一段時間后，通過標準篩和電子天平對灰樣進行篩分和稱重，當灰樣的粒徑分布較為穩(wěn)定時，停止對灰樣的研磨。然后，分別使用德國布魯克S4 PIONEER型X射線熒光光譜儀和荷蘭帕納科XPMD型X射線衍射儀測定灰樣中的元素組成和主要化合物。采用日本電子株式會社JSM-6390A型掃描電子顯微鏡觀察灰樣的微觀形貌，并用其配備的能譜儀對灰樣微觀區(qū)域的元素組成進行分析。

在實驗段上的積灰清理之后，將實驗段外套管的研究段切割成小塊金屬試樣，并用環(huán)氧樹脂將金屬試樣鑲嵌起來。通過砂紙和拋光布對金屬試樣的截面進行打磨和拋光，然后利用SEM-EDS對金屬試樣的截面進行分析。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 積灰外貌及重量

不同壁面溫度測試后的研究段表面積灰外貌如圖2所示。當壁面溫度為80和90℃時，研究段表面幾乎沒有積灰，而當壁面溫度降低至70℃時，研究段表面開始有少量積灰出現(xiàn)，分散在壁面上。在40～60℃工況下，研究段的背風(fēng)面有“覆蓋式”積灰，即穩(wěn)定的積灰層。將積灰從研究段上提取后進行稱量，結(jié)果如圖3所示。從積灰稱重結(jié)果可以看出，當壁面溫度低于80℃時，研究段表面的積灰量隨壁面溫度的降低而迅速增加。

2.2 灰樣分析結(jié)果

由于壁面溫度為80和90℃兩個工況下研究段表面的積灰太少，不夠進行相關(guān)分析，故只對其他工況的積灰進行了XRF、XRD和SEM-EDS分析，灰樣的編號和介紹如表4所示。

圖2 不同壁面溫度時研究段表面積灰形貌Fig.2 Appearances of deposits on studied sections under different wall temperatures

圖3 不同壁面溫度時研究段表面的積灰質(zhì)量Fig.3 Mass of deposits on studied sections under different wall temperatures

表5給出了灰樣的XRF分析結(jié)果。每個灰樣中S的含量均較高，說明當壁面面溫度為70℃時，H2SO4可能已經(jīng)在壁面上發(fā)生冷凝并沉積。與灰樣1～3相比，灰樣4中含有更多的Cl，可以推測當壁面溫度降至40℃時，HCl可能在壁面上開始冷凝。另外，每個灰樣中C含量均較高，說明爐膛內(nèi)的燃燒很不完全。

灰樣的XRD分析結(jié)果如圖4所示?；覙?～3中的主要化合物較為相似，S在灰樣 1～3中僅以CaSO4的形式存在，CaSO4可能是含 Ca化合物與H2SO4反應(yīng)的產(chǎn)物。灰樣 1～3中均有 CaO，CaO易于與煙氣中或壁面上的酸冷凝物發(fā)生反應(yīng)[29]?；覙?比灰樣1～3含有更多種類的含F(xiàn)e化合物，說明灰樣 4中的腐蝕產(chǎn)物種類可能較多。灰樣 1～3中的含 Fe化合物僅為 Fe2O3，灰樣 4中有FeCl2·2H2O、FeOOH 和 Fe2(SO4)3·9H2O。

圖5和表6分別給出了灰樣的SEM圖和EDS分析結(jié)果。從圖5可以看出，每個灰樣中有都有明顯的顆粒相互黏結(jié)的情況，黏結(jié)部分呈水泥狀，并且發(fā)生黏結(jié)的顆粒多為細顆粒。由灰樣的EDS分析結(jié)果可知，每個灰樣中黏結(jié)部分的S含量均較高，H2SO4的冷凝液促進了灰顆粒的黏結(jié)。與灰樣1～3相比，灰樣4的黏結(jié)部分的Cl含量很高，說明40℃工況下HCl也可能參與了黏性積灰的形成。另外，灰樣4的塊狀顆粒中Fe含量非常高，這些塊狀顆粒可能是腐蝕產(chǎn)物。

表4 灰樣的介紹Table 4 Introduction of analyzed deposit samples

2.3 金屬試樣分析結(jié)果

表5 灰樣的XRF分析結(jié)果Table 5 XRF analysis results of deposit samples/% (mass)

圖6給出了研究段截面的SEM圖和EDS分析區(qū)域。每個溫度工況下，金屬基體表面均有明顯的腐蝕層，并且腐蝕層有明顯裂紋。當壁面溫度為70～90℃時，研究段的腐蝕以點蝕為主，當壁面溫度為40～60℃時，研究段表面發(fā)生了全面的均勻腐蝕。為了對比不同壁面溫度條件下研究段的腐蝕情況，根據(jù)腐蝕截面的 SEM 圖對各個研究段的腐蝕層厚度進行了測量，結(jié)果如圖7所示。當壁面溫度低于80℃時，腐蝕層厚度隨壁面溫度的下降而不斷增大。

圖4 灰樣的XRD分析結(jié)果Fig.4 XRD patterns results of deposit samples

表6 灰樣的EDS分析結(jié)果（與圖5中的分析區(qū)域相對應(yīng)）Table 6 EDS analysis results of deposit samples (corresponding to analysis regions in Fig.5) /%(mass)

圖6 研究段截面SEM圖及EDS分析區(qū)域Fig.6 SEM images and EDS analysis regions of cross sections of studied sections

圖7 不同壁面溫度時研究段的腐蝕層厚度Fig.7 Corrosion layer depths of studied sections under different wall temperatures

通過 EDS分析了研究段截面腐蝕層的元素組成，結(jié)果如表7所示。與80℃和90℃兩個工況相比，當壁面溫度降低到70℃時，腐蝕層中的S含量明顯升高，此時H2SO4開始在壁面上冷凝并引起腐蝕，而40～70℃這4個工況下，腐蝕層中S含量的變化不大。當壁面溫度低至40℃時，腐蝕層中Cl含量明顯升高，說明HCl也開始冷凝并加速腐蝕。

3 黏性積灰和露點腐蝕耦合機理分析

根據(jù)蘇聯(lián)鍋爐熱力計算標準方法（1973）[30]的經(jīng)驗公式，計算得到該工業(yè)鍋爐煙氣的H2SO4露點和水露點分別約為101.8℃和41.4℃。由實驗結(jié)果可知，當壁面溫度降至70℃時，實驗段表面的積灰量開始增加，并且在積灰中S含量也明顯升高，積灰的增加是由H2SO4冷凝引起的。當壁面溫度低至40℃時，積灰中的 Cl含量增高，在該條件下 HCl開始凝結(jié)到壁面上。當壁面溫度為50～70℃時，積灰中含S的化合物只有CaSO4，可能是H2SO4和含Ca化合物之間反應(yīng)的產(chǎn)物，尤其是飛灰中的CaO?；覙拥?EDS分析結(jié)果表明，積灰的黏結(jié)部分中 S或Cl含量很高，說明黏結(jié)積灰是由冷凝的酸液所引起的，并且黏結(jié)部分主要由細顆粒構(gòu)成，這些有黏性的細顆粒在黏性積灰形成過程中起到了“黏結(jié)劑”的作用。

金屬試樣的分析結(jié)果表明，當壁面溫度低于80℃時，實驗段的腐蝕層隨壁面溫度降低而增厚，此時腐蝕層中的S含量較高，冷凝的H2SO4導(dǎo)致了腐蝕的惡化。當壁面溫度為 40℃時，腐蝕層中的 Cl含量明顯升高，HCl冷凝液的出現(xiàn)加劇了壁面的腐蝕。根據(jù)灰樣的 XRD分析結(jié)果，可以推測壁面上可能形成的腐蝕產(chǎn)物，當壁面溫度為50～70℃時，主要的腐蝕產(chǎn)物可能是Fe2O3；而當壁面溫度為40℃時，主要的腐蝕產(chǎn)物可能為FeCl2·2H2O、FeOOH和 Fe2(SO4)3·9H2O。

圖8 酸冷凝、積灰和腐蝕耦合模型Fig.8 Coupling model of acid condenstion,ash deposition and corrosion

當壁面溫度低于某種酸的露點溫度時，該種酸在壁面附近發(fā)生凝結(jié)，冷凝形成的酸液和飛灰顆?？赡馨l(fā)生的行為如圖8所示。冷凝的酸液主要有3種可能的行為：① 沉積在管壁上，引起腐蝕，同時從煙氣中吸引飛灰顆粒并與飛灰顆粒發(fā)生反應(yīng)；②黏附在煙氣中的飛灰顆粒上，使顆粒變黏并與其反應(yīng)；③ 隨煙氣一起飛走。飛灰顆?？赡馨l(fā)生的行為是：① 吸收煙氣中冷凝的酸液；② 沉積在管壁上；③ 撞擊管壁后離開；④ 與煙氣一起飛走。已經(jīng)吸收冷凝酸液并變黏的飛灰顆?？赡苡?種行為：①沉積在管壁上；② 與其他顆粒吸附結(jié)合；③ 與煙氣一起飛走。隨著壁面溫度的降低，越來越多的酸冷凝并沉積到壁面上，導(dǎo)致更嚴重的露點腐蝕和黏性積灰。飛灰可以通過吸附酸液并與其反應(yīng)而減輕腐蝕和黏性積灰。另外，飛灰顆粒對壁面的沖刷，特別是大顆粒的沖刷，有利于去除壁面上的積灰。

表7 研究段截面EDS分析結(jié)果（與圖6中的分析區(qū)域相對應(yīng)）Table 7 EDS analysis results of cross sections of studied sections (corresponding to analysis regions in Fig.6)/%(mass)

在本文中，當壁面溫度為 80℃和 90℃時，該壁面溫度很可能已低于實際H2SO4露點，但是在研究段上幾乎沒有積灰，也未見明顯的酸腐蝕，可能是因為冷凝酸液相對較少，不足以沉積在壁面上，而是隨煙氣一起飛走或被煙氣中的飛灰吸收，沒有在壁面上引起黏性積灰和露點腐蝕。當壁面溫度降至70℃時，由于冷凝的H2SO4增多、足夠沉積到壁面上，金屬壁面的腐蝕開始惡化并形成少量的黏性積灰，說明此時 H2SO4的冷凝速率大于飛灰對H2SO4吸收和反應(yīng)的總速率。當壁面溫度為40℃時，該溫度已低于水露點，水蒸氣和HCl在壁面上也發(fā)生冷凝。不同壁面溫度時該燃煤工業(yè)鍋爐的積灰和腐蝕特性如圖 9所示。由此可知，當以 20#碳鋼為燃煤工業(yè)鍋爐煙氣冷卻換熱器的材料時，應(yīng)盡量保持受熱面溫度在70℃以上，在煙氣中飛灰對冷凝酸液的吸附和反應(yīng)綜合作用下，可以有效減輕冷凝酸液導(dǎo)致的黏性積灰和露點腐蝕。

圖9 不同壁面溫度時的積灰和腐蝕特性Fig.9 Ash deposition and corrosion characteristics under different wall temperatures

4 結(jié) 論

（1）當壁面溫度降低到 70℃時，H2SO4開始在研究段上冷凝和沉積，引起黏性積灰和露點腐蝕。隨著壁面溫度降低，實驗段的積灰和腐蝕加重，當壁面溫度低至40℃時，HCl也開始冷凝到壁面上，加劇壁面的腐蝕。

（2）煙氣中飛灰對冷凝的酸液進行吸附并與之發(fā)生反應(yīng)，進而有助于減輕黏性積灰和露點腐蝕。細飛灰顆粒更容易吸附冷凝的酸液，在黏性積灰形成過程中發(fā)揮“黏結(jié)劑”的作用。飛灰與H2SO4反應(yīng)的主要產(chǎn)物為CaSO4。

（3）當煙氣冷卻換熱器應(yīng)用于燃煤工業(yè)鍋爐時，若以 20#碳鋼為受熱面材料，宜控制壁面溫度在70℃以上，以避免或減輕酸液冷凝導(dǎo)致的黏性積灰和露點腐蝕。

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date:2017-05-31.

ZHAO Qinxin,zhaoqx@xjtu.edu.cn

supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFC0801904) and the National Natural Science Foundation of China (51606144).

Coupling mechanism of viscose ash deposition and dewpoint corrosion in industrial coal-fired boiler

CHEN Heng,PAN Peiyuan,ZHAO Qinxin,LIANG Zhiyuan,WANG Yungang
(Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE,School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,China)

Viscose ash deposition and dewpoint corrosion in an industrial coal-fired boiler were investigated by field study of temperature-controlled mild steel 20#test probes under different wall temperatures of 90℃,80℃,70℃,60℃,50℃ and 40℃.Ash deposits and metal samples were analyzed by X-ray fluorescence (XRF),X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS).The results showed that when wall temperature fell to 70℃,viscose deposits and dewpoint corrosion began to form on probes due to condensation of H2SO4on wall surface.The deposit accumulation and corrosion depth increased with the decrease of wall temperature,when wall temperature was lower than 80℃.At wall temperature of 40oC,HCl started condesing on wall surface which further enhanced ash deposition and corrosion.The coupling mechanism of viscose ash depostion and dewpoint corrosion was discussed and it was proposed that fly ash in flue gas could absorb and react with acid condensation to reduce viscose ash deposit and corrossion.Therefore,in order to avoid or reduce deposition and corrosion,it is recommended that low-temperature heating surface in industrial coal-fired boilers should be maintained above 70oC.

coal combustion; industrial boiler; acid condensation; deposition; corrosion; flue gas cooling

TK 16

A

0438—1157（2017）12—4774—10

10.11949/j.issn.0438-1157.20170697

2017-05-31收到初稿，2017-08-08收到修改稿。

聯(lián)系人：趙欽新。

陳衡（1989—），男，博士研究生。

國家重點研究發(fā)展計劃項目（2016YFC0801904）；國家自然科學(xué)基金項目（51606144）。