生物質(zhì)鍋爐高溫過熱器腐蝕原因分析及對策

朱邦同

安徽省特種設(shè)備檢測院 安徽合肥 230051

1 背景概述

秸稈是生物質(zhì)鍋爐應(yīng)用之初的應(yīng)用對象，最廣泛的類型設(shè)備是75t/h 聯(lián)合爐排蒸汽鍋爐，該類鍋爐的生物能加工應(yīng)用方式是爐前強(qiáng)制給料的燃燒方式。爐體主要由往復(fù)爐排、鏈條爐排、風(fēng)室及支撐件幾個主要部分組成。其中往復(fù)爐排作用是充當(dāng)整個系統(tǒng)變頻提速裝置，為達(dá)成變頻效果，往復(fù)爐排配備有搖臂進(jìn)行連接和做功。鏈條爐排配置變頻調(diào)速的J300型齒輪減速箱。往復(fù)爐排通風(fēng)率5%，鏈條爐排通風(fēng)率6.5%，外部空氣首先會進(jìn)入爐底風(fēng)室，經(jīng)過爐排間隙進(jìn)入燃料層充當(dāng)助燃?xì)怏w[1]。燃料由上方被送進(jìn)爐膛，在燃燒室內(nèi)，高溫輻射環(huán)境讓空氣逐步預(yù)熱，使環(huán)境內(nèi)的燃料干燥易燃，在燃料燃燒條件逐步完成后燃料著火燃燒提供生物質(zhì)能，在往復(fù)機(jī)作用下，燃料在燃燒過程中一直處于位移狀態(tài)，朝爐體后半部分移動，到達(dá)鏈條爐排后燃燒剩余的灰渣會落入到爐體除渣口內(nèi)完成殘渣回收整理。在以上階段內(nèi)送進(jìn)鍋爐系統(tǒng)的空氣統(tǒng)稱為一次風(fēng)，與其對應(yīng)的還有二次風(fēng)，所謂二次風(fēng)是指在除了爐底部進(jìn)風(fēng)口外，在爐體前后墻和左右兩側(cè)墻還額外布置多個風(fēng)口，這些風(fēng)口進(jìn)風(fēng)統(tǒng)稱為二次風(fēng)，而這部分風(fēng)量在整個鍋爐燃燒過程所需要的總風(fēng)量中占據(jù)的三層的比例，是完成燃燒全過程不可或缺的空氣補(bǔ)充。具體的使用過程是，二次風(fēng)進(jìn)入到攪拌爐內(nèi)，與其中的燃燒氣體混合，在氣流流動方向的作用下會讓爐內(nèi)的煙氣產(chǎn)生旋渦，這樣以來就可以讓飛灰以及部分可燃物的懸浮時間延長，而且對懸浮可燃物進(jìn)行適當(dāng)空氣供給之后，使它能充分燃燒，提高生物質(zhì)能提取效率，提高了鍋爐熱使用效率，由于燃燒物燃燒時間被延長，燃燒效果更加徹底，廢氣量減少，鍋爐排出的煙濃度也會隨之降低。

2 高溫腐蝕的原理

2.1 過熱器管外壁腐蝕減薄過程

在生物中普遍含有大量的堿金屬，在草質(zhì)類燃料中除了大量的堿金屬以外還有一部分氯元素，這兩類元素在經(jīng)過了燃燒過程中，大量的氯元素與鍋爐環(huán)境內(nèi)充斥的揮發(fā)性堿金屬元素會以氣態(tài)的形式存在于煙氣中，通過均相反應(yīng)形成微米級顆粒的KCl 和NaCl，這些顆粒在高溫環(huán)境中四處飄散，懸于空中只有在接觸到穩(wěn)定相對更低的管壁后才會附著降溫。在處于燃燒漂浮的過程中，堿金屬氯化物與煙氣中的二氧化硫發(fā)生硫酸鹽化反應(yīng)生成氯氣。氯氣與金屬管道反應(yīng)的過程中會置換出金屬單質(zhì)，單質(zhì)在高溫環(huán)境下立即發(fā)生反應(yīng)，形成了金屬氧化物[2]。鐵元素與氯氣在高溫環(huán)境反應(yīng)生成氯化鐵，而氯化鐵在高溫高壓的環(huán)境下則會進(jìn)一步與鍋爐內(nèi)的氧氣發(fā)生反應(yīng)，置換出氯氣，在一系列化學(xué)反應(yīng)的影響下，以鐵作為主要元素的金屬管材料會被不斷的腐蝕，產(chǎn)生越來越多的腐蝕產(chǎn)物，該類型產(chǎn)物的不斷增加會導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物厚度的增加，附著在膜層的物質(zhì)增加，內(nèi)應(yīng)力也會隨之增大，最終在長時間的作用下，膜層物資會出現(xiàn)開裂、脫落的情況，雖然在整個過程中因為開裂脫落而導(dǎo)致的物質(zhì)丟失數(shù)量不多，但是整個鍋爐內(nèi)部環(huán)境不會發(fā)生改變，同類的化學(xué)反應(yīng)會一直發(fā)生，最終造成效果累加，導(dǎo)致管壁凹凸，壁厚變薄。在壁厚薄到一定程度后其強(qiáng)度就無法滿足使用需求，導(dǎo)致應(yīng)力失效。

2.2 腐蝕的溫度區(qū)間

不同的溫度對于氯氣活性的影響也有很大的區(qū)別，根據(jù)對比數(shù)據(jù)測算，當(dāng)鍋爐內(nèi)部溫度為490℃以內(nèi)時，此時鍋爐內(nèi)部氯氣對于金屬材料的腐蝕速度還處于較慢的狀態(tài)。當(dāng)溫度超過550℃后氯氣的活性會增加，整個反應(yīng)過程會變得劇烈，造成實際的腐蝕速度加快。經(jīng)過具體的測算，當(dāng)溫度達(dá)到600℃后，腐蝕速度為1.5-2.0mm/a。同時，實際運行過程中，處于高溫過熱器后段蒸汽流程（溫度較高）的管子較前段蒸汽流程（溫度較低）的腐蝕嚴(yán)重，處于溫度環(huán)境的水冷壁管子腐蝕非常輕微。

3 預(yù)防高溫腐蝕的措施

3.1 三級過熱器溫度的控制優(yōu)化

針對在高溫環(huán)境下，氯氣匯率金屬材料進(jìn)行不間斷腐蝕的情況，可通過增加三級過熱器溫度告警系統(tǒng)將鍋爐內(nèi)部溫度進(jìn)行主動式報警，幫助操作人員更好的了解到當(dāng)前鍋爐內(nèi)溫度，同時將溫度控制系統(tǒng)與內(nèi)部操作系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，保證內(nèi)部溫度達(dá)到規(guī)定限額后，會主動干預(yù)溫度的繼續(xù)上升，確保爐內(nèi)溫度能夠始終處于一個不利于氯氣高速反應(yīng)的狀態(tài)。

3.2 吹灰汽源改造

采用供熱母管過熱器蒸汽（0.85MPa，280℃）代替原來汽包減壓后的飽和蒸汽，降低了吹灰蒸汽溫度與三級過熱器管壁的溫差；對吹灰器自動工作流程中疏水的時間作了調(diào)整，由時間控制改為溫度控制，保證蒸汽的過熱度，過熱器蒸汽帶水情況明顯改善；調(diào)整吹灰頻率，由原來每班吹灰1次調(diào)整為每天吹灰1次[3]。實際運行中，尾部排煙溫度和各受熱面積灰情況沒有發(fā)生明顯變化，同時也降低了吹灰對三級高溫過熱器的不利影響。

3.3 燃料含水量控制

生物質(zhì)燃料內(nèi)部含水量較高，如果不對其提前進(jìn)行脫水處理，內(nèi)部較高的水分會降低燃燒效率，同時也會導(dǎo)致更多雜質(zhì)的出現(xiàn)。例如秸稈類的材料，他們在進(jìn)入鍋爐前內(nèi)部的含水量約達(dá)到30%-50%，如果將這種狀態(tài)的材料直接投放到鍋爐內(nèi)部，那么會對整個燃燒效果造成影響，同時也會造成著火相應(yīng)延遲。要使鍋爐安全穩(wěn)定運行，必須控制入爐燃料的水分在合理范圍內(nèi)，首先應(yīng)控制收購的燃料含水率，杜絕人為加水，其次生物質(zhì)流化床鍋爐應(yīng)建立足夠的防雨料庫，從源頭上控制燃料入爐含水率。

4 結(jié)語

將生物能提煉出來用于能源供應(yīng)，是未來能源供應(yīng)行業(yè)的改革方向，目前由于生物質(zhì)功能的技術(shù)問題導(dǎo)致在設(shè)備運行過程中，容易出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備老化，嚴(yán)重磨損腐蝕較快，無法保持穩(wěn)定安全運行狀態(tài)等因素。要解決這些問題，必須從腐蝕老化的原因本質(zhì)進(jìn)行分析，尋找相應(yīng)的措施，減少相應(yīng)的影響程度，達(dá)到確保設(shè)施設(shè)備穩(wěn)定運行的目的。