600 MW機(jī)組空氣預(yù)熱器蓄熱板失效分析

陳小強(qiáng)， 龔 琨， 彭月璽， 張 琳， 雷健康， 趙伶玲

(1. 中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司， 江蘇蘇州 215123；2. 中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司， 山西朔州 036800；3. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

空氣預(yù)熱器(簡稱空預(yù)器)作為鍋爐的重要設(shè)備之一，可有效利用煙氣余熱、降低排煙溫度，同時提高鍋爐的燃燒效率和熱效率[1]，其運(yùn)行效果直接關(guān)系到電站鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

然而，空預(yù)器的工作環(huán)境惡劣，換熱介質(zhì)煙氣中含有大量的黏性物質(zhì)、腐蝕性氣體和灰分，使得蓄熱板表面易產(chǎn)生積灰、腐蝕、磨損等一系列失效問題[2]，影響空預(yù)器的換熱性能，嚴(yán)重時造成空預(yù)器堵塞，威脅鍋爐的安全運(yùn)行。目前，國內(nèi)電站鍋爐在選擇性催化還原法(SCR)脫硝改造后普遍存在空預(yù)器蓄熱板失效狀況，針對此類現(xiàn)象，研究學(xué)者們多從煤種、燃燒條件等宏觀因素分析問題并提出解決方案[3-5]，通過對失效蓄熱板進(jìn)行試驗(yàn)測試進(jìn)一步分析失效原因的研究內(nèi)容還較少。

筆者以某600 MW機(jī)組空預(yù)器蓄熱板為例，從磨損、積灰及腐蝕3個方面分析了蓄熱板失效的原因，并對失效蓄熱板進(jìn)行了掃描電鏡、能譜分析及X射線衍射分析等試驗(yàn)測試，可以為防止或減輕空預(yù)器蓄熱板失效提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 存在問題

該電廠1 號機(jī)組裝機(jī)容量600 MW，裝設(shè)2臺32VNT2300型三分倉容克式空預(yù)器，其換熱元件設(shè)計(jì)為三段蓄熱板：熱端和中溫段蓄熱板厚度為0.5 mm，高度分別為350 mm和1 000 mm，材料為低碳鋼；冷端蓄熱板厚度為0.75 mm，高度為950 mm，材料為抗腐蝕搪瓷鋼。

為滿足國家對火電廠NOx排放要求，對該機(jī)組進(jìn)行了SCR脫硝改造。機(jī)組在運(yùn)行1年后，空預(yù)器煙氣側(cè)壓降上升到2 kPa左右，達(dá)到原設(shè)計(jì)鍋爐額定蒸發(fā)量(BMCR)工況下煙氣側(cè)壓降(1.27 kPa)的1.57倍。同時，空預(yù)器熱一次風(fēng)溫在BMCR工況下約為310 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空預(yù)器設(shè)計(jì)要求(332 ℃)。由此推斷，空預(yù)器蓄熱板發(fā)生了嚴(yán)重的堵塞。

機(jī)組停爐檢修時，發(fā)現(xiàn)空預(yù)器三段蓄熱板均出現(xiàn)了不同程度的失效現(xiàn)象(見圖1)，具體情況如下：

(1) 熱端蓄熱板失效以磨損和腐蝕為主。熱端蓄熱板成片松散，發(fā)生大面積坍塌，散落在空預(yù)器倉格內(nèi)，并且大部分蓄熱板彎曲變形，表面發(fā)黑生銹，存在許多直徑為3～6 mm的小孔。

(2)中溫段和冷端蓄熱板失效以積灰和腐蝕為主。中溫段和冷端蓄熱板表面凹處黏附有厚度約為2 mm的積灰，難以清除，并且大部分表面腐蝕生銹，其中冷端蓄熱板腐蝕破損尤為嚴(yán)重。

圖1 空預(yù)器蓄熱板失效現(xiàn)象

2 蓄熱板失效原因分析

2.1 磨損失效

燃煤鍋爐運(yùn)行時，尾部煙氣中攜帶大量的未燃盡飛灰顆粒，高速的飛灰顆粒沖刷空預(yù)器對流受熱面，使得蓄熱板表面不斷被磨蝕甚至破損。受熱面的磨損速率與煙氣流速、煤質(zhì)、灰分成分等因素有關(guān)[6]，其表達(dá)式為：

(1)

式中：Eab為磨損速率；Iab為飛灰相對磨損指數(shù)；R為煤中灰碳比；ω為灰粒撞擊速度，一般取煙氣流速；T為煙氣的熱力學(xué)溫度。

該電廠的設(shè)計(jì)煤種中，煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達(dá)32%，導(dǎo)致煙氣中飛灰濃度較大。同時，煤灰中含有大量的石英(SiO2)，而SiO2是煤灰中最硬的礦物成分，其硬度高于錳鋼，而且SiO2的熔點(diǎn)很高，達(dá)1 723 K，這使得飛灰顆粒在爐膛中保持尖角形，而不能融化成光滑表面的球形，會加劇對受熱面的磨損[7]。因此，飛灰中SiO2的含量直接決定了飛灰的磨損性，尾部煙氣中飛灰濃度越大，飛灰中SiO2含量越高，飛灰顆粒直徑越大，表面越粗糙，對空預(yù)器的磨損越嚴(yán)重。此外，空預(yù)器發(fā)生堵灰時，需要停爐吹灰，吹灰介質(zhì)參數(shù)高、吹灰頻繁，也會加劇對受熱面的磨損。

在回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的熱端入口，煙氣流速較大，攜帶的飛灰顆粒速度較高，直接沖刷金屬受熱面，加之熱端蓄熱板相對冷端較薄，因此空預(yù)器熱端磨損更嚴(yán)重。

2.2 積灰失效

該電廠1 號機(jī)組采用SCR進(jìn)行脫硝，其原理為在特定催化劑V2O5的催化作用下，利用NH3的還原性，將NOx轉(zhuǎn)換為對環(huán)境無毒無害的N2[8]。為了提高脫硝效率，運(yùn)行人員往往過量噴氨，逃逸的NH3會結(jié)合SO3、H2O生成硫酸氫銨(NH4HSO4)[9]。NH4HSO4的熔點(diǎn)為420 K，其在空預(yù)器的中溫段和冷端(溫度為420～493 K)發(fā)生液化，且具有很強(qiáng)的黏性[10]，極易黏附在布置緊密的蓄熱板上，吸附煙氣中大量的飛灰顆粒，造成空預(yù)器積灰。

NH4HSO4的積灰特性與傳統(tǒng)的高溫積灰、松散性積灰等不同[11]，其黏結(jié)性很強(qiáng)，積灰增長速度極快；同時，NH4HSO4易溶于水，難溶于水蒸氣，因此用傳統(tǒng)的水蒸氣吹灰、微波吹灰等方式很難清除。久而久之，冷端蓄熱板表面的積灰越積越厚，使煙氣通道的橫截面積逐漸減小，煙氣流動阻力逐漸增大，蓄熱板換熱能力逐漸變差，影響鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.3 腐蝕失效

SCR脫硝改造后，空預(yù)器中低溫段出現(xiàn)了嚴(yán)重的NH4HSO4積灰狀況，NH4HSO4具有腐蝕性，因此會腐蝕與之接觸的金屬蓄熱板表面；同時，在空預(yù)器的冷端，由于煙氣溫度低于硫酸蒸氣的露點(diǎn)，煙氣中的SO3與水蒸氣結(jié)合生成的硫酸蒸氣會凝結(jié)在金屬波紋板的表面，造成低溫腐蝕[12]。雖然空預(yù)器冷端材料為抗腐蝕搪瓷鋼，但長期吹灰會使搪瓷脫落，加劇蓄熱板腐蝕。

空預(yù)器積灰和腐蝕是一個相互促進(jìn)的過程[13]。黏附在受熱面上的腐蝕性物質(zhì)會對金屬造成腐蝕破壞；同時，腐蝕增大了金屬表面粗糙程度，使其極易黏附飛灰。空預(yù)器受熱面發(fā)生腐蝕時，不僅降低了受熱面的換熱效果，而且影響鍋爐的安全運(yùn)行。

3 失效蓄熱板試驗(yàn)分析

為了更好地研究該電廠空預(yù)器蓄熱板失效的機(jī)理，筆者分別選取了具有代表性的空預(yù)器熱端、中溫段和冷端的蓄熱板材料進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)采用掃描電鏡(SEM)的方法觀察蓄熱板表面積灰和腐蝕的形貌，通過能譜(EDS)分析和X射線衍射(XRD)分析分別測得腐蝕產(chǎn)物的元素組成和物相組成，并對打磨拋光后的試樣進(jìn)行了微觀金相分析。

3.1 SEM分析

首先對失效蓄熱板進(jìn)行了SEM試驗(yàn)測試[14]，進(jìn)而觀察到空預(yù)器熱端、中溫段和冷端的腐蝕產(chǎn)物微觀形貌(見圖2)。

由圖2可以看出：熱端、中溫段和冷端蓄熱板均被均勻腐蝕，其中，熱端蓄熱板受高溫?zé)煔獾臎_刷，磨損和腐蝕更為嚴(yán)重，多處出現(xiàn)破損穿孔現(xiàn)象；相比于材料為低碳鋼的熱端腐蝕狀況，冷端因鍍搪瓷而腐蝕較輕，沒有腐蝕穿孔現(xiàn)象，但是中溫段和冷端蓄熱板表面積灰更為嚴(yán)重。

3.2 EDS和XRD分析

通過EDS分析[14]獲得失效蓄熱板表面腐蝕產(chǎn)物的元素組成(見圖3)。結(jié)合圖3及各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以看出腐蝕產(chǎn)物中均含有Fe、Si、S、O等元素，其中：熱端和冷端腐蝕產(chǎn)物中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別為83.17%和90.37%，O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅次于Fe，分別為7.80%和4.98%；中溫段腐蝕產(chǎn)物中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，遠(yuǎn)大于Fe和O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而Si是灰分的主要組成元素之一，這說明中溫段蓄熱板表面積灰嚴(yán)重；熱端和中溫段腐蝕產(chǎn)物中S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.49%和8.06%，遠(yuǎn)高于冷端腐蝕產(chǎn)物中S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.43%)，說明熱端和中溫段蓄熱板表面腐蝕嚴(yán)重。

進(jìn)一步通過XRD分析獲得失效蓄熱板表面腐蝕產(chǎn)物的物相組成，結(jié)果見圖4。

3.3 金相分析

為了研究空預(yù)器蓄熱板本身的材料屬性，分別對熱端、中溫段和冷端失效蓄熱板試樣拋光、打磨后進(jìn)行了金相分析，結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出：熱端蓄熱板材料的金相組織為鐵素體，其晶粒均為細(xì)長形，稱為纖維化組織，這使得材料脆性和強(qiáng)度很高；同時，晶粒平均尺寸為25 μm，沒有再結(jié)晶現(xiàn)象，說明蓄熱板自身材料良好；中溫段蓄熱板材料的晶粒部分出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，而冷端蓄熱板材料的晶粒形狀嚴(yán)重不均勻，大部分產(chǎn)生混晶現(xiàn)象。分析其原因?yàn)椋?1)材料在熱處理時溫度過高，使得某些晶粒迅速長大，產(chǎn)生缺陷；(2)燒結(jié)時溫度高，產(chǎn)生等軸組織，即再結(jié)晶組織，使得材料的脆性偏高。

4 改造措施

針對該電廠空預(yù)器蓄熱板失效嚴(yán)重的現(xiàn)狀，提出以下改造建議：

(1) 蓄熱板采用兩段式，盡量減小NH4HSO4沉積區(qū)域，從而減輕空預(yù)器冷端堵塞；同時，熱端蓄熱板應(yīng)稍做加厚，減輕磨損，冷端蓄熱板采用抗腐蝕搪瓷鋼，減輕腐蝕。

(2)對SCR脫硝裝置進(jìn)行噴氨優(yōu)化，在嚴(yán)格控制氨逃逸量的同時，保證SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度和煙氣流速不均勻度均處于較低水平，從源頭上減少NH4HSO4的生成。

(3) 提高空預(yù)器冷端綜合溫度，確保該溫度處于煙氣酸露點(diǎn)之上，減輕積灰和冷端腐蝕。

5 結(jié)語

該電廠在完成SCR脫硝改造之后，空預(yù)器出現(xiàn)了嚴(yán)重的失效情況。通過對三段失效蓄熱板進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

(1) 空預(yù)器熱端蓄熱板磨損和腐蝕嚴(yán)重，中溫段蓄熱板存在NH4HSO4積灰和腐蝕，冷端蓄熱板因鍍搪瓷而腐蝕較輕，但存在大量的積灰。

(2)空預(yù)器熱端蓄熱板材料屬性良好，而中溫段和冷端蓄熱板材料偏脆，加劇了空預(yù)器的失效。