鍋爐空氣預(yù)熱器腐蝕機(jī)理研究和升級(jí)改造

劉紅衛(wèi)，徐文健

(1.中鹽安徽紅四方股份有限公司，安徽 合肥 231607；2.青州鑫暉熱能科技有限公司， 山東 青州 262500)

中鹽安徽紅四方股份有限公司(以下簡稱“公司”)熱電裝置共五臺(tái)高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，其中1#、2#和3#鍋爐蒸發(fā)量為220 t/h， 2013年建成，新建時(shí)采用SNCR脫硝工藝，2017年進(jìn)行超低排放改造，改成SNCR+一級(jí)SCR 聯(lián)合脫硝工藝；4#和5#鍋爐蒸發(fā)量為320 t/h ，2018年建成，新建時(shí)均采用SNCR+一級(jí)SCR 聯(lián)合脫硝工藝。2019年初，公司4#鍋爐在停車檢修沖洗尾部煙道受熱面末級(jí)空氣預(yù)熱器時(shí)發(fā)現(xiàn)腐蝕和堵塞嚴(yán)重，停車前，末級(jí)空氣預(yù)熱器總共9 000根的管子，約4 000根已經(jīng)腐蝕報(bào)廢，不能使用，其余管子也嚴(yán)重減薄。空預(yù)器換熱管規(guī)格為?40 mm×1.5 mm，材質(zhì)為鍋爐末級(jí)空氣預(yù)熱器通用材質(zhì)考登鋼；1#～3#鍋爐末級(jí)空氣預(yù)熱器材質(zhì)也為考登鋼，1#～3#鍋爐空氣預(yù)熱器管子規(guī)格為?50 mm×1.5 mm。4#鍋爐自2018-06投用，一年半的運(yùn)行時(shí)間，末級(jí)空氣預(yù)熱器就已經(jīng)因?yàn)楦g嚴(yán)重達(dá)到更換的地步，5#鍋爐投運(yùn)一年時(shí)間，末級(jí)空氣預(yù)熱器雖然沒有4#爐腐蝕堵塞嚴(yán)重，但也發(fā)現(xiàn)少量管道已經(jīng)腐蝕報(bào)廢。但1#～3#鍋爐已運(yùn)行六年多的時(shí)間，空氣預(yù)熱器也未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕和堵塞現(xiàn)象。新老鍋爐脫硝工藝和空氣預(yù)熱器材質(zhì)和壁厚沒有區(qū)別，老鍋爐采用立式布置，煙氣走管程；新鍋爐采用臥式布置，煙氣走殼程。

1 腐蝕原因分析

(1)使用脫硝SCR催化劑；(2)過量的氨逃逸；(3)排煙溫度低于煙氣露點(diǎn)；(4)氨水濃度低，煙氣含水量高，濕度大等原因。上述原因產(chǎn)生硫酸氫銨并使硫酸氫銨凝結(jié)形成酸性液體，是造成空氣預(yù)熱器腐蝕的主要原因。

4#和5#鍋爐采用SNCR+一級(jí)SCR催化劑脫硝工藝，主要成分為五氧化二釩的催化劑，在加快脫硝反應(yīng)的同時(shí)，也加快了SO2氧化成SO3反應(yīng)速度。反應(yīng)方程式：NH3+NO2→N2+H2O；SO2+O2→SO3。

據(jù)記載，不采用催化劑的煙氣中SO3和SO2的體積百分比約為0.5/99.5；采用催化劑后，煙氣中SO3和SO2的體積百分比3/97。由于催化劑的存在，SO3濃度提高了6倍。表1為煙氣露點(diǎn)溫度與煙氣中H2SO4含量變化關(guān)聯(lián)表。

表1 煙氣中露點(diǎn)溫度與H2SO4的關(guān)系Tab.1 Relationship between dew point temperature and H2SO4 in flue gas

脫硝反應(yīng)未耗盡的氨和煙氣中三氧化硫、水蒸汽易發(fā)生如下反應(yīng)：NH3+SO3+H2O→NH4HSO4

(1)硫酸氫銨和亞硫酸氫銨腐蝕性比較。

(2)腐蝕過程為包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

Fe2O3+6H+→3H2O+2Fe2+；

Fe+2H+→H2+Fe2+；

Fe2O3+5Fe+8H2SO4→H2+7H2O+FeS+4FeSO4+Fe2(SO4)3

2 工藝預(yù)防措施

2.1 提高排煙溫度

SO3能提高酸露點(diǎn)溫度，在低于露點(diǎn)的金屬表面形成酸性液體。同樣的煙氣，如果SO3含量偏高，煙氣露點(diǎn)會(huì)明顯提高。4#鍋爐在二期裝置投產(chǎn)初期投用，鍋爐負(fù)荷長期保持較低負(fù)荷，排煙溫度維持在120 ℃左右。經(jīng)交流和資料驗(yàn)證，公司煙氣露點(diǎn)應(yīng)該在125 ℃左右，因此公司在鍋爐運(yùn)行時(shí)保持排煙溫度應(yīng)保持在130 ℃～140 ℃。主要措施：鍋爐盡量維持在較高負(fù)荷；提高省煤器進(jìn)水溫度。

2.2 降低煙氣濕度

硫酸氫銨在干燥的情況下，腐蝕性較低，只有在凝結(jié)并形成溶液狀態(tài)下，腐蝕性較強(qiáng)，所以盡量減少煙氣中的水含量。脫硝采用的還原劑為精細(xì)化工廢水，含氨濃度低，為了多消耗廢水，所以噴氨水量較大。主要措施：避免使用含水量較高的煤；提高氨水濃度；每次使用蒸汽吹灰器之前要預(yù)熱管道并把冷凝水排掉；吹灰器使用蒸汽保證一定的過熱度。

2.3 控制氨逃逸

在滿足達(dá)標(biāo)排放基礎(chǔ)上，盡量降低氨逃逸，嚴(yán)格控制氨逃逸在2.5 mg/kg以下。如果氨逃逸在2 mg/kg，運(yùn)行0.5 a，空氣預(yù)熱器阻力約增加30%；如果氨逃逸在3 mg/kg，運(yùn)行0.5 a，空氣預(yù)熱器阻力約增加60%。主要措施：減少氨水噴量；提高氨水濃度至少8%以上。

2.4 采用低硫煤

源頭上控制SO2的濃度，從而控制SO3的生成。

2.5 控制煙氣中的氧含量

加強(qiáng)維護(hù)，防止漏風(fēng)，降低過剩空氣系數(shù)。煙氣中氧含量越高，越有利于SO3的生成，氧含量越低，CO濃度越高，CO濃度越高，越可以抑制SO3的生成。因此低過?？諝饬磕芙档偷蜏厥軣崦娴姆e灰，同時(shí)還能減輕其腐蝕。主要措施：減少過?？諝庀禂?shù)；及時(shí)消除漏風(fēng)現(xiàn)象。

2.6 吹灰器

吹灰器運(yùn)行時(shí)，從下往上逐級(jí)吹掃，可以減少積灰現(xiàn)象。

2.7 清掃積灰

停車后立即徹底清理空氣預(yù)熱器，避免常溫下的酸性液體腐蝕和積灰板結(jié)。

腐蝕和積灰相互促進(jìn)，硫酸氫銨凝結(jié)后變成粘性酸性液滴，吸附積灰；積灰使傳熱變差，受熱面金屬壁溫變低，積灰又會(huì)吸附SO3，會(huì)造成惡性循環(huán)。

3 設(shè)備材質(zhì)選型改進(jìn)方案

(1)空氣預(yù)熱器換熱管材質(zhì)升級(jí)換代。在普通搪瓷材料二氧化硅的基礎(chǔ)上加入碳酸鹽增強(qiáng)抗腐蝕能力，耐酸性≤2.0 g/m2·d；加入某種氧化物增強(qiáng)附著力和硬度，耐沖擊性≥220(10-3J)；經(jīng)試驗(yàn)證明采用低碳鋼管襯搪瓷(搪瓷厚度0.5 mm)復(fù)合材料替代原考登鋼材質(zhì)，可以有效減緩腐蝕和積灰且傳熱性能良好。

(2)空氣預(yù)熱器管道從?40 mm×1.5 mm增大到?50 mm×1.5 mm，減少管道排列密度。

(3)減少末級(jí)空氣預(yù)熱器換熱面積：將排煙溫度從原額定蒸發(fā)量設(shè)計(jì)的136 ℃，提高到140 ℃。

(4)立式布置與臥式布置相比，不易積灰和腐蝕。

4 空氣預(yù)熱器改造方案

(1)設(shè)備采購費(fèi)。4#和5#鍋爐單臺(tái)鍋爐兩組末級(jí)空氣預(yù)熱器，單臺(tái)空氣預(yù)熱器重量約45 t，設(shè)備按照考登鋼材質(zhì)，0.9萬元/t計(jì)算，設(shè)備采購費(fèi)約40萬元；設(shè)備按照低碳鋼襯搪瓷材質(zhì)，1.2萬元/t計(jì)算，設(shè)備采購費(fèi)約54萬元/臺(tái)。兩臺(tái)鍋爐四組末級(jí)空氣預(yù)熱器改造設(shè)備采購費(fèi)共計(jì)108萬元。

(2)拆除安裝費(fèi)。單組空氣預(yù)熱器拆除安裝費(fèi)按照20萬/臺(tái)，四組拆除安裝費(fèi)總計(jì)40萬元。

(3)總投資約148萬元。

(4)工期。末級(jí)空氣預(yù)熱器設(shè)備制作周期20 d，拆除安裝工期10 d。

5 改造預(yù)期效果

(1)材質(zhì)使用改進(jìn)的低碳鋼襯搪瓷材料，末級(jí)空氣預(yù)熱器整體更換時(shí)間從目前的1 a多可延長到5 a以上，甚至更長；保證了鍋爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)空氣預(yù)熱器換熱管加大及換熱面積減少，減少管道排列密，積灰情況大為好轉(zhuǎn)，減少了煙氣阻力，降低了一、二次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)電耗。排煙溫度保證在130 ℃～140 ℃。

①4#號(hào)爐末級(jí)空氣預(yù)熱器更換前后對(duì)比如表2。

空氣預(yù)熱器改造前后，以4#鍋爐2020-03-10和2020-04-22數(shù)據(jù)為例，改造后節(jié)電42.9 A/h。

P=1.732×10×42.9×0.85×0.8=505.26 kW

電價(jià)按照0.6元/kW·h，年運(yùn)行按照7 200 h計(jì)算，年節(jié)約用電：

505.26×7 200×0.6/10 000=218萬元

4#鍋爐每年節(jié)約電約218萬元。

表2 4#鍋爐末級(jí)空氣預(yù)熱器更換前后對(duì)比Tab.2 Comparison of the last stage air preheater of No.4 boiler before and after replacement

②5#爐末級(jí)空氣預(yù)熱器更換前后對(duì)比如表3。

表3 5#鍋爐末級(jí)空氣預(yù)熱器更換前后對(duì)比Tab.3 Comparison of the last stage air preheater of No.5 boiler before and after replacement

5#鍋爐改造后節(jié)約電27.2 A/h。

P=1.732×10×27.2×0.85×0.8=320.35 kW

年節(jié)約用電：

320.35×7 200×0.6/10 000=138.39萬元。5#鍋爐每年節(jié)約電約138.39萬元

③鍋爐熱效率大幅提高，煤耗顯著降低：改造前鍋爐負(fù)荷最高只能達(dá)到70%左右，改造后可以達(dá)到初始設(shè)計(jì)時(shí)的滿負(fù)荷，排煙溫度最高139 ℃。

按照鍋爐正常245 t/h負(fù)荷，與漏風(fēng)后較低負(fù)荷220 t/h計(jì)算。

兩臺(tái)鍋爐節(jié)約燃煤140.98萬元。

④兩臺(tái)鍋爐更換搪瓷空氣預(yù)熱器后，每年可以節(jié)約電耗和燃煤：

218+138.39+140.98=497.37萬元

經(jīng)改造，投資回收期約3.6個(gè)月，投資效益顯著。