生物質(zhì)鍋爐空預(yù)器低溫腐蝕研究及優(yōu)化改造

董啟盛 李定青 陳洪世

廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電有限公司 廣東 湛江 524033

引言

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和是國(guó)家重大戰(zhàn)略決策，對(duì)推進(jìn)我國(guó)的生態(tài)文明建設(shè)、引領(lǐng)全球氣候治理、實(shí)現(xiàn)國(guó)家“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)具有重大意義。生物質(zhì)能源作為可再生能源的重要組成部分，合理高效開發(fā)生物質(zhì)能源是解決能源和環(huán)境的重要途徑之一，然而在生物質(zhì)直燃發(fā)電中，鍋爐運(yùn)行過程中仍存在不少問題，制約鍋爐的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。其中，生物質(zhì)燃料的富含堿金屬、氯元素等無機(jī)組分造成的受熱面積灰和腐蝕問題尤為突出[1-3]。本文以220t/h生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐空預(yù)器低溫腐蝕為例，對(duì)空預(yù)器出現(xiàn)的腐蝕問題進(jìn)行分析，并探討原因和改造措施。

1 設(shè)備概況

圖1 空預(yù)器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

該電廠配備220t/h生物質(zhì)循環(huán)流化床（CFB）鍋爐，型號(hào)為HX220/9.8-Ⅳ1，主要參數(shù)如表1所示，為高溫高壓參數(shù)、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)、露天布置、鋼架雙排柱懸吊結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣循環(huán)流化床鍋爐?？疹A(yù)器分為一次風(fēng)空預(yù)器和二次風(fēng)空預(yù)器，布置在尾部煙道后豎井下部，如圖1所示，煙氣向下流動(dòng)，沖刷空氣預(yù)熱器受熱管，將熱量傳遞給一、二次風(fēng)。煙道計(jì)算截面為9000×3500,分二組管箱，為順列沿?zé)煹栏叨确较蛞来尾贾?，二次風(fēng)空預(yù)器上管箱材質(zhì)Q215-A，下管箱采用考登鋼（又名耐候鋼）,二次風(fēng)空預(yù)器管徑為：每個(gè)回程大管箱上部?jī)膳藕妥笥覂蓚?cè)兩排管子使用規(guī)格為42.3×3.25，其余管子均使用規(guī)格為φ40×1.5, 橫向節(jié)距S1=65，縱向節(jié)距S2=60，橫向排數(shù)138，縱向排數(shù)40排，煙風(fēng)二次交叉。該空預(yù)器為本文主要研究對(duì)象。

2 空預(yù)器腐蝕情況

該廠鍋爐停運(yùn)后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)空預(yù)器腐蝕部位主要發(fā)生在空預(yù)器二次風(fēng)冷端（進(jìn)風(fēng)）約200mm左右的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，在進(jìn)風(fēng)處約200mm的管子大部分已腐蝕失效，整個(gè)二次風(fēng)進(jìn)口部位，除了少數(shù)頂部?jī)蓪拥墓茏又猓?760根管子的大部分都發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象，有超過400根管子已經(jīng)斷裂，剩余的管子大部分已經(jīng)腐蝕到接近穿孔的程度，腐蝕形態(tài)類似海水腐蝕，如圖2所示。

圖2 空預(yù)器積灰和腐蝕現(xiàn)場(chǎng)圖片

另外，二次風(fēng)空預(yù)器正下方存在煙道向內(nèi)凸起臺(tái)階，臺(tái)階與水平成20°角，如圖3所示。臺(tái)階高度約250mm左右，導(dǎo)致從臺(tái)階往上形成了底邊約為200mm，斜向上的梯形積灰區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)所有空預(yù)器管子全部被埋在灰里面，靠近二次風(fēng)進(jìn)口端積灰非常潮濕，靠近出口端的積灰相對(duì)干燥。

圖3 空預(yù)器積灰和腐蝕區(qū)域圖

二次風(fēng)空預(yù)器下部一次風(fēng)空預(yù)器也有一層為考登鋼，且該區(qū)域在二次空預(yù)器下游（煙氣流向），但是該區(qū)域管子沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕問題（也沒有臺(tái)階形成積灰）。而更下游的兩層一次風(fēng)空預(yù)器，管材為搪瓷管，有一層也存在積灰，但是未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。在二次風(fēng)出口端也存在臺(tái)階，有積灰，干燥，未發(fā)現(xiàn)腐蝕。

3 結(jié)果分析與討論

為研究空預(yù)器腐蝕原因，采集二次風(fēng)空預(yù)器管材及入口積灰樣品進(jìn)行分析探討，利用能量彌散X射線熒光法（energydispersive X-ray fluorescence，EDXRF），對(duì)二次風(fēng)空預(yù)器管材和入口積灰進(jìn)行元素分析，結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4可知，積灰中含有較高含量的氯離子，通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)造成管壁發(fā)生晶間腐蝕，因此該氯離子是造成腐蝕的主要原因，由圖5可知，氯離子是主要的腐蝕產(chǎn)物之一，切好驗(yàn)證圖4推測(cè)存在氯離子腐蝕的過程。此外，Ca2+和K+是除Fe以外的兩種主要的陽(yáng)離子，堿金屬沉積也是造成空預(yù)器低溫腐蝕的重要原因。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，腐蝕主要發(fā)生在積灰多且潮濕的區(qū)域，距離外護(hù)板約200mm的范圍內(nèi)是空預(yù)器臺(tái)階積灰嚴(yán)重區(qū)域，引起二次風(fēng)空預(yù)器管離入口端面約30mm左右發(fā)生腐蝕斷口，管子呈現(xiàn)沿著外徑均勻腐蝕。鍋爐運(yùn)行期間，該位置的二次風(fēng)溫度約為35℃，煙氣溫度210℃，二者都是流動(dòng)的氣體介質(zhì)。由于該管子的壁厚為1.5mm，很難從采用超聲波測(cè)厚的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，因此宏觀檢驗(yàn)監(jiān)控方法無法實(shí)現(xiàn)。此外，由于積灰熱阻非常高，當(dāng)積灰導(dǎo)致整個(gè)空預(yù)器管子完全埋在灰里面時(shí)，積灰區(qū)域管子表面溫度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煙氣溫度，甚至接近空預(yù)器管內(nèi)風(fēng)溫。因此，在積灰區(qū)域，管子內(nèi)外壁溫度與進(jìn)口端二次風(fēng)溫度接近，表面積灰溫度也將大大低于煙氣溫度，空預(yù)器二次風(fēng)進(jìn)口端風(fēng)溫低（冷風(fēng)溫度），積灰的溫度也低，生物質(zhì)燃燒后煙氣（含HCl）與積灰接觸后結(jié)露，并逐步滲透到管子表面，導(dǎo)致該區(qū)域管子長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境下，即使鍋爐停運(yùn)，腐蝕仍在進(jìn)行，導(dǎo)致該區(qū)域管子短期腐蝕失效。

同樣積灰的二次風(fēng)出口端，由于管內(nèi)二次風(fēng)溫度經(jīng)過加熱已經(jīng)升高至酸露點(diǎn)以上，從而積灰溫度也在酸露點(diǎn)溫度以上，即使表面有積灰，由于積灰溫度高，不會(huì)引起煙氣（含HCl）結(jié)露，也難于發(fā)生腐蝕。至于一次風(fēng)空預(yù)器，同樣材料的地方由于沒有積灰也就不存在腐蝕，而用搪瓷管的一次風(fēng)空預(yù)器，雖然存在與二次風(fēng)空預(yù)器入口腐蝕區(qū)域同樣的積灰臺(tái)階，但由于搪瓷管耐腐蝕性好，也未發(fā)生腐蝕。

通過以上分析，可以認(rèn)為空預(yù)器腐蝕主要原因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致積灰引起，當(dāng)積灰發(fā)生在二次風(fēng)冷風(fēng)入口端時(shí)，管壁溫度低，積灰溫度低，煙氣結(jié)露后，逐步滲透到管壁，由于灰中氯離子含量較高，對(duì)金屬管道造成（晶間）腐蝕，隨后發(fā)生電化學(xué)腐蝕，造成金屬管道整體腐蝕穿孔。而搪瓷管耐腐蝕性較強(qiáng)，可以防止煙氣和積灰腐蝕。

圖4 二次風(fēng)空預(yù)器入口積灰EDXRF結(jié)果

圖5 二次風(fēng)空預(yù)器管材腐蝕產(chǎn)物EDXRF結(jié)果

4 改造及評(píng)價(jià)

根據(jù)結(jié)果分析和討論，采取升級(jí)空預(yù)器管材和消除積灰死角的改造優(yōu)化方案，具體如下：①將二次風(fēng)空預(yù)器入口管材更換為搪瓷管。②增加空預(yù)器區(qū)域吹灰裝置，清除積灰。③通過空預(yù)器邊板改造，消除積灰臺(tái)階，徹底消除積灰死角。

通過以上優(yōu)化改造，空預(yù)器積灰和腐蝕問題基本得到解決，鍋爐連續(xù)運(yùn)行周期變長(zhǎng)。

表2 空預(yù)器漏風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)一二次風(fēng)空預(yù)器進(jìn)行漏風(fēng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，空預(yù)器漏風(fēng)率由試驗(yàn)前的28.46%降至7.97%，下降20.49個(gè)百分點(diǎn)?？疹A(yù)器漏風(fēng)率降低后，煙氣側(cè)額冷風(fēng)走廊減少，積灰臺(tái)階消除，有效避免了煙氣灰顆粒沉積，鍋爐效率明顯提高。