生物質(zhì)電站鍋爐省煤器爆管分析

馬旭旭

摘 要：近年來我國生物質(zhì)電站鍋爐數(shù)量急劇增加，而受熱面爆管是生物質(zhì)鍋爐最常見的事故?，F(xiàn)針對某電廠生物質(zhì)鍋爐省煤器爆管事故進(jìn)行分析，結(jié)合生物質(zhì)電廠實(shí)際運(yùn)行情況得出此次爆管的主要原因?yàn)樯镔|(zhì)燃料不達(dá)標(biāo)，燃料中灰分過大，造成煙氣吹損;給水質(zhì)量不合格，造成內(nèi)部氧腐蝕;外表面存在氯化銨腐蝕。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)鍋爐;省煤器;爆管

中圖分類號(hào)：TK223.3+3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）13-0060-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.017

0??? 引言

我國是煤炭消耗大國，而每年火力發(fā)電用煤占全國用煤總量的1/3。燃煤鍋爐對環(huán)境造成的污染非常嚴(yán)重，隨著環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，燃煤鍋爐在環(huán)保方面的投入也越來越大。在我國碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)指導(dǎo)下，電力結(jié)構(gòu)亟需調(diào)整，燃煤鍋爐裝機(jī)容量需要降低，清潔能源裝機(jī)容量有待提高。

我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)林生物質(zhì)資源豐富，且農(nóng)林生物質(zhì)具有對環(huán)境友好、可再生等優(yōu)點(diǎn)，非常適合替代部分煤電以減輕環(huán)保壓力。生物質(zhì)燃料鍋爐的開發(fā)，對節(jié)約化石能源、優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染有著積極意義。

近年來，安徽省生物質(zhì)發(fā)電鍋爐數(shù)量迅速增加，平均每個(gè)縣級區(qū)域至少一臺(tái)。但生物質(zhì)鍋爐受熱面爆管事故頻發(fā)，尤其是省煤器管爆管，會(huì)增加鍋爐非停次數(shù)，直接影響電廠經(jīng)濟(jì)效益。因此，降低鍋爐受熱面爆管風(fēng)險(xiǎn)就顯得尤為重要。

1??? 基本情況

安徽某生物質(zhì)電廠2016年開始建廠，2017年年底鍋爐投入運(yùn)行。鍋爐從運(yùn)行至2021年年底，每年都會(huì)因?yàn)槭∶浩鞅芏o急停爐檢修，給使用單位帶來重大損失。

該鍋爐設(shè)計(jì)為高溫、高壓參數(shù)自然循環(huán)爐，采用單鍋筒、單爐膛、平衡通風(fēng)、室外布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、底部支撐結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)燃料為黃色秸稈和灰色秸稈摻燒，設(shè)計(jì)燃料成分如表1所示。

該鍋爐幾次爆管位置均不在最上面一層，而在從上往下數(shù)第3、4層的位置，如圖1所示。

2??? 省煤器爆管處理分析

2.1??? 光譜分析

對爆管位置用手持式X射線熒光光譜儀進(jìn)行光譜分析，其材料化學(xué)元素成分如表2所示。

由表2可知，該爆管處化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017中對20G的要求。

2.2??? 金相檢測

在爆管位置取樣進(jìn)行金相檢測，經(jīng)過打磨、研磨、腐蝕后，用光學(xué)顯微鏡觀察鋼材組織，其組織為珠光體+鐵素體，組織沒有發(fā)生劣化。金相組織如圖2所示。

2.3??? 壁厚測量

對爆管處及周圍管壁進(jìn)行壁厚測量。爆管位置最薄處1.7 mm，周圍管壁厚度在3.5～4.0 mm，壁厚正常。

3??? 爆管原因分析

根據(jù)對省煤器爆管處的理化檢測分析，該省煤器管無材質(zhì)錯(cuò)用，材料無劣化，壁厚為局部減薄。

3.1??? 煙氣腐蝕

生物質(zhì)燃料成分復(fù)雜，含有多種鹽類（如氯化物鹽），燃燒產(chǎn)生的煙氣腐蝕性很強(qiáng)。該鍋爐采用SNCR方式脫硝，即在爐膛里噴灑氨水。煙氣中的氯化鹽和氨水反應(yīng)會(huì)生成氯化銨。

NH3·H2O+Cl-→NH4Cl+H2O

氯化銨隨煙氣附著在受熱面管上，在一定溫度下結(jié)晶成垢。氯化銨鹽在有少量水的情況下就可以造成嚴(yán)重的腐蝕，而氯化銨鹽又有很強(qiáng)的吸濕性。氯化銨鹽對碳鋼的最大腐蝕速率可達(dá)2.5 mm/a[1]，同時(shí)在無水情況下也會(huì)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，而且多為垢下點(diǎn)蝕，常規(guī)目視極難發(fā)現(xiàn)。所以即使省煤器部位煙氣溫度高于露點(diǎn)溫度，如果有氯化銨鹽附著在省煤器管子上形成垢層，也會(huì)發(fā)生腐蝕。該鍋爐省煤器管采用20G材質(zhì)，對氯化銨腐蝕的耐受度極低，從省煤器爆管破口形貌看，也符合氯化銨點(diǎn)蝕的腐蝕特征。

在鍋爐運(yùn)行過程中，由于燃料成分不均勻，煙氣量及煙氣成分會(huì)出現(xiàn)變化，而噴淋氨水量不能隨之變化，在氨水量相對煙氣量較多時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較多的氯化銨，造成腐蝕。

生物質(zhì)燃料中雖然S含量比煤中少，但是鍋爐煙氣脫硫裝置在布袋除塵器之前，且由表1可知，該生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)燃料成分中全水占23.93%，占比非常高。而在實(shí)際生產(chǎn)中，使用單位收到的物料會(huì)帶有更多的水分，且會(huì)夾雜一些其他設(shè)計(jì)燃料之外的物料，生產(chǎn)現(xiàn)場燃料中S含量和水分只會(huì)比設(shè)計(jì)燃料更高。有研究表明，隨著煙氣中SO2、SO3等硫化物氣體分量的增加，煙氣的露點(diǎn)溫度也會(huì)升高。所以，在尾部低溫區(qū)域極有可能發(fā)生硫酸性腐蝕。

3.2??? 煙氣吹損

該鍋爐省煤器設(shè)計(jì)由？準(zhǔn)38×4、20G管子彎制而成的光管蛇形管屏組成，管屏通過支撐板坐在模塊底部的梁上，周圍設(shè)有內(nèi)護(hù)板，起到密封和防低溫腐蝕的作用。給水沿蛇形管自下而上與煙氣成逆向流動(dòng)，可將管內(nèi)可能產(chǎn)生的氣體及時(shí)帶出。管子沿?zé)煔夥较蝽樍胁贾?。吹灰系統(tǒng)采用蒸汽吹灰。

由表1可以看出，設(shè)計(jì)生物質(zhì)燃料的成分中，固定碳占13.3%，揮發(fā)分占59.6%，灰分只占3.17%。

就當(dāng)前生物質(zhì)燃料市場而言，50 km是生物質(zhì)燃料收購面積的最佳半徑。一旦超過50 km，燃料價(jià)格中運(yùn)輸費(fèi)用所占比例就會(huì)明顯增加（大概1 t燃料多運(yùn)送1 km會(huì)增加1元費(fèi)用）。如果燃料收購半徑超過100 km，則運(yùn)輸成本對生物質(zhì)電廠來說是難以接受的。

然而在安徽北方地區(qū)，情況恰恰相反，生物質(zhì)電廠密集，燃料供不應(yīng)求，距離近的兩家電廠常常會(huì)出現(xiàn)搶購燃料的現(xiàn)象。在這種供求關(guān)系下，送料方在利益的驅(qū)使下，燃料質(zhì)量往往與設(shè)計(jì)燃料相去甚遠(yuǎn)，而電廠則為了有燃料可用，只能有什么樣的就收什么樣的。

實(shí)際生產(chǎn)中使用單位收到的物料中摻灰、摻土甚至摻石頭的情況很常見，這就導(dǎo)致在實(shí)際鍋爐運(yùn)行過程中，燃料中的灰分極大。燃料中灰分占比大，對鍋爐帶來的最直接的影響就是會(huì)加大受熱面管的磨損。

該鍋爐采用光管省煤器，且是順列布置。鍋爐中省煤器一般有光管和H型肋片兩種型式，光管省煤器對比H型肋片省煤器來說，熱效率低約15%，排煙溫度高約50 ℃。所以，在相同熱效率下，光管省煤器布置會(huì)比H型肋片省煤器密集，且需要增加省煤器體積，這就會(huì)使煙風(fēng)阻力增加，從而使省煤器管磨損增大[2]。光管省煤器的優(yōu)點(diǎn)在于更換方便，H型肋片省煤器更換困難，一旦出現(xiàn)爆管，維修工作量會(huì)大大增加。

省煤器管采用順列布置，容易形成煙氣走廊。煙氣走廊中煙氣流速比正常的煙氣流速要快很多，且飛灰濃度也要更高。煙氣對受熱面管的磨損程度與煙氣流速的三次方成正比，所以一旦形成煙氣走廊，則該部位受熱面管的磨損速度會(huì)大大加快。鍋爐尾部區(qū)域的煙氣溫度比較低，飛灰硬度比高溫區(qū)域要高，所以尾部受熱面，尤其是省煤器區(qū)域，最容易出現(xiàn)受熱面管磨損減薄。一般省煤器上數(shù)第1層和第2層管子都會(huì)有防磨瓦保護(hù)，基本不會(huì)發(fā)生磨損，最容易發(fā)生磨損的位置反而是靠下側(cè)的管子。

該鍋爐省煤器采用蒸汽吹灰，在所有吹灰方式中，蒸汽吹灰效果最好，但是對受熱面的損害也最大，且在尾部用蒸汽吹灰會(huì)增大腐蝕的概率。

3.3??? 給水氧腐蝕

給水腐蝕中最常見的是氧腐蝕（溶解氧腐蝕），當(dāng)鍋爐給水除氧不徹底時(shí)，就會(huì)發(fā)生氧腐蝕。氧腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕，其腐蝕機(jī)理如下：

陽極：

2Fe-4e-→2Fe2+

陰極：

O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應(yīng)方程式：

2Fe+O2+2H2O→2Fe（OH）2

Fe（OH）2會(huì)進(jìn)一步被氧化，反應(yīng)方程式如下：

4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3

在省煤器集箱內(nèi)部經(jīng)?？吹降暮诩t褐色物質(zhì)即Fe（OH）3及其脫水產(chǎn)物Fe2O3。

氧腐蝕的典型特征是金屬表面呈潰瘍狀鼓包，鼓包下是黑褐色的粉末。一旦形成氧腐蝕鼓包后，會(huì)造成金屬表面氧濃度不均勻，又會(huì)造成電位差，形成電化學(xué)腐蝕的惡性循環(huán)，使腐蝕速率越來越快。

在內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)內(nèi)窺鏡檢查省煤器下集箱，發(fā)現(xiàn)省煤器下集箱存在潰瘍狀鼓包，且底部存在銹渣堆積，為氧腐蝕的特征，說明給水質(zhì)量不合格。通過查閱該電廠水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)表，發(fā)現(xiàn)報(bào)表中無氧含量化驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4??? 結(jié)論

根據(jù)上述分析以及實(shí)際爆管現(xiàn)象，該鍋爐省煤器爆管是腐蝕與磨損綜合作用的結(jié)果。在投入燃料量波動(dòng)時(shí)，爐膛內(nèi)噴淋氨水量沒有及時(shí)調(diào)整，導(dǎo)致煙氣中存在氯化銨;煙氣中飛灰濃度較大，且蒸汽吹灰對管子形成了吹損;給水質(zhì)量不合格，導(dǎo)致管子內(nèi)部存在氧腐蝕。多方面因素綜合作用最終導(dǎo)致了省煤器管穿孔泄漏。

5??? 建議

（1）控制燃料質(zhì)量，盡可能將物料中雜質(zhì)去除，尤其是燃料摻雜的石頭等。

（2）在保證燃料質(zhì)量的情況下，可用H型肋片省煤器，雖然H型肋片省煤器更換困難，但可以減少磨損，減少非停次數(shù)，在計(jì)劃檢修期間可由專業(yè)人員進(jìn)行更換或維修。

（3）保持各系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，減少波動(dòng)。

（4）加強(qiáng)給水除氧工作，嚴(yán)格按照《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》（GB/T 12145—2016）的要求進(jìn)行給水水質(zhì)化驗(yàn)。給水水質(zhì)不合格時(shí)，應(yīng)及時(shí)作出反應(yīng)，減少對鍋爐的腐蝕。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別：GB/T 30579—2014[S].

[2] 錢林峰，竇文宇，廖曉煒，等.H型省煤器與光管省煤器熱效率對比分析[J].中國特種設(shè)備安全，2011，27（11）：52-53.