燃煤鍋爐低溫省煤器腐蝕失效分析與防控措施*

蔣良雄

(中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司熱電廠，江蘇 南京 210018)

國(guó)內(nèi)煤炭資源豐富，各地的煤質(zhì)相差很大。為節(jié)省成本，火力發(fā)電廠會(huì)選用劣質(zhì)煤，或配煤混合燃燒。燃煤鍋爐的運(yùn)行工況不同程度地偏離原設(shè)計(jì)條件，頻繁地發(fā)生腐蝕失效、非計(jì)劃停工等共性問(wèn)題。燃煤鍋爐的煙氣含有腐蝕性介質(zhì)和固體顆粒，在省煤器、預(yù)熱器的冷卻過(guò)程中存在相變、因硫酸氫銨液化導(dǎo)致飛灰黏結(jié)積灰堵塞、引發(fā)流動(dòng)磨損，造成局部的、突發(fā)的和高風(fēng)險(xiǎn)的腐蝕失效[1-7]。故障形式主要為換熱管磨損穿孔泄漏和煙氣的積灰局部嚴(yán)重堵塞。

針對(duì)燃煤鍋爐省煤器的失效問(wèn)題，開(kāi)展系統(tǒng)的過(guò)程分析，在流動(dòng)腐蝕預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上提出科學(xué)合理的防控措施。

1 基本情況

按照環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，某熱電廠燃煤鍋爐進(jìn)行了兩次脫硝改造。第一次按照《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保鍋爐出口NOx排放質(zhì)量濃度小于100 mg/m3。第二次超潔凈排放改造是按照《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》要求進(jìn)行的，確保鍋爐出口NOx排放質(zhì)量濃度小于50 mg/m3。

第二輪超潔凈排放改造工程，對(duì)尾部煙道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，去除原煙道內(nèi)布置選擇性催化還原(SCR)催化劑層煙道，并在此位置增設(shè)煙氣引出煙道、脫硝反應(yīng)器和煙氣引入煙道等設(shè)施。鍋爐采用低氮氧化物燃燒器(LNB)+燃燼風(fēng)(OFA)+選擇性非催化還原(SNCR)+選擇性催化還原法(SCR)聯(lián)合脫硝技術(shù)方案。

經(jīng)過(guò)脫硝改造，煙氣達(dá)到了排放指標(biāo)，但頻繁出現(xiàn)低溫省煤器和低溫預(yù)熱器飛灰沉積堵塞、爐管穿孔等失效事故，增加了運(yùn)行能耗，縮短了設(shè)備的運(yùn)行周期。通過(guò)失效分析，明確流動(dòng)沉積與磨損的失效機(jī)理，提出針對(duì)性的防控策略。

2 腐蝕失效分析

2.1 失效形貌分析

燃煤鍋爐低溫省煤器管束中的飛灰沉積位置見(jiàn)圖1。在低溫省煤器中的支撐板附近、換熱管束和H型翅片出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢、積灰，省煤器管束的飛灰沉積狀況見(jiàn)圖2(a)和圖2(b)。圖1中標(biāo)出了管束穿孔位置，管束穿孔情況見(jiàn)圖2(c)。

圖1 低溫省煤器管束的飛灰沉積位置

圖2 低溫省煤器管束的飛灰沉積

從圖2(a)中可以看出，在管束上方支撐板單側(cè)飛灰沉積堵塞5個(gè)H型翅片通道；從圖2(b)中可以看出，在管束下方支撐板單側(cè)飛灰沉積堵塞14個(gè)H型翅片通道。鑒于支撐板兩側(cè)飛灰沉積堵塞呈現(xiàn)梯形，隨著高度的增加積灰寬度變窄，從而可以初步判定積灰從管束下方逐漸累積向上，積灰部位起始于支撐板下方的支撐梁上表面。積灰硬度較大，不是干粉顆粒的表面堆積，明顯是黏附團(tuán)聚堆積，說(shuō)明可能與硫酸氫銨團(tuán)聚有關(guān)。

2.2 飛灰沉積樣品分析

對(duì)低溫省煤器沉積飛灰進(jìn)行采樣，通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)獲取沉積樣品的形貌，通過(guò)粒徑測(cè)試得到飛灰尺寸分布，通過(guò)能譜儀(EDS)分析，獲取樣品表面的元素組成。

飛灰樣品用一層薄金濺射涂層制備樣品，SEM放大范圍為萬(wàn)倍，分辨率可達(dá)到納米級(jí)，SEM觀察結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 飛灰沉積物的電鏡掃描圖

由圖3可以看出，飛灰沉積顆粒個(gè)體以球形或近似球形出現(xiàn)，同時(shí)顯示出顆粒團(tuán)簇的現(xiàn)象。小顆粒間存在團(tuán)聚現(xiàn)象，原始形狀清晰可見(jiàn)；大顆粒表面的較大亞微米顆粒也發(fā)生了形態(tài)變化，大多呈扁平狀貼附在大顆粒表面，相對(duì)較大粒徑的顆粒之間發(fā)生了相互黏結(jié)的現(xiàn)象。顆粒與顆粒之間連接緊密，較多的顆粒不再呈單體形態(tài)，飛灰沉積物有了很大的形貌變化。同時(shí)還可以看出，飛灰顆粒多是突起連接在一起，這是明顯的物理黏結(jié)現(xiàn)象。

利用粒度儀對(duì)飛灰沉積物進(jìn)行粒徑測(cè)試，飛灰顆粒的粒徑的分布范圍為0～630 μm，平均粒徑為84 μm。可以發(fā)現(xiàn)翅片間沉積物中的飛灰顆粒尺寸較大，而粒徑小于10 μm的僅有9.68%，說(shuō)明在支撐板附近的堵塞飛灰以粒徑較大的顆粒為主，小粒徑的飛灰不易在此發(fā)生沉積。

飛灰沉積物的EDS表面元素能譜圖見(jiàn)圖4，元素含量見(jiàn)表1。

圖4 飛灰沉積物EDS分析

表1 飛灰沉積物EDS表面元素組成

由EDS測(cè)試結(jié)果可知，飛灰沉積物顆?；径己蠧,O,Si,Na,Al,Fe,Ca,Mg等元素，其中Si,O,Al等元素含量相對(duì)較高，部分測(cè)試區(qū)域含有C元素，說(shuō)明飛灰中存在未燃盡碳。另外，在飛灰沉積物樣品檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.87%，尤其在小粒徑飛灰顆粒團(tuán)聚的區(qū)域。根據(jù)顏魯[9]對(duì)硫酸氫銨黏附研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)原煤灰進(jìn)行取樣檢測(cè)，在原始飛灰顆粒中基本不含S元素，S元素主要分布在煙氣中。這說(shuō)明S元素發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)移到了飛灰沉積物中，飛灰顆粒與硫酸氫銨間發(fā)生相互作用產(chǎn)生了黏附效果。

2.3 硫酸氫銨產(chǎn)生的機(jī)理

從飛灰沉積物的樣品中發(fā)現(xiàn)了S元素，預(yù)測(cè)硫酸氫銨對(duì)飛灰顆粒產(chǎn)生黏附和團(tuán)聚作用。下面從脫硝工藝來(lái)進(jìn)一步分析硫酸氫銨的產(chǎn)生機(jī)理。

熱電廠鍋爐燃煤產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過(guò)高溫省煤器、高溫預(yù)熱器、脫硝裝置、低溫省煤器和低溫預(yù)熱器，最終從煙囪排出。煙氣的流程是一個(gè)熱量回收的工藝，同時(shí)需要保證排放氣體的氮氧化物含量達(dá)標(biāo)。采用LNB+OFA+SNCR+SCR組合脫硝技術(shù)方案。

通過(guò)LNB技術(shù)在源頭上減少NOx的排放，首先將NOx排放濃度降至350～400 mg/m3以下；然后在鍋爐爐膛燃燒區(qū)域上部和爐膛出口850～1 100 ℃煙氣溫度區(qū)域向煙氣中噴射過(guò)量的氨氣,從而實(shí)現(xiàn)SNCR反應(yīng)，將NOx排放濃度降至240 mg/m3以下；過(guò)量的氨氣從高溫省煤器上部補(bǔ)氨，噴槍噴入的氨氣在下游SCR催化劑的作用下，進(jìn)一步實(shí)施脫硝反應(yīng)。經(jīng)過(guò)上述工藝技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)較高的脫硝效率。

由于在鍋爐煙氣中存在SO2等氣體，催化劑中的活性組分釩在催化降解NOx的過(guò)程中，也會(huì)對(duì)SO2的氧化起到一定的催化作用，SO2轉(zhuǎn)化為SO3。反應(yīng)生成的SO3進(jìn)一步同煙氣中逃逸的氨反應(yīng)，生成硫酸氫銨和硫酸銨[10-13]，其反應(yīng)如下：

(1)

(2)

硫酸銨是一種干燥粉末狀物質(zhì)，易通過(guò)吹灰去除，不會(huì)對(duì)煙氣飛灰造成過(guò)大影響。硫酸氫銨則是一種黏度極高的物質(zhì)，熔點(diǎn)為147 ℃，沸點(diǎn)為350 ℃，在此溫度區(qū)間內(nèi)，為硫酸氫銨的熔融狀態(tài)，處于液態(tài)的硫酸氫銨具有極強(qiáng)的黏性。當(dāng)煙氣經(jīng)過(guò)低溫省煤器時(shí)，溫度降至185 ℃以下，煙氣中的氣態(tài)硫酸氫銨會(huì)冷凝黏附在飛灰顆粒表面，增加了飛灰顆粒之間的黏性，加劇了飛灰顆粒的團(tuán)聚和沉積；硫酸氫銨黏附在低溫省煤器爐管、翅片、支撐板和支撐梁等接觸表面，在低速區(qū)就會(huì)加劇飛灰顆粒的沉積，造成低溫省煤器管間堵塞，同時(shí)對(duì)接觸設(shè)備表面具有腐蝕性。

結(jié)合飛灰顆粒的分析結(jié)果以及脫硝工藝方案，確定了該鍋爐煙氣中存在硫酸氫銨，硫酸氫銨在低溫省煤器區(qū)域冷凝黏附到飛灰顆粒表面，導(dǎo)致飛灰顆粒的沉積堵塞。因此可以得出工藝上的過(guò)量噴氨是產(chǎn)生硫酸氫銨的源頭，是造成飛灰沉積堵塞的主因。

2.4 煙氣流場(chǎng)分析

燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣流場(chǎng)主要受溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。

(1)溫度場(chǎng)。燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過(guò)高溫省煤器、高溫預(yù)熱器降溫后，到達(dá)低溫省煤器入口，其溫度在270 ℃左右。煙氣夾帶著飛灰顆粒自上而下穿過(guò)爐管間隙，并與爐管內(nèi)介質(zhì)交換熱量，煙氣及飛灰顆粒的溫度逐漸降低，流出低溫省煤器的溫度在170 ℃左右。根據(jù)前面分析得知，當(dāng)煙氣溫度低于185 ℃時(shí)，煙氣中的氣態(tài)硫酸氫銨會(huì)冷凝黏附到飛灰顆粒、爐管及H型翅片表面，因此低溫省煤器下部區(qū)域?qū)⑹橇蛩釟滗@冷凝區(qū)域，也將是產(chǎn)生飛灰沉積堵塞及腐蝕的重點(diǎn)區(qū)域。如果沒(méi)有飛灰沉積堵塞，煙氣將與爐管及H型翅片全部充分接觸，換熱面積達(dá)到最大化，換熱效率最高。如果飛灰沉積堵塞占據(jù)了部分H型翅片通道(圖2)，這部分區(qū)域的換熱管和H型翅片就不能參與換熱，換熱面積減小，熱回收效率降低。因此，飛灰沉積堵塞不僅會(huì)增加能耗，也會(huì)降低熱回收效率。

(2)速度場(chǎng)。低溫省煤器的爐管上等間距布置的H型翅片，不僅增大換熱面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)煙氣和飛灰顆粒的均勻分布。在H型翅片均流作用下，煙氣及夾帶的飛灰顆粒均勻分配于縱向H型翅片通道中發(fā)生熱交換。實(shí)際上煙氣流經(jīng)爐管時(shí)，會(huì)發(fā)生繞流現(xiàn)象，爐管下方會(huì)產(chǎn)生低速區(qū)或者渦流，易造成飛灰沉積。從圖1可以看出，爐管管束放置在支撐梁上，煙氣離開(kāi)低溫省煤器管束時(shí)會(huì)在支撐梁附近產(chǎn)生繞流和局部渦流，會(huì)對(duì)飛灰的沉積產(chǎn)生影響。結(jié)合圖1和圖2可以分析，當(dāng)爐管表面發(fā)生飛灰沉積堵塞時(shí)，煙氣及飛灰顆粒的通道面積將被壓縮，煙氣及飛灰顆粒流速增加，加速磨損。

(3)飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 從圖2(a)和圖2(b)中可以看出，飛灰沉積是沿著低溫省煤器支撐梁上方的支撐板從下向上逐漸減少的，說(shuō)明飛灰沉積的初始位置在支撐板的底部，也就是支撐梁的上表面。支撐板兩側(cè)的煙氣和飛灰顆粒向下運(yùn)動(dòng)到底部支撐梁上表面處會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)流動(dòng)，在支撐梁上表面與垂直的支撐板之間形成一個(gè)低速渦流區(qū)，飛灰顆粒在此有著較低的運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)由于飛灰沉積物中90%顆粒以上都為10 μm以上的大顆粒，由于重力的作用，慣性沉積占據(jù)了主導(dǎo)地位[14]，易與支撐梁發(fā)生碰撞沉積。粒徑小于10 μm的飛灰顆粒隨動(dòng)性很強(qiáng)，受湍流擴(kuò)散影響較大，不易在此發(fā)生沉積，但是會(huì)在爐管下方沉積。

對(duì)于沒(méi)有硫酸氫銨的飛灰顆粒在支撐梁表面會(huì)產(chǎn)生松散積灰，當(dāng)填滿這個(gè)低速渦流區(qū)后就很難有飛灰顆粒沉積下來(lái)，也就不會(huì)繼續(xù)向上發(fā)生沉積增長(zhǎng)。這就解釋了該設(shè)備在脫硝工藝改造之前是飛灰沉積堵塞不明顯的原因。對(duì)于脫硝工況下產(chǎn)生硫酸氫銨的飛灰顆粒，在這個(gè)低速渦流區(qū)會(huì)產(chǎn)生黏結(jié)積灰，由于硫酸氫銨的黏附性很強(qiáng)，黏結(jié)積灰的區(qū)域會(huì)不斷上升。當(dāng)飛灰積累到H型翅片底部以后，由于H型翅片限制了煙氣及飛灰顆粒的橫向流動(dòng)，導(dǎo)致積灰區(qū)相鄰的H型翅片下行通道被堵，飛灰顆粒在慣性力的作用下逐漸沉積增長(zhǎng)，發(fā)生嚴(yán)重堵塞，同時(shí)造成煙氣和飛灰顆粒的縫隙流速增加。要想減少飛灰顆粒的沉積，可以從抑制支撐梁上飛灰的初始沉積角度出發(fā)制定合理方案。

2.5 省煤器流動(dòng)磨損分析

在低溫省煤器出現(xiàn)飛灰沉積以后，開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)低溫省煤器爐管穿孔現(xiàn)象。出現(xiàn)位置經(jīng)常是在爐管偏下方幾排爐管管束上，爐管穿孔的照片如圖2(c)所示。造成爐管減薄穿孔的原因很多，最主要的可以分為兩大類：腐蝕減薄和磨損減薄。從圖2(c)中可以看出，失效的爐管樣品銹跡斑斑，腐蝕特征比較明顯。從爐管上沉積的飛灰成分分析也可以得出爐管表面存在硫酸氫銨，硫酸氫銨對(duì)于爐管具有較強(qiáng)的腐蝕性，會(huì)造成爐管壁厚減薄。

從圖2(c)中還可以看出，翅片的上邊緣被磨成楔形坡口，表明此區(qū)域受到飛灰顆粒的切削作用較為明顯。已有的研究結(jié)果表明，鍋爐尾部換熱面的磨損與煙氣流速的n次方成正比(2.3

通過(guò)上述分析可以得出，脫硝工藝氨過(guò)剩產(chǎn)生的硫酸氫銨黏附在爐管和翅片外表面對(duì)其產(chǎn)生腐蝕，造成表面強(qiáng)度降低；硫酸氫銨凝結(jié)造成飛灰沉積堵塞,導(dǎo)致煙氣流道變窄，煙氣和飛灰顆粒速度增加，沖蝕磨損速率提高一倍。在腐蝕磨損和沖蝕磨損雙重作用下，爐管壁厚減薄加快，使用周期縮短。

3 防控對(duì)策

熱電廠燃煤鍋爐脫硝改造解決了污染物排放的問(wèn)題，但是由于脫硝工藝產(chǎn)生的硫酸氫銨在低溫省煤器處發(fā)生冷凝而黏附在飛灰顆粒上，加劇了飛灰顆粒的團(tuán)聚和沉積，導(dǎo)致了飛灰沉積堵塞、爐管腐蝕及磨損穿孔等問(wèn)題?；谑Х治?，為提高燃煤鍋爐省煤器耐流動(dòng)沉積、磨損的本質(zhì)安全與運(yùn)行安全，提出以下防控策略:

(1)從工藝上控制硫酸氫銨的含量。

(2)從結(jié)構(gòu)上抑制飛灰沉積。

(3)從技術(shù)上保護(hù)爐管。

通過(guò)以上方法可以有效地減少低溫省煤器飛灰沉積和爐管磨損，減少非計(jì)劃停工，從而保證設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行。