垃圾焚燒發(fā)電鍋爐爆管分析及對策

文_周建富 貝邦蘭 光大環(huán)保能源（蘇州）有限公司

近10年來，垃圾焚燒發(fā)電如雨后春筍般在國內(nèi)快速建設(shè)投產(chǎn)，但是對垃圾焚燒發(fā)電鍋爐運行與維護方面缺乏系統(tǒng)的經(jīng)驗借鑒，各公司都是在傳統(tǒng)燃煤發(fā)電鍋爐行業(yè)經(jīng)驗上的沿用。基于此，對實際運行中垃圾焚燒發(fā)電鍋爐爆管原因進行分析并制定對策，減少因爆管造成非計劃停爐、延長鍋爐運行周期顯得更有意義。

1 鍋爐爆管情況

1.1 鍋爐爆管頻次

垃圾焚燒發(fā)電的余熱鍋爐與燃煤電廠的鍋爐原理相同，但是由于運行工況的不同，煙氣成分不同，造成的爆管導致的非計劃停爐的頻次卻完全不具備可比性。以某垃圾焚燒發(fā)電項目為例，分別抽取不同年代投產(chǎn)的350t/d、500t/d的3臺爐子為研究對象，統(tǒng)計自2017～2020年間非計劃停爐的發(fā)生頻次，統(tǒng)計水冷壁、蒸發(fā)器、過熱器、省煤器爆管頻次，見表1所示。

表1 3臺不同規(guī)模鍋爐爆管發(fā)生的頻次統(tǒng)計

通過表1可以看出，垃圾焚燒發(fā)電鍋爐各個換熱面在連續(xù)四年內(nèi)都出現(xiàn)了爆管現(xiàn)象，甚至個別鍋爐泄漏頻次達到了6次之多，而傳統(tǒng)行業(yè)的燃煤電廠，每臺鍋爐出現(xiàn)爆管的頻率每年最多1～2次，因此需分析鍋爐爆管的原因，并采取相應(yīng)對策，減少爆管引發(fā)的非計劃停運。

1.2 鍋爐爆管影響

表1統(tǒng)計了4年內(nèi)隨機抽選的三臺爐的停爐次數(shù)，通過統(tǒng)計，每臺爐全年因設(shè)備故障非計劃停運約7～9次，但是受熱面爆管次數(shù)就達到了3～5次，占了總故障率的近50%。爆管一次，搶修最快需要48～72h，以500t/d鍋爐計算，1d的直接經(jīng)濟損失約20萬元。

2 鍋爐爆管原因分析

2.1 化學腐蝕

化學腐蝕指鍋爐管壁與內(nèi)外部介質(zhì)發(fā)生的物理-化學反應(yīng)造成管壁金屬成分發(fā)生變化從而表現(xiàn)出麻點、變色、減薄等現(xiàn)象。內(nèi)部腐蝕即水汽側(cè)腐蝕，主要從內(nèi)部溶解氧腐蝕、堿腐蝕和結(jié)垢電化學腐蝕進行反應(yīng)。通過調(diào)研該項目的水質(zhì)指標，水質(zhì)指標未曾出現(xiàn)一段時間的溶氧超標，符合國家規(guī)范和電廠行業(yè)要求。通過鍋爐內(nèi)檢，檢查鍋筒內(nèi)未發(fā)現(xiàn)鹽類結(jié)晶等現(xiàn)象，鍋筒內(nèi)壁金屬色分布均勻，表面光滑。通過爆管的管壁斷面檢查，內(nèi)壁光滑均勻，無結(jié)晶結(jié)垢，主要表現(xiàn)在外壁減薄、外壁呈現(xiàn)層狀脫落。由此可以判斷，鍋爐的腐蝕主要還是發(fā)生在外部腐蝕。

2.2 管材組分不當

鍋爐主流為中溫中壓參數(shù)，主蒸汽壓力3.8～4.2MPa，過熱器溫度在400～420℃之間，配套的汽包壓力在4.6MPa左右，對應(yīng)的飽和蒸汽溫度約260℃，對應(yīng)的該參數(shù)的水冷壁和省煤器選用的材質(zhì)為20G鋼，過熱器選用15CrMoG合金鋼。隨著垃圾焚燒鍋爐的容量增大，為了追求更高的經(jīng)濟性，目前出現(xiàn)了中溫高壓和中溫超高壓參數(shù)的鍋爐，主蒸汽壓力13MPa，過熱器溫度420～435℃之間，配套汽包壓力14.2MPa，對應(yīng)的飽和蒸汽溫度338℃。對應(yīng)該參數(shù)的水冷壁和省煤器選用的材質(zhì)為20G鋼，過熱器選用了12Cr1MoVG合金鋼。上述三種鋼材的成分通過查GB/5310-2017得知，C元素和Si元素含量基本相同，區(qū)別主要體現(xiàn)在Mn、Cr、Mo和V的含量上。

錳元素Mn，增加鋼的強度和硬度，具有良好的強度和硬度，主要性能體現(xiàn)在耐磨性。鉻元素Cr，主要性能體現(xiàn)在抗腐蝕性。鉬元素Mo，在高溫時能保持抗蠕變性能，主要體現(xiàn)在抗高溫性能上。礬元素V，是良好的脫氧劑，體現(xiàn)在抗高溫抗腐蝕性能?？梢钥闯?，鍋爐管排的壽命與材質(zhì)中所含的元素有重大關(guān)系。另外，在上述元素相同的條件下，雜質(zhì)元素越多，鋼材的性能也越弱，因此通過對金屬材質(zhì)進行監(jiān)督檢驗，選擇各牌號內(nèi)各成分含量相對較高的更能提高壽命。

2.3 運行工況不良

三種不同的牌號的鋼材物理性質(zhì)：①20G鋼用于工質(zhì)溫度在450℃以下的換熱面管子，如水冷壁或省煤器。②15CrMoG是GB5310-95鋼號，在500～550℃具有較高的耐熱性。當溫度超過550℃時，其耐熱性顯著降低，在450℃時抗松馳性能好。③12Cr1MoVG較15CrMoG加入了V元素，抗熱性能較之增強，主要用于金屬主要用于壁溫不超過580℃的鍋爐過熱器、再熱器等高溫高壓部位，經(jīng)過查詢HGJ15-89曾發(fā)布的鋼材允許使用溫度對照如表2所示。

表2 鋼材使用溫度范圍

以鍋爐參數(shù)為例，蒸汽側(cè)中溫中壓鍋爐水冷壁內(nèi)溫度260℃，過熱器溫度內(nèi)410℃，中溫超高壓鍋爐水冷壁溫度內(nèi)340℃，過熱器溫度內(nèi)430℃；煙氣側(cè)水冷壁一煙道1000℃，過熱器入口煙溫650℃，各牌號管壁厚度均為5mm，計算此溫度場下，鍋爐的三種牌號的管材發(fā)生組織破壞爆管時的管壁厚度。利用傳熱學知識，通過管壁的導熱接近線性，我們計算當管壁溫度達到所能承受的極限溫度時所在位置，利用公式（極限溫度-內(nèi)壁溫度）×總厚度/（外壁溫度-內(nèi)壁溫度）=極限厚度，計算極限點所在管壁厚度如表3所示。

表3 不同牌號鋼材所在溫度場極限溫度下的壁厚

通過表3可以看出，水冷壁管發(fā)生爆管時，爆管位置測量壁厚應(yīng)該接近1.5mm,中壓鍋爐過熱器爆管時，爆管位置壁厚接近3.1mm，超高壓鍋爐爆管時，過熱器壁厚接近3.4mm。經(jīng)過實際檢驗，每次爆管時，都會對附近的管壁進行壁厚測量，2021年4月8日，2#爐水冷壁爆管停爐，經(jīng)測量爆管位置壁厚1.21mm， 同時測量與之附近相鄰的管壁2.11mm、2.65mm、2.24mm，管壁切口端面如圖1左圖所示。2021年5月7日，4#爐過熱器15CrMoG爆管，測量爆管位置厚度2.92mm，同時測量與之相鄰的管壁厚度分別為3.0mm、3.4mm、3.5mm，管壁測量壁厚實測值如圖1右圖所示。

圖1 水冷壁減薄切面圖及過熱器測厚圖

通過理論計算，水冷壁與過熱器發(fā)生爆管時的臨界值與實際經(jīng)驗相匹配，從實踐上驗證了基本規(guī)律，基于此的分析結(jié)果可以為后續(xù)解決方案提供依據(jù)。

2.4 煙氣機械磨損

經(jīng)過統(tǒng)計，實際發(fā)生爆管的概率，爆管發(fā)生的主要部位也是有規(guī)律可循的。水冷壁發(fā)生概率的部位大多是一煙道頂棚轉(zhuǎn)角附近，一二煙道中間墻轉(zhuǎn)角附近，過熱器高溫段入口附近。經(jīng)過分析，判斷原因：①一煙道水冷壁頂棚處溫度最高，達到1000℃，且無澆注料防護，煙氣在此進行轉(zhuǎn)彎，煙氣中的大量粉塵對管壁進行摩擦沖刷，造成管壁機械磨損；②煙氣進入二煙道，在一二煙道中隔墻處轉(zhuǎn)彎向下流向，轉(zhuǎn)彎過程中會在此形成內(nèi)部斡旋，渦流攜帶著煙氣對二煙道中隔墻進行再次發(fā)生機械磨損；③煙氣進入三煙道后，與過熱器形成對流換熱，煙氣直接沖刷過熱器表面，且此處溫度最高，高溫失效機理夾雜著機械磨損，加速著過熱器管排的磨損。針對這三個部位要采取相應(yīng)的手段來減少磨損。

3 減少鍋爐爆管采取對策

3.1 針對化學腐蝕的對策

做好垃圾倉的滲濾液倒排工作，保證垃圾內(nèi)含PH值的水分含量盡量低位，減少燃燒時嚴重的酸性水分含量。同時垃圾倉的液位控制在低位，可以保證垃圾的發(fā)酵效果，使得垃圾焚燒反應(yīng)更充分，降低各種氣體含量。保證SNCR系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行，定期對系統(tǒng)進行檢查，保證噴槍的良好霧化提高反應(yīng)效率。加強日常吹灰，減少受熱面積灰，減少飛灰中的硫化物酸性腐蝕和氯化物高溫酸性腐蝕。針對不同垃圾，及時調(diào)整焚燒狀態(tài)，選擇適當?shù)目諝庀禂?shù)，控制含氧量，避免過度氧化反應(yīng)。與政府相關(guān)部門結(jié)合，高標準執(zhí)行源頭垃圾分類，做好含氟含氯等塑料、橡膠等物品的可回收率，減少爐膛內(nèi)酸性腐蝕。

3.2 針對元素組分不當?shù)膶Σ?/h3>

對于換熱面等管材，做好金屬監(jiān)督工作，及時掌握金屬的材質(zhì)變化趨勢， 便于合理提前安排大修、定修計劃，或者有針對性的提前進行局部更換工作。在大修更換管排時，明確提出材質(zhì)要求及成分要求，調(diào)研不同鋼材生產(chǎn)商的管材，進行材質(zhì)檢驗分析，對Mn、Cr、Mo三個元素含量相對較高的鋼材供應(yīng)商優(yōu)先首選，或者在采購要求中明確管材成分要求。調(diào)研不同品牌的生成工藝，優(yōu)先考慮國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品、如寶鋼、鞍鋼、凌鋼等央企國企品牌。

3.3 針對運行工況不良的對策

在保證燃燒的前提下，控制燃燒工況，在達到環(huán)保要求的爐膛850℃燃燒工況的前提下，盡量降低爐膛出口溫度，降低管壁內(nèi)外溫差。利用停爐檢修積灰，對爐膛內(nèi)的結(jié)焦進行清理，爭取提高焚燒爐出口、余熱鍋爐進口處的吸熱能力，使得溫度場前移，降低無澆注料防護部位的管壁溫度，使得管壁熱傳導的溫降梯度降低。對鍋爐進行必要的技術(shù)改造。生活垃圾的熱值隨城市化進程發(fā)展也在逐漸升高，已經(jīng)超過了設(shè)計值，因此造成各換熱面的入口溫度超過設(shè)計值。以過熱器12Cr1MoVG材質(zhì)為例，抗氧化的溫度上限是650℃，如果煙氣溫度超過此值，通過增加蒸發(fā)器的技改，提高前段吸熱量，保證過熱器入口溫度在設(shè)計值內(nèi)，延長使用壽命。該垃圾發(fā)電項目在后來的擴建項目中已經(jīng)采取了此方案，將過熱器入口煙溫由700℃降低至620℃，經(jīng)過半年的檢驗，發(fā)現(xiàn)明顯有腐蝕減緩效果。

鑒于上述經(jīng)驗，對于高參數(shù)鍋爐，從設(shè)計之初應(yīng)盡量按高溫過熱器進口煙溫600℃設(shè)計，實際運行中高過入口煙溫盡可能通過燃燒調(diào)整控制在600℃以下，以削弱高溫腐蝕。高過材料可選用SA213TP347H。該材料是一種特種不銹鋼材料，在耐腐蝕耐高溫方面性能良好。該垃圾發(fā)電項目在后來擴建項目中，高溫過熱器采用了12Cr1MoVG+SA213TP347H的組合方式，一半用前者，一半用后者，但是在運行中發(fā)現(xiàn)了弊端，兩種材質(zhì)的焊接口處容易泄露，但相比之下，SA213TP347H磨損腐蝕程度更小，后續(xù)制定方案，在下個大修周期時，將材質(zhì)統(tǒng)一為SA213TP347H。

3.4 針對煙氣的機械磨損的對策

對水冷壁處轉(zhuǎn)角防磨，目前可采取措施是增加一層厚度50mm的澆注料防磨層，防止機械磨損。對過熱器等迎風面增加防磨瓦蓋板，防磨瓦采用不銹鋼材質(zhì)，以消耗防磨瓦的方式延緩過熱器的機械磨損。目前大多數(shù)垃圾焚燒發(fā)電鍋爐都采用的此種防范。

對水冷壁等溫度場高且機械磨損大的工況，采用堆焊工藝，在管材表面對焊一層金屬保護層，厚度2mm,增加管排外壁厚度。目前好多廠家還是采用一種國際牌號為SNi6625的鎳基焊絲。Ni元素具有耐磨擦、耐腐蝕、耐高溫的特性。過熱器表面也可以采用堆焊方式進行處理。以6#爐為例，2017年1月份更換水冷壁管排采用了堆焊工藝，運行3年后2020年1月對堆焊區(qū)域的管排進行檢查，發(fā)現(xiàn)堆焊層材料仍存在，未傷及到管排基材，耐磨效果良好。對爐膛高于900℃煙溫區(qū)也可采用堆焊措施。該垃圾發(fā)電項目在后來的擴建中，采用了這一理念，在一煙道頂棚、二煙道頂棚及水冷壁、三煙道頂棚及水冷壁都進行了鎳基材料堆焊，堆焊厚度2mm，其中一煙道頂棚運行溫度在900℃～950℃之間，二煙道運行出口溫度在700～750℃之間，經(jīng)過近2年的運行摸索，2021年6月停爐機會進行檢查發(fā)現(xiàn)，堆焊的基層損耗在0.2mm左右，損耗10%～20%之間，抗磨損效果良好。

3.5 小結(jié)

通過對鍋爐爆管的不同因素進行分析，定期對鍋爐管材進行金屬監(jiān)督和金相分析，查找各個換熱面的磨損規(guī)律，為后續(xù)減少爆管情況，提供技術(shù)支持。

4 結(jié)語

通過研究鍋爐爆管發(fā)生的機理，從幾個方面進行了專項分析，并以實踐檢驗理論分析結(jié)果，對指導鍋爐大修技改工作提供了方向，也為正在研究垃圾焚燒鍋爐新生企業(yè)提供技借鑒意義。