燃煤中的硫分对锅炉低温段受热面的腐蚀原因分析及解决方法.pdf

宁夏电力} 2 0 0 2 年增刊 燃煤中的硫分对锅炉低温段 受热面的腐蚀原因分析及解决方法 S u l f u r Co n t e n t o f Co a l Ca u s e s Co r r o s i o n i n L o w He a t S u r f a c e 费红珍 大坝发 电厂 青 铜峡市7 5 1 6 0 7 [ 摘要 】 燃煤 中的硫 分主要 对锅炉空气预 热 器冷 端受热面 有腐蚀 ， 分 析 空气预热 器冷 端 受热面腐蚀和 堵灰 的原 因， 提 出防 止和减 轻 空 气预热 器冷 端 受热 面腐蚀和 堵灰 的对 策 ， 及利 用暖风嚣来加热 空气预热 器入 17 的 空气 温度 ， 提 高冷端 受热 面的壁 面温度 的解 决方 法 [ 关键词】 锅炉燃煤硫分腐蚀对策 1 前 言 煤是火力发 电厂 主要 的燃料 。煤 中的硫 是锅炉燃烧产物 烟气 中有害元素之一 。对 动力用煤来说 ， 煤 中硫 燃烧 产生 的 SO 2 、 S O ， 不仅对锅炉高低温受热面有腐蚀 ， 而且 ， 烟气 排人大气 ， 造 成环境 污染 ， 形 成 酸雨 ， 破坏 生 态平衡 ， 有害于动物 和植物的生长。 本文根据 大坝 电厂锅炉 实 际运行 情况 ， 分析 了引起空气预热器冷端受热面腐蚀和堵 灰的主要原 因 ， 通过 对设 计煤 种 、 校核 煤种 、 启动燃油 三种燃料的水露点温度及酸露点温 度a , i t算 ． 提 出防止 和减 轻空气 预热器 冷 端 6 受热 面腐蚀和堵灰 的对策 。 2 设备及燃料概况 大坝发 电厂共 安 装 4台 3 0 0 MW 火力发 电机组 。锅炉 是 由北 京 巴布科克 威 尔 科克 斯 有 限公 司制造 的 1 0 2 5 t ／ h亚 临 界 、 中 间再 热 、 自然循环 、 前后墙 燃烧 、 固态排 渣燃煤 锅 炉。设计燃料 为宁夏灵武磁窑堡烟煤 。宁夏 石嘴山煤为校 核煤 种 ， 其 两 种煤及启 动燃 油 的元素分 析 见表 1 ， 大坝 电厂 所用燃 煤 全硫 测试结果见表 2 。 表 1 设 计 、 校核 煤种 及燃 油特性 称 符 号 单位没 计煤 种 校核 煤 种燃油 维普资讯 宁夏电力} 2 0 0 2-g-T ll 燃煤中的硫分对锅炉低温段受热面的腐蚀原因分析及解决方法 表 2 燃煤中硫含量实测值 在锅 炉尾 部 竖 井 下设 置 两 台转 子 直 径 1 0 3 3 0 n u n容克式 三分仓空气预热器 ， 烟气 向 下流 动 ， 冷端受热面采用 1 ． 2 m m厚 的耐腐蚀 “ 考登” 钢板制成 。烟风系统分别装有两 台送 风机和两台引风机 。空气预热器 和引风机之 间装有静 电除尘器 。 3 硫 分 对 锅 炉 低 温 段 受 热 元 件 的腐蚀 作 用 可燃 基 硫在 燃 烧 过 程 中会 被 氧 化 生成 S O , 和微量 S ， 硫酸盐也会受热分解 出 自由 s o , ， 后者 的量是 很小 的 。此外 ， 在燃 料燃烧 过程中不 可 能 做到 全 部 含硫 都产 生 上 述 反 应 ， 而是 随着燃烧方式 的不同 ， 硫 在燃烧过 程 中参与上述反应的百分 比也不同。煤粉 炉约 为 8 5 ％ 一9 0 ％， 其 余 硫 分则 存 在 于灰 渣 中。 随着煤 中含硫量的不 同， 烟气 中 S S 的 体积含量 百分数 可能 低 于 0 ． 0 5 ％或 甚 至 高 于 0． 5 ％ 。 在这 两种 氧化 物 中 ， S O 所 占份额 是 很 ／ 1 , 0 ， S O ,的转化 率 电随燃烧 方式 和燃烧 工 况而异 ， 煤粉炉一般为 0 ． 5 ％ 一1 ％， 据 多数 资料统计 ， 烟 气 中含有 的 s o ,体积 百分 数仅 在 0 ． 0 0 0 5 ％ 0． 0 0 5 ％范 围 内。国 内对燃 烧 全硫含量高达 5 ％的煤粉炉实测结果表明， 烟气 中 s o ,的最 大 含 量也 仅 占烟 气 体积 的 0 ． 0 0 4 ％左右 。 烟气中 s o 对受热面的腐蚀和沾污没有 明显的影响 ， 与此 相反 ， s o , 含 量 虽然 很 少 ， 但 由于它与烟气 中的水蒸 汽化合 形成硫 酸蒸 汽 ， 会显著地提 高烟气 的露点温度 ， 从而会 在 低温受热面上凝聚， 造成酸腐蚀和沾污。硫 酸蒸汽开始凝结时的温度称为酸露点 。 烟气 中 S 0 3含量 对酸露 点 的影响 ， 国 内 外的 试 验 数 据 多有 差 异 。但 可 归 纳 为 ， 当 S 0 3 含量 达 0 ． 0 0 1 ％时 ， 酸露 点 即已达 1 2 0 C 1 4 0 c 【 ， 其后酸露点 随 s o , 含 量逐渐趋 于缓 慢 。 S O 的形成 机 理 ， 除 认 为是硫 酸 盐 的高 温分解外 ， 还 可认 为 主要 是在 高温燃 烧 区域 内存在 的 自由氧分裂成具有高反应能力的氧 原子 ， 将 s o 进一 步氧化成 S O , 。因此 ， 减 少 火焰 区中的 自由氧 ， 即减 少炉 膛过 量空气 系 数 ， 常会显 著 降低 s O 的转 化率 。例如 在煤 粉炉上 的试验 结果 表 明， 如 果过量 空气 系数 由 1 ． 3 5降 到 1 ． 0 5 ， 会 导致 s o ,的含 量 降 低 4 0 ％ ， 酸露点下降 5 C。s o ,形成 的另外一 个 途径 ， 是烟气 接触 到某 些具有催 化性 质 的物 质 如 r e 耐 火 材 料 、 燃 油时 可 能 出现 的 V 2 3 灰 垢 等 。促 使 微 量 s o 催 化 氧 化 成 s o , ， 催化 作 用 的 主 要 温 度 范 围 是 4 2 5 c 【 6 2 5 ℃ 。 烟气 中水蒸汽含量对 S 的形成影 响无 一 定规律 。水蒸 汽 分压 力增 加 ， 会促进 氧原 子与 s o 的化合 。随着烟气 中水蒸汽含量 的 增加 ， 会导致露 点温度略有增加 。 在燃烧温度对 S o 生成 及露 点温度的影 维普资讯 宁 夏电力} 2 0 0 2年 增刊 燃煤 中的硫分 对锅炉低 温段 受热面的腐蚀原 因分析及解决 方法 响方面 ， 火焰 温 度越 高 ， 则 S 0 3转化 率越 高 ， 露 点温 度也相应增 高些 。 烟 气 中呈分 散 状 态 的飞灰 微粒 ， 对 S O ， 有较强 的吸附作 用。在 煤粉炉 内， 每 立方 米 烟气 的飞灰表面积常达几千平方米 ， 因此 ， 煤 粉炉 烟气 中 S 0 3含量及露点温度都会 比链 条 炉或燃油炉低些 。 综上所述 ， 对于不同燃烧方式 ， 即使燃料 含硫量相 同 ， 烟 气 中的 S O 含 量及 露点 都可 能 出现 相当大 的差异。 大坝电厂 锅炉空气预热器冷端堵灰 和腐 蚀 主要 原因有 1 锅炉冷态启动时燃油燃烧 不完全 ， 部 分油雾 随烟气 流动落入空气预热器受热 面上 与飞灰或煤粉粘结在一起 ， 堵 塞流通截面 。 2 锅炉 冷态 启动 、 低 负荷 或冬 季运行 ， 空气预热器 入 口风 温及排 烟温 度较低 ， 这 时 空气预热器 冷端受 热面 温度也较 低 ， 烟气 中 水蒸汽及 S O 3 蒸汽冷凝 ， 使受热面湿润 ， 燃烧 产物及 飞灰 易 粘 附 在受 热 面 上 ， 造 成 堵 塞。 同时水 蒸汽 冷凝 后形 成 水滴 ， S O 溶 于水 中 形成亚硫酸 ， S O 蒸汽冷 凝后形成 硫酸液体 ， 对受热 面形成腐蚀 。 3 烟 气 中的 S 0 2 及 S O 与飞 灰 中的氧 化钙等碱性氧化物作用 ， 生成硫化物， 粘附在 受热面 上 ， 或 冷凝在 受热 面上 的亚硫酸 及溶 液 吸收碱性氧化物后留在受热面上。造成空 预器 受热面腐蚀。 4 烟 气水 露 点及 酸 露 点 的计算 燃 料中的硫 分或硫 化物在炉 内燃烧过程 中几乎全 部 转 化 为 S O 和 S O ， 飞灰 中虽然 有一部 分碱性氧 化物对 它们有 所 吸收 ， 但大 部 分仍 存在 于烟气中。 烟气 中水蒸 汽 的露点 温 度 ， 即水露 点温 8 度一般在 3 0 C～ 6 0 C之间， 计算表明， 大坝 电厂设 计 煤 种 的水 露 点温 度 4 l ℃。校 核煤 种 的水露点温度 为 4 0 C， 冷 态启 动单 纯燃 油 时水露点 的温度为 4 6 ℃。 烟气 中含有 S O 蒸 汽 ， 酸露点 的温 度 比 较 高 ， 一般在 I O 0 C～1 5 0 C之 间。酸露 点温 度取决于煤 中含硫 量 ， 燃烧温度 ， 灰 中碱性 氧 化物 ， 飞灰分额等 因素 。 烟气 中硫酸蒸汽既然在硫 酸露点及 以下 温度才发生冷凝 ， 因此低 温腐蚀 是发 生在 锅 炉低温受热面上。对于动力锅炉主要发 生在 空气预热器上。烟气 中的 S O 提高 了它 的露 点温度 ， 也就 是提 高 了受 热面发 生腐蚀 的上 限 ， 加重了腐 蚀的程度 。 烟气 中的 S O ， 少 ， 则硫酸蒸汽少 ， 除了使 露点降低外 ， 还 可减少受 热面 上硫 酸蒸 汽凝 结量 ， 可减轻腐蚀 。 一 般隋况下， 锅炉在满负荷或较高负荷运行 时， 排烟温度 比较高 ， 烟气中的水蒸汽不会凝结， 但锅炉低负荷及冷态启动时可能发生。 利用原苏联 1 9 7 3年 锅炉机组 热力计算 一 标准方法 的酸露点计算公式 ， 获得 了大坝 电厂设计煤 种 、 校核 煤种和 锅炉冷 态启 动单 纯燃 油 期 间 的 酸露 点 温 度 ， 分 别 为 1 0 6 C、 9 7 ℃和 8 0 ℃， 见表 3 。有关计算方 法如下 ， 3 属 ．． 一 f 1 ． 0 5a Az 十 I s 式 中 一 计算 系数 ， 当炉膛 出 口空气过 剩 系 数 口 1 ． 2时 ， 1 2 1 ； s 一 燃料收到基折算硫分 ％ ／ ； a 一 燃料灰 中飞灰 占有的份额 ％ ； L4 一 燃料收到基折算灰分 ％ ／ U ； ￡ 一 水露点 温度 o C 。 ， s 4 1 8 7 一； 维普资讯 宁夏电力 2 0 0 2年增刊 燃煤 中的硫分对锅炉低 温段受热面 的腐蚀原 因分析及 解决方法 ．4z 4 8 7 ； 式中 5 ， 一 燃料 收到基灰分 ， ％ ； ⋯⋯， 一 燃 料低位发热量 k J I 培 。 烟气 中水 露点温度是根据烟气 中水蒸汽 的分 压力查饱 和水蒸汽表 所得 。 当空 预器低温受热面 的温度低于烟气 中 酸露 点温度时 ， 将有 大量的硫 酸蒸汽凝结 ， 引 起受热面金属的腐蚀 ， 硫酸液的存在与受热 面上的积灰起化学反应 ， 引起积灰的硬化 ， 受 热面金属腐蚀及积灰 ， 使烟道通 风阻力增加 ， 排烟温度提高 ， 影响锅炉的热效率和可用 率 ， 严重 时受热面需经 常冲洗或更换 。 虽然烟气酸露点不能全部表征低温腐蚀 的程 度 ， 但毕竟 是一个 清楚表征 腐蚀 是 否发 生的指标 ， 在一定 程 度上也能表 征腐蚀 的严 重程度 。 严重 的腐蚀发 生在受热面温度略低于酸 露点及 水露点 的两个 区域 ， 而在 壁温 高于水 露点而低于酸露点 之间 ， 有一个 较轻 的区域 ， 这是 因为腐蚀 的速 度与硫酸凝 结量 ， 硫 酸浓 度 以及腐 蚀 区温度 有关。 凝结 酸量愈 多 的受 热面 ， 腐蚀愈严重。 当受热 面到达水露 点温 度时 ， 大量 的水 蒸汽 及硫 酸蒸 汽凝结 ， 特别是此 时烟 气中大 量的 S O 能直接 溶解 于水 膜中 ， 形成 亚硫酸 溶液 ， 后 者对金属壁腐蚀是极 为严重 的， 腐蚀 量最严重的 区域 是低 于酸露 点 3 0 C ～4 0 ℃ 温度范围 以及水露点温 度。 表 3烟 气露 点参数 计算表 明 燃 用校 核煤 种和设 计煤 种运 行时 酸露 点分 别 为 9 7 ℃和 l 0 6 ℃ ， 腐蚀 较 为 严重 温度 是 低 于 酸 露 点 3 0 C即 在 6 7 ℃ 和 7 6 ℃以及水露点温度 4 0 ℃和 4 l ℃。 锅炉冷态启 动单 纯烧 油 时腐蚀 较严重 ， 范围为 5 o ℃ ～4 0 ℃以下温 度 ， 其 水露 点温度 又是 4 6 ℃ ， 也 就 是 说 ， 5 0 ℃ 以下均 为酸 腐蚀 较 严重范围。 5 防止和 减 轻 锅 炉 空气预 热器 低 温受热面腐蚀及堵灰 1 燃料脱硫。从表 2 结果中可知 大坝电 厂燃煤 的含 硫量 最大 值 为 3 ． 1 7 ％， 最小 值 为 0 ． 4 1 ％， 这样大大超过 了设计 要求 。减少烟气 中 s 含量 ， 以达到最小限度或没有腐蚀现象 。 2 使用添加 剂吸收 烟气 中的 s O ， 减少 烟气 中硫 酸蒸汽的含量。 3 提高受热面温度 ， 使其 在高于严重 腐 蚀温度下工作 。 4 采用新型的抗腐 蚀材料等 。 这里应根据大坝 电厂锅炉现有 的条件及 实际情况提出切合实际的办法来解决和减少 空气预热器冷端受热面腐 蚀和堵灰 的对策 。 上述 几项措 施 中 ， 除提 高空 气预 热器 冷 端温度外 ， 其 它工程 实施 起来都 有相 当 的难 度 。不是工艺太复杂 ， 就是费用太 昂贵 ， 目前 均不可能实现。 对于环境温度较 低 ， 煤 中有 一定 含硫 量 的燃料 ， 尤其是大容量锅炉 ， 常采用 暖风器 预 先加热空气 的方法 来提 高空气预热器 人 口的 空气 温度 ， 从而减轻低温腐蚀和堵灰 。 暖风器是一 种热 交换 器 ， 利用 低 压蒸 汽 或热水加热 在管外 流过 的空 气 ， 也可 以利用 热管作 为中间介质来加热空 气。 下转第 2 4页 q 维普资讯 宁 夏电力}} 2 0 0 2年增刊 抽 真空对 S F 6 开关 气体水分 的影响 1 3 3 P a 时还应继 续抽 真空使 它 达到一个 稳定 的真空度 ， 这样 使 注 入设备 的 s F 6气体 水分 增长量减少一定 的值 。 参考文献 [ 1 ] 周泽存 ． 高电压技术 ， 水利电力出版社． [ 2 ] 朱德恒 ， 严璋． 高电压绝缘 ， 清华大学出版社 上接第 9页 暖风器 的汽源 可以来 自汽轮机 的低压抽 汽 ， 亦可以取 自水泵 的抽汽 ， 可使 空气 温度提 高到 6 o ℃左 右 或 更高 。这种 方 法虽 然使 用 了一些蒸 汽 ， 但提 高了锅炉 的安全经济性 ， 可 使 电站总经济性略有提高 。 6 结论 1 锅炉 燃料 中硫 分主要 对低 温段 锅炉 空气预热 器冷端受 热面起腐蚀作 用。 2 造 成空 气预 热器受热 面堵 灰 和腐蚀 的原 因主要 是锅炉负荷较低或进 风温度低及 锅炉启 动时排烟 温 度低等原 因 ， 从而 引起 了 水蒸汽 ， 硫酸蒸汽 的冷凝 ， 在低 温受热面上产 生腐 蚀及堵 灰 。 表 4 不 同条件 下 受热 面与严 重腐蚀 温 度差 ℃ 器篮 燕 l 4 5 65 l 4 5 6 7 5 l 4s 7 0 l 3 5 67 5 l 4 7 5 1 4 5 7 7． 5 l 80 l 82 5 l s5 l 4 5 8 7 5 l 4 5 9 0 1 4 ．5 92 5 1 4 5 9 5 l 5 】 l ∞ l l 位5 3 本 文根 据锅 炉运行 条件计 算 出设 计 煤种 、 校核煤 种及 启 动燃油 的水露 点 和酸露 点温度 ， 提供 了防止 冷端 受热 面堵 灰 和腐 蚀 的理 论依据 。 24 4 给出锅炉不同送 风温度 、 排烟温度与 受热面 严重 腐 蚀 温 度 的 关 系 见 表 4和表 5 ， 表明锅炉 正常运 行时 ， 如不 投 暖风 器时 ， 无论用设 计或校 核煤 种 ． 空气 预热器 冷端受 热 面均处在酸露点严重腐蚀 区。 表 5 锅炉 启动 时不 同条件 下 受 热面 与严 重腐蚀 温度 差 送服 排烟冷端受热送 风 排 烟冷端受热避风 排削玲端受 热 温度 温 度 而 温度 溜度 温 度 面温 度 温度 温 度 面潞艘 一 l 1 0 2 一 1 0 1 0 0 5 1 0 2 5 为了防止空气预热器冷端 受热面腐蚀 和 堵灰 ， 锅炉 须投 用暖风器 ， 尤其 是锅炉启动和 低 负荷时 ， 以提 高空气预热器 入 口的风温 ， 从 而提高冷端受 热面 温度 ， 避开 酸露点严 重腐 蚀 区 ， 有效 防止 和减轻空气 预 热器冷 端受热 面的腐蚀 和堵灰 ， 提高机组 的安 全和经济性 。 参考文献 [ 1 ] 能源部西安热工研究所编 ． 燃料基础知识 、 [ 2 ] 能源部西安热工研究所编 ． 元素分析 ． 3 ] 容銮恩主编 ． 燃煤锅炉机组 ． 3 0 0 M W 火力发电 机组 ． 4 ] 武汉水利电力学院编． 热力设备的腐蚀与防护． [ 5 J 岑可法主编 ． 锅炉燃烧试验研究方法及测量于 专 术 ． 1 9 8 7 ． 7 1 6 ． 1 6 ] 燃煤锅炉燃烧调整试验方 法． 西安热工研究 所 、 东北 电 力技术 改进 局 1 9 7 4 ． 1 2 ． [ 7 】 岑可法 ， 樊建人等著． 锅炉和热交换器的积灰 、 结渣 、 磨损和腐蚀的防止原理与汁算 ． m m m m m m ∞ ∞∞ m m m m∞ 加 i ∞ m m m m O ∞ 维普资讯