燃煤锅炉受热面高温腐蚀探析.pdf

26 内蒙 古电力技术 IN N E R．MONG OL IA E LECT R ．ICP O WER 2009年第27卷第5期 燃煤锅炉受热面高温腐蚀探析 D is cu ssiononSolutionsofH i gh Tem per at ureCorrosionofHeatingSurfaceforCoal f iredBoiler 李捷 华北电 力大学，北京 102206 【摘要】分析了引起锅 炉受热面高温腐蚀的主要因素受热面材料性能、受热面温度 和挥 发性沉积物特质，并从受热面金属的表面 处理、温度控制以及 沉积物特质的改善等方面总结 了国内外电站燃煤锅炉在设计与运行中针 对受热面高温腐蚀问题采取 的措施。 针 对 1台300 MW锅炉受热面由 于煤 种含硫量高、 一 次风风速过大 、给粉机排列不当、管子抗腐蚀性能较 差 等原因引起的高温腐蚀问题，提出了在燃料 中加添加剂、增大再 循环管管径、改变给粉机布 置 、喷涂耐腐蚀涂层等应对措施 ；， 『关键词1锅炉受热面；高温腐蚀；金属性能；温度；沉积物特质；烟气气氛；煤质 『中图分类号】 ’IK 224 ．9 [文献标志码】B 『文章编号11008 6218200905 0026 03 为保证电厂燃煤锅炉安全可靠的运行并节省能 源．锅炉 的维护[作重点往往着眼于受热面的灰污、 腐蚀、磨损等方面。近年来，由于燃烧煤质 的下降和 煤种的多变，导致高温腐蚀现象普遍 发生轻则导致 锅炉 壁减薄、传热效能降低、锅炉排烟热损失增加， 影响汽水正常[况；重则引起烟道堵塞、工质泄漏甚 至爆管停炉，严重影响机组的安全稳定运行。 1高温腐蚀主要影响因素 高温受热面管 材用M表 示 在氧化剂作用下 易发生氧化反应生成M ⋯0其 中MO结构疏松，容 易脱落，材料损耗大 ，而M。0．x、Y不同时 为 l时则 相反，往往起剑保护层的作用。大量的实际运行经验 表明，高温腐蚀 与受热面温度、烟气温度以及 温度梯 度密 切卡 u关。。水冷壁管和灰层的温度梯度较高，会增 大氧化膜与受热面之间的空隙 ，导致氧化反应加快． 过高时氧化膜可能脱落。另外，当灰渣层或烟气中含 有腐蚀性成分如硫酸盐、硫化物、氯化物、还原性气 体时，不仅使得氧化加强。氧化膜被破坏，而且发 生 硫化和氯化反应，使金属损耗量大大增加。 1．1受热面材料性 能 目前电厂采用的高温受热面 金属材料主 要为 20号钢 、12Cr2M oWV B钢 、改良型9Cr lMo钢 、 12CrlM oV钢等。不同的材料有着不同的耐腐蚀 、耐 热、耐氧化等性能，表1列 出了这几种常用 金属材料 的性 能。 表l高温 受热面常用 材料的性 能对比 类型优点缺点 20 号钢 耐热、耐磨性强 抗 氧化、抗腐蚀性弱 12Cr 2M oWVB钢 改 良型9Cr 一 1M o钢 12Crl MOV钢 耐热、耐腐蚀氧化性 强 耐腐蚀氧化、抗 拉、 抗持久性强 耐 氧 化性 强，无热 脆 倾向 工艺性差。变工况下 腐蚀 氧 化爆管现象 明 显 工作环境恶劣区域 腐蚀明显 为防开 裂，焊前 须预 热。焊后 须 进行消除 应力热处理 1，2受热面 金属温度 受热面金 属 温度是影响腐蚀 的重要 因素之 一 。 受热面金属每年受高温腐蚀 的深度h随壁 温t变化 [收稿1 3期] 2009 - 04 - 16；[ 日期12009 09 09 【 作者简介】李捷1986 一 ，男，重庆市人，在读硕士研究生，从事火焰稳定性监测方面的研究工作。 2009年第27卷第5期 内蒙 古电力技 术 27 的关系式可简单表示为l gh C 。 一 C t 一 C，，C为常数。 由于水冷壁 的还原性气体比较 多，故其腐蚀 速度比 过热器的大，水冷壁壁温、过热器壁温与腐蚀 深度的 关系如图1所示。 H S、FeS等腐蚀性介质在400q C 以 上受热分解的速度随管壁 温度升高而增 加 ，故腐 蚀性也增强。由图1可知，管壁温度每升高50q C，腐 蚀性增加近1倍。 图1腐蚀深度与壁温的关系“ 过热器和再热器的高温腐蚀有着明显的特点⋯ 腐蚀区沉 积层 呈黄褐至暗褐色，较疏松，其他腐蚀区 域呈浅灰褐 色，较坚实，腐蚀 层中有硫化物存在。而 水冷壁 的高温腐蚀则不同 ，其管子外部 出现 一 层厚 沉 积物，沉 积物下 面 的管壁表面 呈黑 色或孔 雀蓝色， 管子 明显减薄，发现沉 积物中含硫 量较高。 13 挥发性沉积 物特质 根据沉 积物的不同，高温腐蚀 可 主要分为硫酸 盐型、硫化物型、硫化氢型和氯化物型等。它们的形 成原 因、腐蚀机理、腐蚀产物特点等如表2所示。 影响挥发性沉 积物特质的因素主要有管壁附近 烟气 的气氛、入炉煤煤质、煤粉燃烧状况等。 1．3．1管壁附 近烟气 的气氛 运行经验表明．除管壁温度外，影响高温腐蚀的 最 主要因素是 管壁附近 的烟气气氛旧。形成还原性 气氛 的原因有很多，如入炉煤粉偏粗、局部氧量不足 等。如果管壁附近出现还原性气氛，将延长煤粉燃烧 时 间，使碳和硫聚集在边界层中，硫因缺氧不能形成 S O而与管壁 的金属物质发生反应 ，导致其腐蚀。同 时，还原性气氛不仅促进生成腐蚀性气体 ，还促使生 成疏 松多孑L的FeO ，而FeO是吸附腐蚀介质的理想 载体，从而加快腐蚀进程，对锅炉高温受热面的腐蚀 影响非常大。 l_ 3．2入炉煤煤质 入炉煤种的煤质 组 成 成分、粗细程度对高温 腐蚀 影响明显，燃煤品质差是水冷壁高温腐蚀的内 因。 煤 中的硫元素和碱金 属化合物是形成腐蚀的主 要 因素。根据高温腐蚀规律㈣，煤中含硫量超过 一 定 数值普遍认为是 l ％后就容易发生高温腐蚀 。高 硫分煤燃烧 产生的腐蚀性硫化物以HS、S O。为主 与管壁表面氧化铁作用，破坏了管壁的Fe0。保护 膜，加速管壁 的高温腐蚀，侵蚀管子表面，使管壁不 断减薄，极易导致爆管事故的发 生。而煤灰 中碱金 属 氧化物K0、Na0等极易 与硫 酸气体结合凝 聚在受 热面上，构成易粘附灰垢的温床，当温度达到 一 定值 时即发 生高温腐蚀。需 要指 出的是，高挥发分煤中可 燃 成分少，释放缓 慢且温度 高，烧尽时 间长，容易在 管壁上形成还原性气氛，加速高温腐蚀 的发生。 当煤粉颗粒较粗 时，火焰容易 冲墙，煤粉难于燃 尽，造成 壁面附近形成还原性气 氛，引起高温腐蚀， 特别 在炉膛里燃 烧 器喷口被烧损、喷燃 器 给粉不均 匀和燃 料 燃 烧 时给风工况受破坏的情况 下更是如 此。 1_ 3．3煤粉燃烧状况 不理想的煤粉燃烧状 况也会对高温腐蚀产生 一 定 的影响。由于 四角切 圆燃烧 的锅炉炉内存在旋转 气流．火焰从燃烧 器喷射出后 可能在某种程 度上偏 离气流的设计方 向，导致假想切 圆的直径比设计值 大，引起 未燃尽 的煤粉火焰流冲刷管壁。而含有大量 煤粉 的高温火焰直接 冲刷管壁时，具有尖锐棱 角的 煤粉不仅磨损壁面，破坏管壁的Fe0，保护膜，使腐 蚀产物不断脱落，而且使管子 局部温度急剧上升，加 剧了高温腐蚀 的发生。另外，炉膛 内燃烧工况 不稳定 时。煤粉气流易在管壁 之间形成小涡流，对管壁有热 表2几种 常见的 向火侧高温腐蚀类型 H’ 类型主要形成原 因 腐蚀机 理 腐蚀 产物 特征 硫酸盐型烟气呈还 原性 并 含有游离 态硫 硫 化物型烟气呈还原性 并有H参存在 硫化氢型烟气呈还原性，H，S释放比例高 氯化物型 鬻象妻薯 嬲 ’ 存机。‘燃料含有 矿物 质 中的盐类 结合SO，与管 壁 氧 化膜反 应 生成不具有保护作用 的复合硫酸盐 自由原子硫发生硫 化反应，生成物 缓 慢 氧 化腐 蚀管壁 H S直接与 管子中金属或金 属氧化 物作用 形 成腐蚀 NaCl生成的高浓 度H C I导致 氧化膜 松脆并且 易脱 落 含大量 硫酸盐及Na ’ 、O H离 子 呈黑褐 色或 深灰色，含大量 氧化铁、硫化铁 呈 孔雀蓝色．含高浓 度的硫化物 HCI浓 度要比烟气 中的大得 多 28 内蒙 古电力技 术 2009年第27 卷第5期 化学反应作用．造成管壁表面保护膜被破坏、金 属表 面脱碳、表面硬度和疲劳极 限降低，从 而引发爆管事 故。 2防止高温腐蚀的基本措施 2．1受热面金属的表面 处理 在不提高管子材料等级的前提下，采用表面处 理方法可提高抗腐蚀 和抗磨损性能。实践证明，热喷 涂技术可使涂层在交变热应力作用下 不脱落 ，现场 实用性强、喷涂性能好，且具有抗腐蚀、抗氧化、耐高 温、延 展性好、抗 冲蚀能力强等特点，因 而能有效达 到防止水冷壁高温腐蚀和磨损的效果 。 2．2控制受热面金属温度 受热面温度越高，腐蚀 问题就越严 重，因此控制 管壁温度是可实施 的途径。这就要求运行人员合理 控制炉内局部火焰 的最高温度、热流密度及管子内 部结垢的均匀性．降低出口扭转残余 、烟温偏差以及 过热蒸汽流量偏差．以避免局部壁温过高。 2．3改善沉积物特质 2． 3．1改善管壁附 近烟气的气氛 目前国内 一 般运用调整 一 次风风速和采JE H水平 浓淡风燃烧技 术的方法改善管壁附近烟气的气氛f 1I。 由于 一 次风 的刚性小于二次风， 因此浓淡 一 次风都 将先于二次风偏 向水冷壁；浓侧 一 次风与二次风混 合差，缺少足够的氧气，容易形成局部还原性 气氛， 加剧水冷壁高温腐蚀因此，合理配风能避免炉膛 局 部地区出现还原性 气体．减小射流偏转在四面水冷 壁上。国外有部分电厂针对双切 圆四角燃烧锅炉采 用多切 圆燃烧技 术㈦．通过 一 次风反切 圆燃烧来平 衡 炉膛出口烟气流速．防止产生过热蒸汽气温偏 差，有 利于改善水冷壁表面 的还原性气氛，在防止高温腐 蚀的应用中效果较 为明显。也有研究人员提出安装 贴壁风的办法㈣来解决锅炉 的高温腐蚀，模拟结果表 明贴壁风法基本是 一 次性投资、费用低、技术简单， 且 可提高锅炉效率。 ‘ 2_ 3．2改善入炉煤质 ，减少S O，生成 腐蚀介质中最 主要 的成分是SO，，它在高温腐 蚀中起重要的作用 ，因此应尽量避免使用含硫 量高 的煤种。为减轻其影响，研究人 员发现在煤粉 中加入 特定的化学附加剂可有效 阻止或限制S O ，的形成口I。 目前已有多家电厂采用 白云粉或 氧化锑 S b0，与 煤粉混燃，因为在炉内高温作用下，自云粉和Sb0， 的热解产物会和烟气中的SO，发生中和反应 ， 一 定 程度上减小了SO，的浓度。另外，减小空气的体积 流 量．供给锅炉燃烧室的空气量将减少，能有效降低燃 料中的硫转化 为S O，的转化率，仅仅形成大量 的 SO，随烟气排人大气 ，从 而降低了管子 的受腐蚀程 度。采用烟气再循环的方法⋯能降低火焰中心和炉膛 出口的烟气温度，有效 减少SO，的生成，但对于低挥 发分煤可能造 成着火不稳 定，对高灰分煤会加重飞 灰磨损程度。另 一 方面，电厂应严格控制入炉煤粉细 度R∞为10％ 。 13％，并且通过调整粗粉分离器挡 板开度、增加磨煤机内小径钢球数量 的比例等措施 保证煤粉细度的均匀性。， 3检修与防护实例 某 电厂300M W机组锅炉为单 汽包自然循环煤 粉锅炉。炉体装有6只出力为 l O t， } 1的喷燃器 ，并配 置有单独的煤粉仓和12台给粉机，给粉机沿煤粉仓 的 出料厂 丁按2x6的方式排列 。锅炉主要入炉风 运行 参数 为 一 次风风速为3 1 nds设计值为25 In ／S；二 次风 风速为50m／s没计值为45 m／s。燃用煤种收 到基主要参数如表3所示。 表3燃用煤种收到 基 主 要参数％ 项目碳氢氧氮硫水分灰分 数值58．153．699．650．8 21．5316．649．52 3．1受腐蚀情况 运行约8000 h后，锅炉高温受热面出现 了较 为严重 的腐蚀现象，如图2所示，特别是下辐射区两 侧水冷壁的外部腐蚀，最大减薄量达3 nlnl，腐蚀速 度为3．3I]ll l l／a．腐蚀最严重区域 的管壁温度为4 60 ～ 470℃ 。此【 x二域部件材料为12Cr3M V Sm B ，腐蚀 产 物呈暗红色，除去氧化铁帽后．穴q 1暴露有黑色的沉 积物，并且锅炉内金属表面附着有水垢。炉内正常的 换热过程被打破，导致锅炉 主要吸热部件损坏甚至 机组停运 ，严重影响了锅炉的安全经济运行。 3．2形成原 因分析 燃用煤种的 含硫量为1．53％，高于普遍 认为容 易导致 高温腐蚀的 含硫 量1％； 一 次风 风 速较大， 造成从前后 墙喷出的 一 次 风 对冲碰撞后煤粉气流 冲向两侧水冷壁，致使该处水冷壁受到高温腐蚀；给 粉机2x6的排列方式不当，不仪增 加了煤粉发生堵 塞的可能性，而且容易导致炉膛 出现局部低温焰流。 这些都 是 导 致该锅炉水冷壁管高温腐蚀 的重要原 因．． 1 _ - 一 、 ‘i ． 内 蒙 古电 力技 术 2009年第27卷第5期 生变形如相似性较差，则要再与同厂家的同型号变 压器进 行比较，并采用短路阻抗法对比短路阻抗、短 路电抗、短路电阻值的变化情况和不平衡率是否符 合有关要求，以避免有些变压器三相绕组结构本身 可能有些差异使得曲线相似性 较差，导致误判。 2当采用频响法不能确定变压器绕组变形 的 严重程度时，尽量采用短路阻抗法和频响法相结合 的方式来共同分析判断绕组变形的状况。由于短路 阻抗法判据明确 ，因此可以首先采用短路阻抗法来 判断变压器绕组是否发生了变形，然后利用频响法 来判断发生变形 的具体绕组 及变形 的类型。 【参考文献1 [1】DU T 911 2004 ，电力 变压器绕组变形 的频率响 应分 析 法【 s J． 实习编辑马婷 匀 寄粤每每‰ s刁粤刁e≮ 每s习e匀s每劫 s辱e％e％s寻 辞s辱匈 s每e唏e钚s 每e唏s每e匀 ‰e喙芒啤e％ 寻{‰ ；％％‰ ％≤‰s 刁e啤 ． J 一 ’ 3．3应对措施 由于该 电厂距供煤的煤矿较近，考虑到经济性 因素，建议不改变煤种。为减轻硫元素对高温腐蚀的 影响 ，建议将石灰石CaCO，或白云粉M gC O， Ca C O，和煤粉混合送入炉膛 ，以减少S O，的产生。为了 优化磨煤机通风量、干燥风量和所用煤种燃烧所需 的 一 次风量，建议增大再循环管的管径，从而达到降 低 一 次风速、避免火焰直接 冲刷水冷壁以及不影响 制粉系统而达到最大磨煤出力 所需通风量的要求。 同时．建议将给粉机 的排列方式改 为3x4，这样可缓 解由风粉分配 不当或单位体积 风粉气流的煤粉含量 不均匀造成的高温腐蚀。另外 ，为进 一 步避免管子超 温过热，针对腐蚀区域使用的材料，建议采用外壁喷 涂与内壁喷丸的方法来提高锅炉高温受热面管的抗 高温腐蚀能力。 4 l2 ≥ o 4 65 450 芝 ～ 4 35 420 204 060 8010012014 0 管子编号 图2腐蚀深度和壁 温的分布 4结束语 受热面的高温腐蚀对锅炉的经济、安全运行危 害较大，造成腐蚀的原因是 多方面的、需要在实践 中不断摸索．根据具体情况采取最经济最可靠的措 施。 [参考文献l 【 1】赵永宁 ，邱玉堂 ．火力发电厂金属监督【M ] ．北 京中同电力 出版社．2007 ． 【 2】容銮 恩 ，袁镇福，刘 志敏，等 ．电站锅炉原理【M 1 ．北 京中国 电力 出版社。1997． 【 3】撒 应禄．锅炉受热面外部过程【M 】 ．北京水利电力 出版社 ， 1994． f 4】马艳 ，刘西 江，崔小君 ．浅析锅炉水冷壁高温腐蚀及防止措 施【 J】 ．青海 电 力 ，2008，27155 57． 【 5】Mayoas lM c，AndresjM ，Belzu ncej ，etal ．Studyofsul phi dation andch lorinationonoxidized SS 3 10and pl asma sprayed N i - Crcoatingsassimulationofhot cor rosioninfouling andslaggingincombustion【 J I ．Cor r osionScie nce ，2006， 486l3 19 1336． [6】岑可法，樊建人 ．锅炉和热交换器的积灰 、结淹、磨损和 腐蚀的防止原理与 计算[M 】 ．北京科学出版社 ，1994 ． [7】宋绍伟，邱 现堂 ．周海清，等．420 f i ll锅炉水冷壁高温腐蚀 原 因分析及预防对策l J 】 ．热 力发 电 ，200734 5 4 6． 【 81马世宁 ，刘谦，李长青，等 ．热电厂锅炉水玲鼙热腐蚀治理 技术及其应用l J 】．中国机械工程 ，2002，13171 468 一 l47 I． [91李敏，丘 纪华，向军，等 ．锅 炉水冷 难 高湍腐蚀运行1况的 防腐模拟【 J 】 ．中国电机工程学报 ，2002，227】 50 154． 实习编辑马婷