2023年對(duì)生物質(zhì)鍋爐水冷壁管高溫腐蝕的分析

2023年對(duì)生物質(zhì)鍋爐水冷壁管高溫腐蝕的分析摘要：某公司鍋爐為無錫華光鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的秸稈直燃爐排爐，為國(guó)內(nèi)第一臺(tái)自主設(shè)計(jì)的高溫高壓秸稈爐排爐。鍋爐自2023年6月投入商業(yè)運(yùn)行，鍋爐受熱面已有不同程度的減薄，本文主要針對(duì)腐蝕情況進(jìn)行分析、制定防腐措施。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)鍋爐；水冷壁；高溫腐蝕

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2023.14.003

1前言

某公司鍋爐為無錫華光鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的秸稈直燃爐排爐，為國(guó)內(nèi)第一臺(tái)高溫高壓秸稈爐排爐。煙氣流向采用四回程“M”型，鍋爐布風(fēng)由兩部分組成：一次風(fēng)從二側(cè)墻爐排下各分三個(gè)風(fēng)管送入風(fēng)室，再經(jīng)過爐排上的風(fēng)孔進(jìn)入爐膛。風(fēng)室中有隔板分隔成六個(gè)獨(dú)立的風(fēng)室，進(jìn)風(fēng)管上設(shè)有調(diào)節(jié)擋板，可根據(jù)燃料和燃燒情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。二次風(fēng)布置在前、后墻爐拱處，在爐排的上方，前墻布置了三層二次風(fēng)，后墻布置了三層二次風(fēng)。二次風(fēng)管上裝有可調(diào)風(fēng)門。鍋爐自2023年6月投入商業(yè)運(yùn)行，經(jīng)過5年多的運(yùn)行，鍋爐受熱面已有不同程度的減薄。

2鍋爐腐蝕情況

從鍋爐歷年生產(chǎn)情況可以看出，隨著機(jī)組利用小時(shí)的增加，鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間越來越長(zhǎng)，爐膛溫度長(zhǎng)期850℃--950℃之間運(yùn)行，火焰中心正對(duì)著后墻水冷壁。2023年6月后墻水冷壁第一次出現(xiàn)泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)壁厚在3.0mm左右，已接近水冷壁管的極限值。

從后拱拱尖水冷壁測(cè)厚記錄看出，后墻水冷壁中間區(qū)域腐蝕速度較快，兩側(cè)腐蝕速度較慢，2023年更換以后，2年內(nèi)管壁減薄了大約2mm，腐蝕速度大約為1mm/年，但在后拱三通向上，正對(duì)火焰面處最薄只有2.3mm左右，腐蝕速度達(dá)到1.3mm/年。

2023年對(duì)水冷壁檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)水冷壁腐蝕減薄嚴(yán)重，同時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)爐膛火焰中心區(qū)域四周水冷壁均存在嚴(yán)重減薄現(xiàn)象，水冷壁表面覆蓋一層堅(jiān)硬的腐蝕產(chǎn)物，有的如琉璃狀，有的鐵銹狀，水冷壁管表面可以看到腐蝕層成片剝落的明顯痕跡。

對(duì)水冷壁測(cè)厚發(fā)現(xiàn)，爐膛火焰中心四周部位水冷壁管減薄嚴(yán)重，各墻角部位減薄稍低，即減薄中間多兩側(cè)少的特點(diǎn)。自爐排面向上至屏過人孔門處均有不同程度的減薄，高度從爐排面上方2m（標(biāo)高8m）至屏過人孔門處（標(biāo)高17m），在左右側(cè)墻拱尖上下4米區(qū)域尤為嚴(yán)重，最薄處僅有3.0mm，而屏過上方水冷壁高溫腐蝕不明顯；而側(cè)墻水冷壁管原始厚度為7mm。

3原因分析

水冷壁外壁腐蝕有三種類型，一種類型是硫酸鹽型，一種類型是硫化物型，一種類型是氯化物型。水冷壁的高溫腐蝕通常是由這三種類型腐蝕復(fù)合作用的結(jié)果。

生物質(zhì)燃料的成分復(fù)雜，通過對(duì)燃料化驗(yàn)分析得出，燃料可燃成分中硫分較低、Cl含量較高，還含有K、F等?；页煞种蠯、Na含量高，Mg含量高，鋁成分較低。對(duì)管外腐蝕垢樣進(jìn)行了元素成分分析，腐蝕垢樣中鐵含量為53.11%，鉀18.97%，氯18.58%，由此判斷管外腐蝕垢樣的主要成分為氧化鐵和氯化鉀。鐵被通過某種方式從管子往管外垢層輸送，垢樣中氯化鉀是由煙氣中夾帶的熔化或半熔化狀態(tài)下的堿金屬氯化物灰粒接觸到水冷壁凝結(jié)下來，并在水冷壁上不斷生長(zhǎng)、積聚而成，沉積物對(duì)管子造成嚴(yán)重的腐蝕。

對(duì)水冷壁腐蝕的垢樣成分進(jìn)行分析，可確定為堿金屬氯化物的熔融腐蝕。水冷壁腐蝕外觀表現(xiàn)外壁氧化膜破裂剝落，腐蝕沿著晶界向內(nèi)延伸。受熱面的腐蝕主要為沉積物中堿金屬氯化物的高溫熔融腐蝕，氯在腐蝕過程中并未被消耗，而是起到催化劑的作用在高溫沉積物中循環(huán)作用，造成比較嚴(yán)重的高溫腐蝕。

在生物質(zhì)燃燒過程中，大量的氯、硫元素與揮發(fā)性的堿金屬元素以蒸氣形態(tài)進(jìn)入到煙氣中，通過反應(yīng)形成微米級(jí)顆粒的堿金屬氯化物，凝結(jié)和沉積在溫度較低的高溫受熱面管壁上。凝結(jié)和沉積在管子外表面的堿金屬氯化物與金屬表層的氧化膜發(fā)生氧化還原反應(yīng)，氯化鐵在管壁垢層溫度高于315℃時(shí)發(fā)生氣化，向煙氣側(cè)擴(kuò)散，導(dǎo)致金屬表層的氧化膜脫落；暴露出來的管壁金屬鐵和煙氣中的氧進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成新的氧化膜。反應(yīng)過程周而復(fù)始，使得受熱面管壁的厚度不斷減少。

堿金屬硫酸鹽化學(xué)反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生氯氣的過程發(fā)生在積灰層，在靠近金屬表面會(huì)聚集濃度非常高的氯氣，其濃度遠(yuǎn)高于煙氣中的氯氣。在整個(gè)腐蝕過程中，氯元素起到了催化劑的作用，將鐵元素從金屬管壁上置換出來，金屬氧化物連續(xù)沉積，形成多孔疏松的腐蝕膜，最終導(dǎo)致了嚴(yán)重的腐蝕。

硫化物型腐蝕主要發(fā)生在火焰沖刷管壁的情況下，這個(gè)腐蝕過程在350℃及其以上溫度時(shí)進(jìn)行得很迅速，這恰是高壓鍋爐水冷壁的溫度范圍。受爐型限制，在爐拱下方區(qū)域?yàn)榛鹧嬷行?，煙氣溫度較高，軟化的灰粘度加大，極易吸附在周圍的水冷壁管上，形成強(qiáng)堿性灰垢，使周圍煙氣溫度居高不下，煙氣里的灰周而復(fù)始的黏附，形成大片腐蝕焦掛在水冷壁上，管壁表面的Fe2O3氧化膜被復(fù)合硫酸鹽破壞，更加劇了腐蝕速度。

4目前已采取的措施

針對(duì)水冷壁腐蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象，公司邀請(qǐng)專家們現(xiàn)場(chǎng)查看，通過取樣分析，認(rèn)為要完全消除高溫腐蝕還不太可能，只能采取一些措施延緩高溫腐蝕的速度。

（1）維持薄料層，對(duì)爐排振動(dòng)速率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，適當(dāng)增大振動(dòng)頻率，減輕爐排振動(dòng)幅度；（2）對(duì)爐膛出口煙氣O2濃度控制進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，提高燃料的燃盡率，降低爐膛煙氣溫度水平；（3）提高一、二次風(fēng)氣流速度，破壞氯氣的高濃度聚集；（4）對(duì)明顯存在高溫腐蝕區(qū)域的水冷壁管更換為合金鋼管；（5）提高水冷壁材質(zhì)，將前后墻、側(cè)墻水冷壁腐蝕段水冷壁材質(zhì)由20G提高至15CrMoG。

5計(jì)劃采取的措施

（1）對(duì)向火面進(jìn)行防磨防腐噴涂；（2）添加堿金屬阻垢劑，抑制低熔點(diǎn)的堿金屬氯化物（KCl和NaCl）的生成，形成高熔點(diǎn)的堿金屬復(fù)合鹽，減少堿金屬氯化物和堿金屬氧化物向煙氣中析出；（3）在燃燒室前后墻向火面敷設(shè)耐火澆注料，避免高溫?zé)煔馀c水冷壁管直接接觸，降低水冷壁管表面溫度。

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