2019中級注冊安全工程師答疑:鍋爐高溫腐蝕及防止措施?
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問題：
鍋爐高溫腐蝕及防止措施?
答疑：
鍋爐的高溫腐蝕主要發(fā)生在燃用高硫煤的鍋爐水冷壁管和過熱器管束上。鍋爐運(yùn)行時(shí)在煙溫大于700℃的區(qū)域內(nèi),在高溫高壓條件下受熱面與含有高硫的腐蝕性燃料和高溫?zé)煔饨佑|,極易發(fā)生高溫腐蝕。高壓鍋爐水冷壁管的硫腐蝕主要是由于煤粉中的黃鐵礦(FeS2)燃燒受熱,分解出自由的硫原子,產(chǎn)生腐蝕。通常高壓鍋爐水冷壁管向火側(cè)的正面腐蝕最快,減薄得最多,若發(fā)生爆管都在管子的正面爆開,管子的側(cè)面減薄得較少,而管子背火側(cè)幾乎不減薄,這種腐蝕給鍋爐水冷壁管造成很大威脅,嚴(yán)重時(shí),往往幾個(gè)月就得更換部分管段,給鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來很大危害。而鍋爐過熱器管的高溫腐蝕主要是由于液態(tài)的灰黏結(jié)在過熱器管壁上而引起腐蝕。
1 高溫腐蝕的主要原因
1.1 燃燒不良和火焰沖刷
持續(xù)燃燒不良和脈動(dòng)火焰沖擊爐墻時(shí),導(dǎo)致燃燒不完全,在燃燒器區(qū)域附近的火焰中心處,當(dāng)未燃盡的焰流沖刷水冷壁管時(shí),由于煤粉具有一定的棱角,煤粉對管壁有很大的磨損作用,這種磨損將加速水冷壁保護(hù)層的破壞,在管壁的外露區(qū)段,磨損破壞了由腐蝕產(chǎn)物形成的不太堅(jiān)固的保護(hù)膜,煙氣介質(zhì)便急劇地與純金屬發(fā)生反應(yīng),這種腐蝕和磨損相結(jié)合的過程,大大加劇了金屬管子的損害過程。
1.2 燃料和積灰沉積物中的腐蝕成分
燃用含硫量高的煤粉時(shí),煤粉中的黃鐵礦(FeS2)燃燒受熱,分解出自由的硫原子:FeS2→FeS+[S],而煙氣中存在的一定濃度的H2S與SO2化合,也產(chǎn)生自由硫原子:2H2S+SO2→2H2O+3[S]。自由硫原子與約350℃溫度的水冷壁管相遇,發(fā)生反應(yīng):Fe+[S]→FeS,3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2,產(chǎn)生腐蝕。
其次,燃料中的硫及堿性物會(huì)在爐內(nèi)高溫下反應(yīng)生成硫酸鹽,當(dāng)這些硫酸鹽沉積到受熱面上后會(huì)再吸收SO3,生成焦硫酸鹽,如Na2S2O7和K2S2O7。焦硫酸鹽的熔點(diǎn)很低,在通常的鍋爐受熱面壁溫下呈熔融狀態(tài),與Fe2O3更容易發(fā)生反應(yīng),生成低熔點(diǎn)的復(fù)合硫酸鹽:3Na2SO4+Fe2O3+3SO3→2Na3Fe(SO4)3,3K2SO4+Fe2O3+
3SO3→2K3Fe(SO4)3,當(dāng)溫度在550℃~700℃時(shí),復(fù)合硫酸鹽處于融化狀態(tài),將管壁表面的Fe2O3氧化保護(hù)膜破壞,繼續(xù)和管子金屬發(fā)生反應(yīng),造成過熱器管的腐蝕。
另外,燃料中含有氯化物也是使?fàn)t管損耗的一個(gè)重要原因。它們與煙氣中的水、硫化氫等反應(yīng)生成硫酸鹽和Hcl氣體,由于Hcl的存在可以使金屬表面的保護(hù)膜遭到破壞,從而加大對管壁的腐蝕。燃料中含氯量增加,對金屬的腐蝕速率也隨之增加。當(dāng)灰中含氯低于0.2%時(shí),不致產(chǎn)生明顯的腐蝕;當(dāng)含氯量達(dá)到0.6%時(shí),將造成高的腐蝕率。
2 腐蝕產(chǎn)物的礦物組成
腐蝕產(chǎn)物內(nèi)層的物相組成主要為鐵的硫化物和氧化物 ,中間層和外層為鐵硫化物 ,鐵氧化和鋁硅酸鹽 ;對各層的組成進(jìn)行半定量分析發(fā)現(xiàn) :由內(nèi)而外鐵硫化物的含量降低 ,其含量分別為 74 %、64 %、54 %;鋁硅酸鹽含量增加 ,其含量分別為中間層 22 %、外層 28 %;鐵氧化
物內(nèi)層含量較高為 26 %,由于受到鋁硅酸鹽的影響 ,中間層和外層的含量有所降低 ,含量分別為 14 %、18 %,最外層受爐膛中氧氣的氧化其鐵氧化物的含量要比中間層高。鐵的硫化物和氧化物為腐蝕的產(chǎn)物 ,而硅鋁質(zhì)組分來自于粘附的燃煤飛灰顆粒 ,其腐蝕類型是硫化物型腐蝕。
腐蝕產(chǎn)物顯微特征和微區(qū)分析
1金相顯微和孔結(jié)構(gòu)特征
腐蝕產(chǎn)物具有明顯的分層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層結(jié)構(gòu)致密，外層3疏松多孔，具有大量的孔隙。內(nèi)層礦物組成比較單一，分布比較均勻，為高溫乘積的結(jié)晶礦物，光性較強(qiáng)。外層礦物組成復(fù)雜，分布不均，高溫乘積的結(jié)晶礦物中分布大量來自煤中的高溫分解形成的球形非晶質(zhì)礦物。利孔隙的大量存在為腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散提供了通道，使得其可以滲透到渣層內(nèi)部與管壁發(fā)生腐蝕管壁。推測腐蝕過程為 :首先腐蝕介質(zhì) H2S或原子硫與管壁金屬氧化膜發(fā)生反應(yīng) ,使得管壁失去保護(hù)層 ,然后進(jìn)一步與管壁基體金屬反應(yīng)腐蝕管壁 ,生成鐵的硫化物。在腐蝕產(chǎn)物的最內(nèi)層主要為鐵硫化物 ,所以其它元素的含量很少 ,伴隨反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí) ,飛灰顆粒不斷粘附到腐蝕產(chǎn)物的外層 ,在高溫條件下熔融 ,使腐蝕產(chǎn)物內(nèi)外溫差升高加速了腐蝕進(jìn)程。
1.3 還原性氣氛
鍋爐的高溫腐蝕和還原性氣氛的存在有著密切相關(guān)的關(guān)系,CO濃度大的地方腐蝕就大。某些部位的空氣不足,使煤粉燃燒的過程拖長,未燃盡的煤粉在爐管附近分離,使碳和硫聚集在邊界層中,未燃盡碳進(jìn)一步燃燒時(shí)又形成局部缺氧,使水冷壁附近的煙氣處于還原性氣氛。由于缺氧,硫的完全燃燒和SO2的形成發(fā)生困難,H2S便與受熱面金屬發(fā)生直接反應(yīng),因H2S是還原性介質(zhì),比氧化性介質(zhì)更具有腐蝕性,H2S的濃度越高,受熱面溫度越高,腐蝕速度越快,同時(shí)還原性氣氛導(dǎo)致了灰熔點(diǎn)溫度的下降和灰沉積物過程加快,從而導(dǎo)致受熱面管子的腐蝕。[S]腐蝕煤粉在燃燒過程中也會(huì)產(chǎn)生一定量的原子硫,其在 350～400℃時(shí)很容易與碳鋼直接反應(yīng)生成硫化亞鐵 (Fe + [S] →FeS)形成高溫硫腐蝕 ,并且從 450℃開始 ,其對爐管的破壞作用相當(dāng)嚴(yán)重。生成的 [S]可以直接穿透管壁金屬表面保護(hù)膜 ,并沿金屬晶界滲透 ,進(jìn)一步腐蝕鍋爐水冷壁并同時(shí)使氧化膜疏松 ,剝裂甚至脫落 金屬硫化腐蝕產(chǎn)物層相對基體金屬的體積比很大。
2 防止高溫腐蝕的措施
2.1 調(diào)整燃燒并控制煤粉細(xì)度
調(diào)整燃燒器,避免火焰對側(cè)墻的直接沖撞,加強(qiáng)一次風(fēng)煤粉氣流的調(diào)整,盡可能使各燃燒器煤粉流量相等,保證燃燒器出口氣流的煤粉濃度均勻分布;在磨煤機(jī)出口加裝動(dòng)靜分離器,控制煤粉細(xì)度,減少腐蝕發(fā)生的概率,以降低腐蝕和磨損。
2.2 控制燃料中的硫和氯含量
控制燃料中的硫和氯含量可降低腐蝕速率。國外研究顯示,水冷壁管常在燃料品種變化時(shí)發(fā)生向火側(cè)嚴(yán)重腐蝕。燃料是控制腐蝕速率的第一道關(guān)口,應(yīng)燃用含硫量低于0.8%的煤種,以降低腐蝕速率。
2.3 改善燃燒區(qū)的還原氣氛
合理配風(fēng)并強(qiáng)化爐內(nèi)氣流的混合過程,同時(shí)降低空預(yù)器等設(shè)備的漏風(fēng);可以采用增加側(cè)邊風(fēng)、貼壁風(fēng)等技術(shù),在水冷壁附近形成氧化氣氛,以改善燃燒區(qū)的氧量,避免出現(xiàn)局部還原性氣氛,緩解高溫腐蝕的發(fā)生。
2.4 避免出現(xiàn)受熱面超溫
因?yàn)殚L期低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)造成過熱器管內(nèi)工質(zhì)流量過小,流速過低,嚴(yán)重影響了管子內(nèi)外熱交換,造成管壁溫度過高,而爐膛溫度不可能同時(shí)降低,造成管子短時(shí)間超溫。所以應(yīng)盡量避免長期低負(fù)荷運(yùn)行,同時(shí)控制爐內(nèi)局部特別是燃燒器區(qū)域附近的火焰中心處的最高溫度及熱流密度,以避免出現(xiàn)受熱面壁溫局部過高,減輕高溫腐蝕。
2.5 改善受熱面狀況
對水冷壁、過熱器等受熱面管進(jìn)行熱噴涂,噴涂耐腐蝕材料,也可對水冷壁管進(jìn)行表面補(bǔ)焊或改用抗腐蝕性能好的鐵素體合金鋼管或復(fù)合鋼管,以改善爐管金屬表面狀況,提高金屬材料的耐腐蝕性能。
2.6 采用低氧燃燒技術(shù)
采用低氧燃燒,供給鍋爐燃燒室的空氣量減少,燃料中的硫在爐膛中與氧接觸時(shí)生成的二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫的轉(zhuǎn)化率降低,而二氧化硫呈氣體狀態(tài),它隨著煙氣經(jīng)過脫硫排入大氣,由于三氧化硫的濃度低,發(fā)生高溫腐蝕的機(jī)會(huì)就會(huì)減少。同時(shí),由于空氣量減少,燃燒后煙氣體積減小,排煙溫度下降,鍋爐效率提高。
3 結(jié)束語
鍋爐受熱面發(fā)生的高溫腐蝕是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程,常見于大型鍋爐中,為了更好地做好鍋爐受熱面高溫腐蝕的防止工作,我們應(yīng)綜合平衡影響鍋爐受熱面高溫腐蝕的各種因素,深入研究其產(chǎn)生的原因,在實(shí)踐中不斷探索、總結(jié) 和積累經(jīng)驗(yàn),制定完善的預(yù)防措施,保證鍋爐機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì) >運(yùn)行。
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