超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因分析及改造措施
來源:用戶上傳
作者:
摘要：進入21世紀后，我國社會對電能的需求越來越強，而隨著科學技術的不斷發展，火力發電技術也日益成熟?，F階段，我國在建火電廠項目主要采用超臨界機組與亞臨界機組。超臨界機組是一種較為先進的燃煤發電機組，具有環保性能好、煤耗低以及技術含量高的特點。在超臨界鍋爐實際應用過程中，人們發現鍋爐的水冷壁易受到高溫的破壞，從而導致鍋爐無法正常工作。筆者結合工作經驗與相關理論知識，在本文中探討了超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題與技術改造措施，供讀者參考借鑒。
關鍵詞：超臨界鍋爐；水冷壁；高溫腐蝕
超臨界鍋爐技術始源于20世紀90年代，其由歐洲工程家發明，至今仍在發電領域發揮著不可或缺的作用。超臨界鍋爐是一種鍋爐內工質的壓力處于臨界點之上的鍋爐。超臨界鍋爐經長時間使用后可能產生高溫腐蝕問題，而高溫腐蝕現象不僅無法會令鍋爐無法正常工作，還可能引發安全事故。本文以超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕現象為研究對象，對造成高溫腐蝕現象的原因進行了分析，同時提出了針對超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕的技術改造建議
1.對高溫腐蝕予以分析
國內在進行電廠鍋爐的腐蝕事故調查發現，其腐蝕部分主要位于高溫區域，具體來講，在燃燒器的出口位置和中心線比較相近區域，發生容易腐蝕幾率較高。對于鍋爐水冷壁的腐蝕區域來講，其表面呈現黑褐色，此物質外表面松軟，但內部比較堅硬。在進行化學化驗鑒定后，物質中硫量比例相對較高，且鍋爐表面腐蝕區域比較臟，具有暗灰色特點，結合研究發現產生此現象的主要原因為：煤灰未充分燃燒，使其燃燒物和爐壁腐蝕產生混合物，當其黏附于鍋爐水冷壁后即呈現以上狀況。在進行燃燒氣體取樣時，研究得出其成分包括：氧氣、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫，其中一氧化碳含量約為10%，而氧氣含量低于3%。研究鍋爐水冷壁垢狀的化合物時，其成分包括：四氧化三鐵、三氧化二鐵、氧化亞鐵、鐵硫化物。當進行腐蝕產物分析后，明確鍋爐水冷壁出現高溫腐蝕原因，即硫化物產生高溫腐蝕時，其硫化物主要是由黃鐵礦內硫元素所生產，在進行腐蝕機理的研究時，其主要包括以下幾點。
1.1硫原子黃鐵礦粉末、煤粉經冷水壁受熱后，分解形成硫原子、硫化亞鐵，化學式為：FeS→2FeS+[S]，當鍋爐水冷壁存在相應濃度SO2、H2S時，在其反應作用下會生成硫原子，化學式為：2H2S+SO→22H2O+3[S]。
1.2硫化過程基于高溫的鍋爐，琉璃態中硫原子和鍋爐壁鐵發生反應后，往往會隨之產生硫化亞鐵，此過程同時也是鍋爐壁硫化反應過程，化學式為：Fe+[S→]FeS。
1.3硫化加快對于鍋爐壁而言，在水作用下通常會產生鐵銹，化學式為Fe2O3，如果Fe2O3呈現疏松狀態，則可以和鍋爐內H2S相互反應，使其鍋爐壁硫化持續加快，化學式為：Fe2O3+2H2S+H→22FeS+3H2O。
1.4磁性物質硫化亞鐵在氧化作用下，往往會生成磁性物質（黑色物質），化學式為Fe3O4，其化學原理：3FeS+3O→2FeO4+3SO2。在對鍋爐水冷壁的高溫腐蝕機理進行深入研究后，其研究結果顯示，造成鍋爐發生高溫腐蝕原因為：煤中含有硫元素、高溫作用使鍋爐產生氣體，以上均屬于產生高溫腐蝕整體機理過程，有利于研究人員更好對其進行控制。
2.鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因
2.1腐蝕類型
一方面，垢樣宏觀。實際觀察發現，鍋爐水冷壁高溫腐蝕后，水冷壁的表面層會呈現淡黃色的疏松物質A，在對其進行處理后，可以發現堅硬黑色物質，當對此層物質進行完全清理后，水冷壁表面呈現五脹粗與凹凸不平狀態。另一方面，腐蝕產物B，在對腐蝕產物進行分析發現，其腐蝕產物內硫鐵氧元素含量相對較高。通過宏觀分析，鍋爐水冷壁腐蝕產物具有疏松多孔和脆易剝落的特點，屬于典型硫化物腐蝕。表1鍋爐水冷壁高溫腐蝕產物的主要成分取樣鋁和硅元素鐵和硫元素氧元素A小于0.16627B小于0.162292.
2.2煤種原因
當水冷壁發生高溫腐蝕后，其主要是由于硫元素所造成，通過上文研究得出，燃燒煤中存在硫元素?；诖耍悍N屬于造成鍋爐水冷壁腐蝕的主要原因。對于我國電站而言，燃燒煤種多數為貧煤，其含硫量超出1.2%標準，部分貧煤的含硫量更是達到2%-3%范圍，當煤種含硫量不斷增加后，燃燒產生的腐蝕物質也會隨之增加。與此同時，在對貧煤進行應用時，如果其燃燒性能相對較差，則可以將其判斷為不易燃煤種，從而導致燃料的整個燃燒過程不斷生成還原氣體，并對鍋爐產生硫化反應，最終加快高溫腐蝕，使其發生嚴重腐蝕后果。
2.3風粉分離
在鍋爐中燃料燃燒時，通常會出現風粉分離的情況，屬于鍋爐燃燒常見問題?，F階段，燃燒鍋爐時著火方式主要是以集束射流為主，此方法同時也是造成鍋爐風間隔的主要因素，使燃料放置鍋爐形式保持一致，最終導致燃料沒有完全燃盡，加之新燃料的覆蓋，使燃料無法實現充分燃燒。而理想集束射流的著火方式為：第一次采取風送燃料的方式進行，第二次對風送方向進行轉變，即燃料根據煙氣方向進行相應變化，使其燃料間存在溫度差，以便于燃料得到全面燃燒，降低還原氣體的存在，減少鍋爐水冷壁高溫腐蝕幾率。當然，提高燃燒整體燃燒效率的方法相對較多，例如：加大風口空氣流入或降低燃料細度等，具體情況結合實際需求選擇，通過相關措施的應用，以實現燃料的更好燃燒。
3.鍋爐水冷壁高溫腐蝕防范措施
結合上文研究，鍋爐的高溫腐蝕原因為煤種具有較高含硫量，使硫氣體不斷產生，并與鍋爐壁接觸反應，造成鍋爐水冷壁硫化。另外，鍋爐中燃料沒有得到充分燃燒，同樣會形成還原氣體，加快鍋爐水冷壁高溫腐蝕速度。雖然對煤種進行轉變，可以降低煤種含硫量和腐蝕性，但并不滿足實際需求；燃料全面燃燒和燃料輸送的調整，雖然可以降低還原氣體生成，但是，因為該方法實施難度較高，同時很難達到預期理想效果，所以，對設備采取改造方式比較重要，可有效緩解高溫腐蝕情況，屬于行之有效防范措施，其改造措施具體內容如下。 3.1鍋爐水冷壁改造
在進行鍋爐壁的改造時，同時也是降低鍋爐的高溫腐蝕關鍵。當鍋爐水冷壁出現硫化時，其主要是由于鍋爐壁鐵和內部氣體反應所導致，如果對鍋爐壁表面進行保護膜的增加后，可以對鍋爐水冷壁內鐵和氣體進行有效隔離，從源頭上避免冷水冷壁發生高溫腐蝕。對于鍋爐水冷壁而言，其鍍膜物質應該具有耐高溫特點，同時不會受鍋爐自身傳熱造成的不利影響，可以將此類材料進行重點運用。相關實踐顯示，將防腐蝕相關材料涂抹至鍋爐冷水壁中，能夠避免鍋爐水冷壁發生高溫腐蝕，預防結焦積灰存在。然而，由于該中材料生產流程比較復雜，使其具有較高材料成本，因此，若要對鍋爐高溫腐蝕進行有效控制，則對防腐材料進行綜合分析和衡量，保證高溫腐蝕預防措施的選擇更加科學、合理，以達到最佳防范效果。
3.2送風改造
利用風送噴口的旋轉，促使一、二次風送燃料相互對應，盡可能為燃料更好燃燒提供保障，降低還原氣體的生成，并在某種程度上促進鍋爐通用，實現含硫氣體深度減少的目的。實踐結果顯示，此方法能有效避免鍋爐水冷壁出現高溫腐蝕，使其呈現良好應用效果。通常情況下，送風改造能為風粉分離起到有效促進作用，其原理主要包括：首次進行風送燃料時，在其維持一段期間燃燒后，對風松口進行轉換，即風送噴口的180°旋轉，使其燃燒風送位置和第一次相互對應，對一、二次風送燃料覆蓋面積進行控制，進而避免還原氣體的生成，改善鍋爐水冷壁出現的硫化作用。另外，風送噴口進行轉變后，還能保證鍋爐內氣體的暢通，降低氣體堆積情況的發生，從而減弱化學作用。
3.3一次風反切
我國大型鍋爐采用∏型布置、平衡通風及四角切圓燃燒方式，由于采用了較大的切圓會造成煤粉氣流貼壁，導致局部區域形成還原性氣氛，容易發生高溫腐蝕。采用一次風反切技術，可防止煤粉氣流貼壁，改善局部區域形成還原性氣氛。一次風反切技術是將一次風噴口偏轉一定角度，形成一個與原假想切圓旋轉方向相反，且直徑較小的假想切圓。這一方面，可以使初始運動方向與主氣流旋轉方向相反，使煤粉的射流速度迅速減小，在高溫煙氣中煤粉顆粒的停留時間延長，有助于煤粉的充分燃燒；另一方面，可以避免煤粉氣流貼壁，防止高溫腐蝕的發生。一次風反切技術的進一步發展是水平濃淡風反切技術[14]。水平濃淡風反切技術是利用煤粉濃縮器將含有煤粉顆粒的一次風在水平方向上分成濃度適合的濃、淡兩股氣流，濃口射流布置在向火側，淡口射流布置在背火側，在背火側再增加1個二次風噴口。水平濃淡風反切技術比一次風反切技術可以更有效地防止避免煤粉氣流貼壁。另外，水平濃淡風反切技術將濃煤粉氣流布置在向火側，濃煤粉氣流流向向火側，淡煤粉氣流流向背火側，這有助與鍋爐穩燃能力得到進一步提高。背火側的煤粉氣流在水冷壁附近形成比普通燃燒器更強的氧化性氣氛。這些均可以改善鍋爐水冷壁的高溫腐蝕問題。
3.4涂層
常用的表面防護方法有涂刷法、滲鋁管防腐技術、高溫表面噴涂技術、堆焊技術等。對高溫腐蝕區域表面進行處理，在其表面形成一層同時具有防止高
溫腐蝕、防止結焦積灰等功效的涂層。用于防腐的金屬涂層，其厚度壁較薄，所以對水冷壁的傳熱幾乎沒有影響。此種方法在各種高溫腐蝕性環境下已有許多應用的實例。
3.5提高給水品質
對冷卻水進行高效處理，即在供水回路中加入軟化水處理設備，使水質達標。減緩甚至避免鍋爐內壁的結垢。若水處理不到位，給水品質不合格，在鍋爐內容易結垢，隨著時間的延長，鍋爐內的結垢會把水冷壁管堵住，在高溫作用下，這段區域就會發生銹蝕。
3.6運行上的改進措施
煤粉越粗，燃燒越不易，燃燒不完全一方面使煤粉顆粒聚集，引起高溫腐蝕，同時煤粉越粗，粗大煤粉動量較大，沖刷水冷壁產生磨損，會破壞水冷壁管保護膜加劇腐蝕；另一方面，燃燒不完全，進一步的燃燒時，由于缺氧而形成還原氣氛，使水冷壁發生腐蝕。因此，宜采用多臺磨煤機不同時投運。采用反切風或貼壁風，使氣流不直接沖刷管壁。增大過量空氣系數，改善不可燃硫形成的硫酸鹽對壁管的熔覆，保證壁管承壓能力
4.超臨界直流鍋爐水冷壁防腐蝕技術改造的成果
在對1號超臨界直流鍋爐水冷壁應用了各類防腐蝕技術后，鍋爐的工作質量與穩定性得到了顯著的提升，具體如下：
?。?）經技術改造后，超臨界直流鍋爐的爐膛在燃燒過程中未發生結焦現象，爐膛始終處于正常燃燒的狀態中。據工作人員反饋，超臨界直流鍋爐的撈渣設備中沒有出現大尺徑的顆粒狀焦塊。
?。?）經技術改造后，超臨界直流鍋爐飛灰的碳含量得到了提升，鍋爐各重要裝置的參數處于正常水平。
（3）經技術改造后，超臨界直流鍋爐的爐膛工作正常，火焰溫度正常且分布均勻，爐膛負荷較高的狀況下，主燃燒器域底火焰的溫度變化較小。據測量，鍋爐上部爐膛溫度大幅度下降，大約下降了100℃，爐膛火焰呈正常的橘黃色。
5.超臨界直流鍋爐水冷壁防高溫腐蝕措施
針對引發×電廠超臨界直流鍋爐水冷壁高溫腐蝕現象的原因，筆者提出了若干技術改造措施：
（1）借鑒國外超臨界直流鍋爐水冷壁防高溫腐蝕工作的經驗，認為應當對鍋爐兩側墻燃燒器沖刷部位開展金屬噴涂工作，即在沖刷區域表面覆蓋一層金屬薄膜，如此能夠有效地強化水冷壁抗高溫腐蝕的能力。
（2）上文提及到，導致×電廠1號超臨界直流鍋爐水冷壁受到高溫腐蝕的原因有燃煤的硫含量過高，因此，電廠必須要使用更加環保、硫含量較低的燃煤。應當使用符合燃用設計要求的煤炭，當燃煤中硫含量發生變化時必須通過嚴謹的試驗來對燃燒器的配風強度加以確定。
?。?）電廠應當對鍋爐內部的湍流混合以及配風進行合理地強化，開展合理的燃燒空氣動力工況組織工作。與此同時，采取有效措施來防止超臨界鍋爐水冷壁受熱面溫度過高現象的發生，建議在受熱壁面附近噴涂質量合格的空氣保護膜。 （4）將燃煤粉末的吸毒控制在合理的范圍內，同時必須要確保各超臨界鍋爐各燃燒層間的煤粉的濃度處于均勻狀態。除此之外，還需要大力開展對鍋爐爐膛出口煙氣溫度的控制工作。
?。?）事實證明，鍋爐貼壁風速過高可能引發爐膛結焦現象，所以，有必要開展鍋爐制粉系統動力試驗及冷態一次風調平試驗，如此能夠最大程度地減少鍋爐氣流不平衡現象的發生幾率，同時還大幅度地降低了爐膛結焦現象的發生幾率。
?。?）針對超臨界鍋爐水冷壁受熱面在高溫環境下受酸、鹽等化學成分的腐蝕的情況，建議采用超音速電弧噴涂技術，如此不僅可以有效地延長超臨界直流鍋爐的使用壽命，極大地縮減鍋爐的后續維護成本，還能對噴涂材料進行有效地強化。就目前而言，中國的超音速電弧噴涂技術已較為成熟，所以在超臨界鍋爐水冷壁防腐蝕技術改造中應用超音速電弧噴涂技術是可行的。機械除渣、在工作面表面噴砂使工作面粗化、材料噴涂以及圖層封閉是超音速電弧噴涂工作的主要內容。
結語
結合鍋爐水冷壁的相關腐蝕實驗，利用高溫腐蝕的深入研究，可知煤種的含硫量超出相應標準，往往會導致鍋爐水冷壁發生高溫腐蝕，當燃料沒有得到充分燃燒后，鍋爐內部則會產生一定還原氣體，對鍋爐水冷壁起到催化作用，使其發生硫化反應，在此基礎上，進行防范對策的針對性研究，即保證燃料充分燃燒、降低還原氣體的存在、對硫化作用予以控制、防腐蝕相關材料的噴涂等，均可以防止鍋爐水冷壁出現高溫腐蝕問題，使其具有較高的安全性。
參考文獻：
[1]李廣偉，孫俊威，黃啟龍.600MW對沖燃燒鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因分析及對策[J].華電技術，2016，38（6）：43～46.
[2]黃偉，陳珣，黃志鴻.大型超臨界對沖燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因分析及對策[C].中國電機工程學會年會，2015.
[3]陳敏生.600MW超臨界鍋爐防止高溫腐蝕技術改造和運行調整改造燃燒系統降低對沖鍋爐側墻還原性氣氛[J].中國電力，2014，47（4）：9l-95.
[4]李敏，丘紀華，向軍等.鍋爐水冷壁高溫腐蝕運行工況的防腐模擬[J].中國電機工程學報，2012，22（7）：150—154.
[5]林敏杜，劉亞明.600MW超臨界鍋爐高溫腐蝕改造方案的數值模擬研究[J].廣東電力，2013，26（8）：9l一95.
[6]魯杰.鍋爐高溫腐蝕的原因分析及對策，化工生產與技術[J]，2015，22（1）：58
[7]齊慧濱，郭英倬，何業東，王德仁.燃煤火電廠鍋爐“四管”的高溫腐蝕，腐蝕科學與防護技術[J]，2012，14（2）：113-116.
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/1/view-14865144.htm
