燃煤锅炉系统空气预热器腐蚀行为及对策研究_邹建.pdf

60 收稿日期：作者简介：邹 建（），男，江苏如皋人，硕士，高级工程师，从事热能与动力工程、环保工程技术研究。燃煤锅炉系统空气预热器腐蚀行为及对策研究邹 建，李 强，江建军，杨小兵，褚红娟，周美慧，周剑秋（南通醋酸纤维有限公司，江苏 南通；南京工业大学 能源科学与工程学院，江苏 南京）摘 要：通过研究空预器的低温腐蚀、积灰行为，提出了降低 浓度、采用耐腐蚀材料、优化运行方案、加强吹灰管理等预防措施，以提高空预器的运行可靠性，确保锅炉机组能够长周期、安全稳定运行。关键词：空气预热器；低温腐蚀；积灰；酸露点中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；引 言在大型锅炉的尾部受热面中，空预器是重要的余热回收设备。燃煤锅炉空预器运行情况调研结果表明，有 以上的锅炉空预器出现不同程度的积灰、堵塞情况，导致空预器换热效率降低、机组运行能耗增加、烟尘污染物排放量增加，影响机组的经济性运行和污染物排放指标达标。空预器堵塞严重时，机组可能被迫降负荷运行，甚至不得不停机清洗，空预器腐蚀和堵塞已成为火电厂迫切需要解决的实际问题。大量研究表明，烟气中的 蒸汽遇冷凝结在锅炉尾部受热面造成低温腐蚀，因此，烟气温度低于 酸露点温度是造成低温腐蚀的根本原因，烟气中酸灰耦合作用是导致低温空预器尾部腐蚀、堵灰问题的关键。等建立了一个数值模型来研究烟气在三维翅片管表面的传热传质过程，预测酸露点温度和冷凝特性。和 对烟气流经空预器的硫酸冷凝过程进行了理论和实验研究，发现烟气中硫酸浓度在空预器入口区和低温段急剧下降。等通过燃煤电厂现场实验得出，烟气中水蒸气量、酸蒸汽量是影响空预器管束腐蚀积灰的关键因素。肖海平等研究了燃用高硫煤情况下煤粉炉内 的整体生成特性，结果表明 生成量排序为 催化剂 催化 飞灰 催化 气相生成。周霭琳通过人工加速腐蚀实验，对比研究了几种常用的锅炉尾部低温换热面材料的耐腐蚀性能，得出可采用耐腐蚀材料有效防止低温腐蚀的结论。空预器的腐蚀和积灰过程受多种因素共同影响，针对空预器运行过程发生这一问题的关键在于研究和分析低温腐蚀和积灰机理，并提出行之有效的解决方案，确保锅炉机组能够长节能环保DOI:10.16189/ki.nygc.2023.01.013 年，第 期 61 周期、安全稳定运行。因此，本文结合空预器在实际运行过程中的腐蚀、积灰行为，分析了低温腐蚀和积灰的影响因素，并提出针对性的解决方案。低温腐蚀、积灰行为通过对多台空预器调研后发现，在锅炉运行过程中，每四五个月就需停机检修一次，每三年需全面更换管束，每次停机检修都造成了巨大的经济损失。空预器低温腐蚀现状燃料在燃烧的过程中会生成 及少量，在 以下时会与水蒸气结合生成硫酸蒸汽，其他酸（盐酸、硝酸等）也以气态形式存在于烟气中。当受热面温度低于酸的露点温度时，酸蒸汽会冷凝在受热面上产生腐蚀，即低温腐蚀，造成设备泄漏（见图）。空预器的壁面温度越低，硫酸蒸汽凝结的概率越大，低温腐蚀越严重。此外，凝结在管壁的硫酸溶液还会吸引烟气中的飞灰，导致空预器堵塞，降低设备的传热效率。图 空预器换热段（碳钢）腐蚀情况 低温腐蚀和积灰机理虽然烟气中的硫酸蒸汽浓度仅有 ，但是酸露点温度可以达到 ，甚至更高。低温腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀，是一个多阶段的过程，具体反应如下：（）（）（）（）（）硫酸溶液与金属管壁反应，生成（）和 等腐蚀产物，并与飞灰结合生成酸性黏结灰。当沉积灰中含有过量酸时，沉积灰层相对潮湿柔软，此时可吹灰清除。但积灰导致设备换热能力下降、排烟温度升高，灰层中的硫酸溶液受热蒸发，积灰呈紧密的水泥状质地，并不断增长，难以再用吹灰的方式清除。腐蚀 积灰耦合作用所带来的危害，高于两者的简单叠加，积灰使得受热面壁温降低，凝结更多的硫酸溶液，加速腐蚀的同时粘结更多飞灰。酸露点预测模型迄今为止，由于直接测试技术尚存在一定难度，国内对确定烟气酸露点的主流意见，是根据煤质或 浓度进行计算。黄荣华等基于燃煤锅炉实际输入条件，使用多种公式进行计算，认为前苏联 版计算公式较为准确。所以，本文以此作为参考，计算燃煤锅炉的烟气酸露点，公式如下所示：（）（），（），（）（）（）（）（）（）式中：为为烟气中纯水露点，；为系数，与炉膛出口过剩空气系数 有关，时，时，一般工程计算中可取 ；为 的排放系数，表征燃烧过程的部分可燃硫与灰中碱金属氧化物结合而转变为不燃硫，使实际 排放量低于燃烧计算值；为燃料折算硫分，；为指数，表征飞灰含量对酸露点影响的程度；为飞灰份额，对煤粉炉；为燃料折算灰分，；为燃料硫分，；为燃料灰分，；，为燃料收到基低位发热量，；为煤灰的碱度；（）、（）、（）为灰中氧化钙、氧化镁和氧化铁的质量百分数，。实例分析该工程燃用煤种燃料特性如表 所示，低位发热量为 ，空预器出口过剩空气系数为 ，烟气中水蒸气分压为 ，环境大气压力考虑到海拔修正后取 ，假设节能环保 62 有转化为，受热面出口压力为 。经过计算，得出该实际工程下的烟气酸露点为 。表 煤种特性分析煤质成分 研究表明，影响酸露点的最主要因素是烟气中水蒸气分压和燃煤含硫量，一般情况下，燃煤锅炉尾部烟道中水蒸气的分压为 ，工程用煤的含硫量大约为 ，收到基灰分为 。相比于燃油锅炉，燃煤锅炉的飞灰的脱硫能力主要取决于灰中碱性氧化物 的含量，大约为 。因此，本文在原有条件的基础上，研究燃煤硫分、水蒸气分压、收到基灰分和 含量对酸露点的影响。图 烟气酸露点随硫分和灰分的变化关系图 为 含量时，烟气酸露点随硫分和灰分的变化关系。由图可以看出，在 、和 四种收到基灰分情况下，硫分由 增长至 时，烟气酸露点急剧提高至 左右。因此，选用工业燃煤的含硫量应尽量低于。燃煤收到基灰分越低，酸露点温度增幅越大，灰分为 时，酸露点增幅。飞灰中的碱性氧化物会吸收或中和烟气中的，还会与 反应生成，从而降低 浓度。图 烟气酸露点随燃煤硫分和水蒸气分压的变化关系 图 反映了水蒸气分压对烟气酸露点的影响，水蒸气分压由 变化至 ，不同燃煤硫分下，酸露点温度均上升 左右。烟气中水蒸气含量增加，与 结合后生成更多的硫酸蒸汽，加速了低温腐蚀。所以应尽量降低烟气含湿量，可采用低含水量的煤种，每次使用水蒸气吹灰器之前，预热管道并排空冷凝水。图 烟气酸露点随 含量的变化关系图 反映了收到基灰分为 、硫分为 时，烟气酸露点随 含量的变化关系。随着 含量的增加，烟气酸露点不断下降，并逐渐趋于平缓（）。图 以实际工程作为基准，发现在燃料硫分含量较高时，对烟气酸露点的作用效果更明显。因此，针对高硫分煤，可以将燃煤与适量 混合后再投入炉膛燃烧，以降低烟气酸露点。投放的 含量不宜过高，存在最佳范围，既可以有效降低烟气酸露点温度，又节能环保 年，第 期 63 不影响炉膛燃烧，加重尾部烟道管束磨损和积灰。图 不同硫分下 的作用效果 工艺预防措施上文分析了空预器发生低温腐蚀和积灰的各种原因，为提高能源利用效率、保证锅炉机组安全运行，提出以下针对性解决方案。降低 浓度燃料硫分和飞灰中碱性氧化物均是通过影响烟气中 浓度，导致酸露点变化。在煤燃烧过程中，对酸露点的影响很小，在相当大的浓度范围内，酸露点的波动不超过，但是 对酸露点的影响很大。除了前文中提及的使用低硫煤、采用适量 与煤混燃外，通过对锅炉运行过程的进一步分析，提出以下针对性措施：）由于 转化为 是放热反应，随着锅炉负荷降低，炉内温度下降，转化率升高。当锅炉低负荷运行时，应及时投入吹灰器连续吹灰。）烟气中含氧量增加会导致 转化为 的平衡反应正移，低含氧量下，烟气中 浓度升高，会抑制 的生成。因此，需合理调节燃烧进风量，在锅炉尾部烟道安装氧浓度监测点，实时监测，确保锅炉适氧燃烧。）目前最常用的脱硝催化剂的主要活性成分为，在脱硝系统中逃逸到烟气中，会催化 转化为，加装 脱硝工艺后，烟气中的 的浓度增加了 倍，空预器堵塞呈现加重加快的趋势。所以需优化 脱硝系统，降低 的逃逸量，研发高效高选择性催化剂。低温受热面采用耐腐蚀材料为了节约成本，锅炉尾部受热面一般采用 号钢。硫酸蒸汽遇冷沉积，造成严重的低温腐蚀。国内部分电厂对低温受热面采用镀搪瓷处理，以减轻管束的腐蚀和磨损，但是搪瓷管易出现瓷釉脱落、换热能力不足等问题。因此，本研究选用价格便宜且抗硫酸腐蚀效果较好的 钢（）作为设备冷端耐腐蚀用钢，并对其进行实验研究，检验其能否满足空预器冷端耐腐蚀钢的选材要求。试样选取的 钢化学成分如表 所示。试样选取应尽可能满足实际需求与试验环境，其尺寸与形状由试验容器和被试材料的初始条件决定。因此，选取如图 所示的三份 钢试样，试验前用砂纸去除其原始金属表面层。表 试样的化学成分元素含量 图 钢腐蚀试验选用试样图 钢腐蚀试验过程整个试验过程如图 所示。搭建如图（）所示的试验台，将试样置于图（）所示充分洗涤节能环保 64 过的实验容器中。本试验采用 标准，对 钢进行实验室均匀腐蚀全浸试验，模拟沉积在管壁上的硫酸溶液腐蚀能力最强的情况，组样本同时进行试验，确保试验结果的准确性。试样浸入质量分数为 的硫酸溶液中，采用恒温水浴的方式，在 的环境温度下浸泡 小时。到达规定时间后取出，用毛刷等擦去腐蚀产物，并用超声波清洗，随后进行称重。试验结果如表 所示。表 腐蚀试验结果试验样本实验前质量 试验后质量 腐蚀速率 钢 钢（）试验结果表明，钢在 的硫酸溶液中浸泡 小时，平均腐蚀速率为 ，满足耐腐蚀钢的选材要求。钢在腐蚀过程中，其表面形成一层富含、等元素的钝化膜，具有抗硫酸腐蚀能力。空预器冷端材料更换为 钢后，维修周期延长至 个月，平均使用寿命较 号钢提高 倍以上，利于设备的稳定运行。但是更换 钢材料，只是延长了维修周期，并未真正解决空预器的腐蚀问题。所以，还需要优化锅炉的运行方式，减少硫酸蒸汽的沉积，从根源减轻空预器的低温腐蚀。优化运行方案低温腐蚀产生的原因是空预器冷端壁温低于烟气酸露点，硫酸蒸汽遇冷凝结，造成金属腐蚀，若提高空预器冷端壁温，腐蚀势必会减弱。目前，一般采用投入暖风器、开大热风再循环等方式预热环境空气，提高空预器冷端壁温。暖风器利用热蒸气加热冷空气，降低了机组的运行效率，而且安装在风道中，增加了一、二次风机的耗电量。如果出现汽、水泄露，不仅会加重空预器的腐蚀、积灰，还会影响锅炉的燃烧效率。因此，从前置预热空气、提高冷端壁温、防止低温腐蚀的角度出发，需要提出更节能、更行之有效的方案。因此，本文提出分离式热管换热器和空预器配合工作的方案，如图 所示。将分离式热管蒸发段安装在烟气出口处，用于吸收烟气余热；分离式热管的冷凝段放热，加热流经的空气，以此达到预热空气的目的。分离式热管换热器烟气侧采用椭圆热管结构，椭圆热管传热效率高、烟气压降低、耐腐蚀和磨损、不易积灰，用于烟气侧可有效减缓管束腐蚀和积灰；空气侧采用螺旋翅片圆形热管结构，以提高管壁与空气的换热效率。分离式热管换热器具有壁温均匀、管内工质不易泄露、整体安全系数高以及工作温度范围宽等优点，适用于电厂空预器低温烟气的余热利用以及有特殊要求的设备当中。图 设备优化方案示意图烟气进口烟道；热管蒸发段；热管冷凝段；冷凝段螺旋翅片圆形热管束；冷凝液下降管；蒸气上升管；蒸发段椭圆热管束；温度计；压力计；排气阀分离式热管换热器利用空预器出口烟气来加热环境空气，可以提高空预器冷端壁温，减缓低温腐蚀和积灰，既达到前置预热空气的作用，又避免“暖风器”的不足，实现低温烟气余热回收利用。该系统适用范围广，可以应用于不同类型的工业锅炉。加强吹灰管理在锅炉机组运行时，应随时关注空预器的压差，若发现空预器压差有增大的趋势，应及时进行吹灰处理。在锅炉低负荷运行时，应及时投入空预器连续吹灰。锅炉机组加装 系统后，生成的硫酸氢氨与水蒸气凝结，在溶液状态下呈现黏稠状质地，极易捕捉烟气中的飞灰，附着在换热器表面之后呈现出既黏又硬的特性。此时蒸汽吹灰的效果并不明显，需要及时用水冲洗或加装新型高效除灰器。结 论基于低温腐蚀行为和酸露点预测模型，研究节能环保 年，第 期 65 了燃煤收到基灰分、收到基硫分、灰中 含量对酸露点的影响，实验验证了 钢的耐腐蚀性能，优化了环境空气预热方案，得出