對生物質鍋爐水冷壁管高溫腐蝕的分析

吳新建++殷飛

摘 要：某公司鍋爐為無錫華光鍋爐股份有限公司設計生產的秸稈直燃爐排爐，為國內第一臺自主設計的高溫高壓秸稈爐排爐。鍋爐自2008年6月投入商業運行，鍋爐受熱面已有不同程度的減薄，本文主要針對腐蝕情況進行分析、制定防腐措施。

關鍵詞：生物質鍋爐；水冷壁；高溫腐蝕

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.003

1 前言

某公司鍋爐為無錫華光鍋爐股份有限公司設計生產的秸稈直燃爐排爐，為國內第一臺高溫高壓秸稈爐排爐。煙氣流向采用四回程“M”型，鍋爐布風由兩部分組成：一次風從二側墻爐排下各分三個風管送入風室，再經過爐排上的風孔進入爐膛。風室中有隔板分隔成六個獨立的風室，進風管上設有調節擋板，可根據燃料和燃燒情況進行調節。二次風布置在前、后墻爐拱處，在爐排的上方，前墻布置了三層二次風，后墻布置了三層二次風。二次風管上裝有可調風門。鍋爐自2008年6月投入商業運行，經過5年多的運行，鍋爐受熱面已有不同程度的減薄。

2 鍋爐腐蝕情況

從鍋爐歷年生產情況可以看出，隨著機組利用小時的增加，鍋爐滿負荷運行的時間越來越長，爐膛溫度長期850℃--950℃之間運行，火焰中心正對著后墻水冷壁。2012年6月后墻水冷壁第一次出現泄漏，檢查發現壁厚在3.0mm左右，已接近水冷壁管的極限值。

從后拱拱尖水冷壁測厚記錄看出，后墻水冷壁中間區域腐蝕速度較快，兩側腐蝕速度較慢，2012年更換以后，2年內管壁減薄了大約2mm，腐蝕速度大約為1mm/年，但在后拱三通向上，正對火焰面處最薄只有2.3 mm左右，腐蝕速度達到1.3mm/年。

2014年對水冷壁檢查時發現水冷壁腐蝕減薄嚴重，同時檢查發現爐膛火焰中心區域四周水冷壁均存在嚴重減薄現象，水冷壁表面覆蓋一層堅硬的腐蝕產物，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。

對水冷壁測厚發現，爐膛火焰中心四周部位水冷壁管減薄嚴重，各墻角部位減薄稍低，即減薄中間多兩側少的特點。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（標高8m）至屏過人孔門處（標高17m），在左右側墻拱尖上下4米區域尤為嚴重，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合作用的結果。

生物質燃料的成分復雜，通過對燃料化驗分析得出，燃料可燃成分中硫分較低、Cl含量較高，還含有K、F等。灰成分中K、Na含量高，Mg含量高，鋁成分較低。對管外腐蝕垢樣進行了元素成分分析，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下的堿金屬氯化物灰粒接觸到水冷壁凝結下來，并在水冷壁上不斷生長、積聚而成，沉積物對管子造成嚴重的腐蝕。

對水冷壁腐蝕的垢樣成分進行分析，可確定為堿金屬氯化物的熔融腐蝕。水冷壁腐蝕外觀表現外壁氧化膜破裂剝落，腐蝕沿著晶界向內延伸。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作用，造成比較嚴重的高溫腐蝕。

在生物質燃燒過程中，大量的氯、硫元素與揮發性的堿金屬元素以蒸氣形態進入到煙氣中，通過反應形成微米級顆粒的堿金屬氯化物，凝結和沉積在溫度較低的高溫受熱面管壁上。凝結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生氧化還原反應，氯化鐵在管壁垢層溫度高于315℃時發生氣化，向煙氣側擴散，導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行氧化反應，生成新的氧化膜。反應過程周而復始，使得受熱面管壁的厚度不斷減少。

堿金屬硫酸鹽化學反應中會產生氯氣的過程發生在積灰層，在靠近金屬表面會聚集濃度非常高的氯氣，其濃度遠高于煙氣中的氯氣。在整個腐蝕過程中，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，金屬氧化物連續沉積，形成多孔疏松的腐蝕膜，最終導致了嚴重的腐蝕。

硫化物型腐蝕主要發生在火焰沖刷管壁的情況下，這個腐蝕過程在350℃及其以上溫度時進行得很迅速，這恰是高壓鍋爐水冷壁的溫度范圍。受爐型限制，在爐拱下方區域為火焰中心，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，形成強堿性灰垢，使周圍煙氣溫度居高不下，煙氣里的灰周而復始的黏附，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

針對水冷壁腐蝕嚴重的現象，公司邀請專家們現場查看，通過取樣分析，認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，對爐排振動速率進行優化調整，適當增大振動頻率，減輕爐排振動幅度；（2）對爐膛出口煙氣O2濃度控制進行適當優化，提高燃料的燃盡率，降低爐膛煙氣溫度水平；（3）提高一、二次風氣流速度，破壞氯氣的高濃度聚集；（4）對明顯存在高溫腐蝕區域的水冷壁管更換為合金鋼管；（5）提高水冷壁材質，將前后墻、側墻水冷壁腐蝕段水冷壁材質由20G提高至15CrMoG。

5 計劃采取的措施

（1）對向火面進行防磨防腐噴涂；（2）添加堿金屬阻垢劑，抑制低熔點的堿金屬氯化物（KCl和NaCl）的生成，形成高熔點的堿金屬復合鹽，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耐火澆注料，避免高溫煙氣與水冷壁管直接接觸，降低水冷壁管表面溫度。

參考文獻：

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