燃煤電廠低溫酸腐蝕成因及防治措施研究

王花（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400011）

燃煤電廠低溫酸腐蝕成因及防治措施研究

王花（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400011）

燃煤電廠低溫酸腐蝕是影響電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一大問(wèn)題，本文分析了燃煤電廠低溫酸腐蝕的形成原因，研究了煙氣酸露點(diǎn)的預(yù)測(cè)方法，探討了影響煙氣酸露點(diǎn)的因素，并提出了防治燃煤電廠低溫酸腐蝕的措施，對(duì)燃煤電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

燃煤電廠；低溫腐蝕；防治措施

近年來(lái)，電力工業(yè)快速發(fā)展，但燃煤發(fā)電在今后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將是我國(guó)主要電力來(lái)源。根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，截止2015年底，我國(guó)燃煤電廠裝機(jī)容量達(dá)9.5億MW。盡管各燃煤電廠紛紛采取措施降低煙氣中硫氧化物的含量，但燃煤電廠低溫酸腐蝕仍是影響燃煤電廠正常運(yùn)行的一大問(wèn)題，隨著煙氣酸露點(diǎn)的提高，煙氣中大量的硫酸蒸汽將凝結(jié)在低溫設(shè)備表面，造成設(shè)備壁面金屬的腐蝕和破壞。[1-3]燃煤電廠低溫酸腐蝕常發(fā)生在省煤器壁面、空預(yù)器壁面、煙氣換熱器（GGH）及煙道壁面等。不僅影響電廠的安全運(yùn)行，同時(shí)增加了電廠運(yùn)行成本，導(dǎo)致電廠效益降低。

鑒于此，本文分析了燃煤電廠低溫酸腐蝕的成因，在此基礎(chǔ)上研究了酸露點(diǎn)的預(yù)測(cè)方法，進(jìn)一步探討了影響煙氣酸露點(diǎn)的因素，并提出了防治燃煤電廠低溫酸腐蝕的措施，對(duì)燃煤電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

1 低溫酸腐蝕成因分析

煤粉在鍋爐爐膛內(nèi)燃燒，煤中的硫分與空氣中氧氣反應(yīng)生成二氧化硫，生成的二氧化硫在高溫作用下（1000℃左右）氧化為三氧化硫，轉(zhuǎn)化率約有1%～1.5%，氧化生成的三氧化硫與煙氣中的水蒸氣生成硫酸蒸汽。煙氣因硫酸蒸汽的存在，酸露點(diǎn)提高，由于空預(yù)器的壁面溫度常低于煙氣酸露點(diǎn)，硫酸蒸汽附著在空預(yù)器表面，造成硫酸腐蝕。若煤粉中硫分含量高，導(dǎo)致煙氣三氧化硫濃度高，煙氣酸露點(diǎn)增高，當(dāng)省煤器給水溫度低時(shí)，省煤器管道也會(huì)發(fā)生低溫酸腐蝕。

此外，由于目前燃煤電廠使用SCR脫硝裝置和石灰石濕法脫硫裝置，SCR催化劑會(huì)促使SO2向SO3轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)化率約1%～1.5%），石灰石漿液系統(tǒng)及石膏漿液的排出處理系統(tǒng)中也含有大量的Cl-、F-、SO32-、SO42-等離子以及一些固體顆粒物，由于脫硫系統(tǒng)中水循環(huán)使用，Cl-離子在漿液中逐漸富集，腐蝕吸收塔。

2 煙氣酸露點(diǎn)計(jì)算

鍋爐的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，需要考慮鍋爐效率和運(yùn)行的安全可靠性，其中排煙溫度影響較大。根據(jù)研究表明，鍋爐排煙溫度越高，排煙損失越大，鍋爐效率越低，排煙溫度每升高15～20℃，鍋爐熱效率大約降低1%。當(dāng)排煙溫度過(guò)低時(shí)，鍋爐受熱面壁溫低于酸露點(diǎn)，導(dǎo)致受熱面受低溫酸腐蝕，影響鍋爐安全運(yùn)行。鑒于此，鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)預(yù)算鍋爐煙氣酸露點(diǎn)，控制鍋爐排煙溫度高于煙氣酸露點(diǎn)。工程上，主要考慮燃料組成、灰分影響和燃燒環(huán)境等因素計(jì)算煙氣酸露點(diǎn)，應(yīng)用較多的有[4]：

1974年，美國(guó)學(xué)者Verhoff等通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合，提出了酸露點(diǎn)計(jì)算公式：

式中，pSO3為煙氣中SO3氣體分壓，atm；pH2O--為煙氣中水蒸氣分壓，atm。

Halstead總結(jié)了前人實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，以常用燃料燃燒形式的水蒸氣體積含量11%為基準(zhǔn)，重新計(jì)算得出了酸露點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)煙氣中水蒸氣體積含量的變化，調(diào)整酸露點(diǎn)的溫度。賈明生在此基礎(chǔ)上，采用計(jì)算軟件擬合出了酸露點(diǎn)計(jì)算公式：

式中：VH2SO4為煙氣中硫酸的體積百萬(wàn)分率。

3 影響酸露點(diǎn)的因素

煙氣酸露點(diǎn)影響因素主要有：煙氣中的H2SO4蒸汽含量、H2O蒸汽含量、、燃料組成、灰分影響、燃燒環(huán)境等。

3.1 燃料硫含量和燃燒方式

煙氣中硫來(lái)自燃料中的硫分氧化，因此，煙氣中SO3的形成與燃燒設(shè)備和燃燒條件緊密相連。燃燒后的煙氣中，盡管SO2的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SO3，但在接近露點(diǎn)溫度時(shí)，煙氣中SO3幾乎完全溶解于水，形成硫酸蒸汽，而SO2在煙氣中卻只有極少能溶解于水形成亞硫酸蒸汽，即煙氣中亞硫酸蒸汽的分壓接近于零，即煙氣中SO2對(duì)酸露點(diǎn)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SO3。西安熱工院電廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)燃料中的含硫量增加時(shí)，不論是哪種燃燒方式，酸露點(diǎn)溫度都會(huì)增加；但含硫量相同時(shí)，不同的燃燒方式其酸露點(diǎn)溫度也不同。

3.2 過(guò)量空氣系數(shù)

SO2氧化SO3為是一個(gè)互為逆反應(yīng)的過(guò)程，當(dāng)氧氣濃度大時(shí)（即過(guò)量空氣），平衡向生成SO3的方向移動(dòng)，根據(jù)反應(yīng)平衡因素影響研究表明：煙氣的溫度越低，由SO2轉(zhuǎn)化為SO3比例會(huì)越大；相同的煙氣溫度下，過(guò)量空氣系數(shù)越大，由SO2轉(zhuǎn)化為SO3比例也會(huì)越大。此外，酸露點(diǎn)隨SO3的體積含量的增加而增加。因此，在保證鍋爐爐膛內(nèi)充分燃燒的前提下，采用低過(guò)量空氣系數(shù)，可以減少SO3生成量，降低煙氣中SO3的分壓，從而降低煙氣酸露點(diǎn)。

3.3 煙氣中水蒸汽

煙氣中水蒸汽的濃度愈大，水蒸汽的分壓力也愈大。研究表明：酸露點(diǎn)隨水蒸汽分壓增加而增加。因此，煙氣中水蒸汽的濃度越大，煙氣酸露點(diǎn)越高。

3.4 飛灰或受熱面結(jié)構(gòu)及積灰的影響

煙氣中飛灰對(duì)煙氣酸露點(diǎn)的影響主要有兩個(gè)方面。一方面，在低溫?zé)煔鈼l件下，鍋爐管子表面和煙道表面的鐵銹Fe2O3及飛灰中Fe2O3、V2O5等成分充當(dāng)催化劑，促進(jìn)SO2繼續(xù)氧化成SO3，增加了煙氣中SO3的濃度。另一方面，未燃盡的碳顆粒、鈣鎂等氧化物以及Fe3O4等具有一定吸附作用，能吸收中和煙氣中的SO3。而飛灰的數(shù)量、成分和形態(tài)等與燃料及燃燒方式有關(guān)，研究結(jié)果表明：飛灰的吸收中和作用大于催化作用，因此，煙氣中飛灰的存在降低了煙氣中SO3的分壓，降低煙氣酸露點(diǎn)。

3.5 燃料種類(lèi)

對(duì)于燃油鍋爐，燃料中的硫分燃燒后主要形成SO2和少量SO3，而燃煤鍋爐燃料燃燒后部分硫分將形成FeS或其他形式存在于灰分中。當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生腐蝕，且溫度越高腐蝕越快，所以當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)溫度時(shí)，煙氣溫度越高腐蝕越嚴(yán)重。根據(jù)燃油機(jī)組及燃煤機(jī)組煙氣酸露點(diǎn)溫度和腐蝕率關(guān)系的研究表明：燃煤機(jī)組腐蝕程度小于燃油機(jī)組，且燃煤機(jī)組的腐蝕率隨酸露點(diǎn)溫度的增加而減小，但是燃油機(jī)組的腐蝕率隨露點(diǎn)溫度的增加先增加后減小，在相同含硫量情況下，燃油煙氣的酸露點(diǎn)高于燃煤煙氣酸露點(diǎn)。

3.6 其它影響因素

煙氣酸露點(diǎn)影響因素較多，除以上分析的影響因素外，煙氣的壓力、煙氣在爐膛內(nèi)停留時(shí)間、爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均以及空氣預(yù)熱器漏風(fēng)處造成局部溫度偏低等都能在一定程度上影響煙氣酸露點(diǎn)。

4 低溫酸腐蝕防治措施

4.1 摻燒低硫煤

煤中的含硫量對(duì)煙氣中的濃度有直接影響，含硫量越低，煙氣酸露點(diǎn)越低，因此可進(jìn)行不同比例的低硫煤摻燒，但摻燒低硫煤的可行性取決于電廠的具體情況，需考慮長(zhǎng)期的低硫煤、設(shè)備的磨損等問(wèn)題。

4.2 爐內(nèi)噴堿性吸收劑

SO3是一種酸性氣體，可通過(guò)向爐內(nèi)噴射一定量的堿性吸收劑，脫除燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的SO3。降低爐膛出口煙氣硫氧化物的濃度，同時(shí)也能中和已凝結(jié)在受熱面上的硫酸，使受熱面上的沉積物變成松灰。美國(guó)電廠運(yùn)行結(jié)果表明，當(dāng)Mg∕SO3摩爾比為7時(shí)，SO3的脫除效率可達(dá)90%。

4.3 提高受熱面壁溫

降低低溫腐蝕，可適當(dāng)?shù)奶岣呤軣崦娴谋跍兀瑴p少壁面硫酸蒸汽凝結(jié)量。由于提高壁溫會(huì)使得排煙溫度提高，導(dǎo)致鍋爐排煙損失增加，鍋爐效率降低。因此，在適當(dāng)提高受熱面壁溫的同時(shí)，盡可能是鍋爐的在額定工況附近運(yùn)行。

4.4 降低過(guò)量空氣系數(shù)

根據(jù)化學(xué)平衡原理，過(guò)量空氣系數(shù)越大，SO2轉(zhuǎn)化為SO3比例也會(huì)越多。因此，在鍋爐燃燒過(guò)程中可以適當(dāng)降低過(guò)量空氣系統(tǒng)，研究表明：以超稀空氣狀態(tài)燃燒，在一定程度上增加了化學(xué)不完全燃燒損失，但降低了排煙損失，且有效的降低了多種污染物的排放量，環(huán)境效益明顯。[5]

4.5 其他措施

其他降低燃煤電廠低溫酸腐蝕的措施有采用抗腐材料、定期清灰、安裝獨(dú)立SO3脫除裝置等。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合目前燃煤電廠普遍存在的低溫酸腐蝕問(wèn)題，本文分析了低溫酸腐蝕的形成原因，研究了煙氣酸露點(diǎn)的預(yù)測(cè)方法，探討了影響煙氣酸露點(diǎn)的因素，在此基礎(chǔ)上，提出了防治燃煤電廠低溫酸腐蝕的措施，對(duì)燃煤電廠有效地防治低溫酸腐蝕、安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]馮華.燃煤鍋爐低溫受熱面酸性腐蝕的探討[J].科技資訊,2009,31(7):51-51.

[2]趙立章.燃煤鍋爐低溫受熱面發(fā)生酸性腐蝕的原因分析[J].工業(yè)鍋爐,2001,23(6):45-47.

[3]周靄琳.低溫?fù)Q熱器系統(tǒng)的腐蝕積灰試驗(yàn)研究[D].浙江大學(xué),2015.

[4]王花.火電廠脫硫裝置酸腐蝕現(xiàn)象的研究[D].重慶大學(xué), 2010.

[5]張建中.燃煤煙氣降溫除塵過(guò)程中SO3濃度的濃淡分離現(xiàn)象及對(duì)酸露點(diǎn)溫度影響的分析[J].鍋爐技術(shù),2015,46(3):12-18.