一臺生物質發電鍋爐的過熱器管高溫腐蝕分析

韋震高，朱 霖，魏玉偉，陳偉崇，方新良

（1.廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院，廣西 南寧530219；2.廣西南寧會當節能技術有限公司，廣西 南寧530031）

生物質發電項目在全國發展速度極快。廣西擁有2.26億畝林地，人工林、速豐林、經濟林、商品林均居全國第1位，是名副其實的林業資源大省（自治區），相應木材加工行業產生的樹皮、刨花、邊條、木屑等加工廢棄物數量眾多，促使廣西工業及發電鍋爐大量利用生物質燃料發電[1]。但隨著生物質直燃鍋爐參數的提高，鍋爐過熱器管常出現嚴重的高溫腐蝕現象[2]，全國遇到了幾乎一致的過熱器管高溫腐蝕問題，但其腐蝕機理不同于燃煤鍋爐[3]。本文結合廣西的林業條件對生物質發電鍋爐燃料種類的影響，對一臺使用桉樹皮燃料的電站鍋爐高溫過熱器管腐蝕情況進行分析探討，并結合檢驗過程中的大量實際經驗，綜合可行性、經濟性、安全性方面的考慮，提出了將12Cr1MoVG低合金耐熱鋼更換為12Cr1MoVG+TP347異種鋼材質的處理方案，對廣大已運行的生物質發電鍋爐具有重要的參考價值。

1 情況概述

廣西某生物能源有限公司于2011年安裝一臺型號為HX170/10.5-Ⅳ1生物質發電鍋爐，鍋爐額定蒸發量為170 t/h，額定過熱蒸汽壓力為10.5 MPa，額定過熱蒸汽溫度為525℃，設計給水溫度為165℃，設計進風溫度為80℃。鍋爐為單汽包自然循環、全懸吊膜式水冷壁、固定爐排、平衡通風、Π型結構。鍋爐由前部及尾部兩個豎井煙道組成，前部豎井上部為懸吊膜式水冷壁，下部燃燒區域為支承結構護板爐墻，爐底采用固定爐排，尾部豎井為支承結構，豎井內交叉布置省煤器及管式空氣預熱器。前后豎井之間通過水平煙道連接，水平煙道內依次布置中溫過熱器、高溫過熱器和低溫過熱器，上述三種過熱器管均為垂直式蛇形管，其后布置對流管束。其中，高溫過熱器管材質為12Cr1MoVG，規格為Φ42×5 mm。

該鍋爐自投產運行以來，由于高溫過熱器外表面腐蝕嚴重，每2～3年即需要大面積更換一次高溫過熱器管，在2018年11月對該爐子進行的內部檢驗過程中，再次發現高溫過熱器管外表面存在明顯的高溫腐蝕現象（見圖1），據使用單位描述，該爐管僅剛剛更換使用1年。

圖1 高溫過熱器管外表面高溫腐蝕照片

為便于分析腐蝕原因，查閱了使用單位該鍋爐的運行記錄，記錄顯示高負荷運行期間爐膛出口（中溫過熱器前）煙氣溫度平均值約為769℃，中溫過熱器后（高溫過熱器前）煙氣溫度平均值約為701℃，高溫過熱器后（低溫過熱器前）煙氣溫度平均值約為644℃。

另外對該鍋爐使用的生物質燃料及飛灰進行了取樣化驗，化驗結果見表1。Vassilev等學者對各類典型的生物質燃料特性已經做了詳細研究[4]，典型的桉樹皮灰成分數據如表2所示。綜合表1、表2數據可知，生物質樹皮燃料為一種高濕低硫低熱值的燃料，灰分含量較燃煤低但高于生物質成型顆粒、木柴、蔗渣等其他廣西常見的生物質燃料，燃料中導致灰結渣積灰和腐蝕的有關元素[5]有 Si、K、Na、S、Cl、P、Ca、Mg、Fe。

表1 生物質燃料化驗數據

表2 桉樹皮灰成分數據

2 腐蝕原因分析

我國印佳敏[6]、劉博[2]等學者對生物質鍋爐過熱器管材的高溫腐蝕特性進行了研究，國外Vassilev[4]等學者也從生物質燃料成分分析的角度入手以期探索生物質對管材高溫腐蝕的根源，目前普遍認為腐蝕來源集中于堿金屬元素與低合金耐熱鋼材質的化學反應機理上，與金屬表面的溫度關系較為密切，但與鍋爐的水介質側的工況、鍋爐燃料的燃盡性、鍋爐的運行配風情況關系均不明顯，故本文僅針對材料成分的化學反應層面進行分析。

生物質燃料中Cl、K含量較高而含S量極少，因此燃用生物質鍋爐的腐蝕主要與KCl在受熱面（主要是過熱器部分）表面的沉積有關。堿金屬的氯化物（KCl及少量的NaCl）可存在于煙氣中，并在過熱器管表面凝結，與Fe及其它元素一起形成低熔點、強腐蝕性的含堿金屬的復合鹽。

綜合該鍋爐高負荷運行期間的煙溫數據及高溫過熱器管中的蒸汽溫度數據，認為該鍋爐的高溫過熱器管外表面已經具備生物質堿金屬高溫腐蝕的條件，其腐蝕過程如下：

（1）堿金屬氯化物形成

生物質中的氯、硫元素與鉀、鈉等堿金屬元素在燃燒后以蒸氣形態存在在煙氣中，并通過均相反應形成微米級顆粒的堿金屬氯化物，最終凝結和沉積在溫度較低的高溫過熱器管壁上。

（2）堿金屬氯化物向硫酸鹽轉變

凝結和沉積在管子外表面的堿金屬氯化物（包括氯化鈉和氯化鉀，以RCL表示）與二氧化硫發生硫酸鹽化反應，通過反應方程式（1）生成氯氣。

堿金屬硫酸鹽化反應產生的氯氣從積灰層逸散，所以金屬表面附近氯氣濃度非常之高，由于部分氯氣是游離態，能夠穿過多孔狀垢層并）與鐵發生反應，其反應式如式（2）所示。

（4）FeCl2與 O2反應

FeCl2熔點僅為280℃左右，而實際高溫過熱器管外壁溫度可達600℃以上，此時FeCl2發生氣化并穿透積灰向煙氣方向擴散。煙氣側的O2濃度較高，在氧化性氣氛條件下FeCl2將與O2發生反應，反應式如式（3）～（5）所示，反應生產的 Cl2能夠擴散到金屬與腐蝕層的交界面上與金屬再次發生反應。

在整個腐蝕過程中，Cl元素起到了催化劑的作用，將Fe元素從金屬管壁上置換出來，最終導致了嚴重的腐蝕。此外，合金鋼中的鉻Cr元素的化學反應機理與Fe元素相同。

3 處理建議

（1）由于12Cr1MoVG材料在高溫下對堿金屬高溫腐蝕的耐腐蝕性較差[6]，而TP347材質的高溫過熱器管則已在國內多個生物質發電廠有使用案例，并表現出了較好的耐腐蝕性。建議使用單位在下次鍋爐檢修期間整組更換高溫過熱器管，同時考慮到更換成本及現場的施工質量，可采購帶有出廠異種鋼焊口的12Cr1MoVG+TP347的過熱器管組，其中TP347材質部分暴露與煙道煙氣之中，而12Cr1MoVG材質部分用于頂部穿墻位置，方便現場與集箱管接頭施焊。

（2）考慮到該使用單位為某糖業集團下的能源公司，建議在鍋爐高負荷運行期間盡量使用蔗渣作為燃料，在低負荷期間由于爐膛溫度及各級煙溫均大幅下降，高溫過熱器管的腐蝕情況也會相應得到緩解。

4 結束語

（1）HX170/10.5-Ⅳ1 鍋爐高溫過熱器管外表面在運行過程中經歷了堿金屬氯化物形成、堿金屬氯化物向硫酸鹽轉變、Cl2與Fe元素反應、FeCl2與O2反應等過程，最終導致管子外表面的嚴重腐蝕。

（2）建議使用單位將12Cr1MoVG材質的高溫過熱器管更換為帶有出廠異種鋼焊口的12Cr1MoVG+TP347的過熱器管，以增強高溫過熱器的耐腐蝕性。