一臺(tái)生物質(zhì)發(fā)電鍋爐的過(guò)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(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧530219；2.廣西南寧會(huì)當(dāng)節(jié)能技術(shù)有限公司，廣西 南寧530031）

生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目在全國(guó)發(fā)展速度極快。廣西擁有2.26億畝林地，人工林、速豐林、經(jīng)濟(jì)林、商品林均居全國(guó)第1位，是名副其實(shí)的林業(yè)資源大省（自治區(qū)），相應(yīng)木材加工行業(yè)產(chǎn)生的樹(shù)皮、刨花、邊條、木屑等加工廢棄物數(shù)量眾多，促使廣西工業(yè)及發(fā)電鍋爐大量利用生物質(zhì)燃料發(fā)電[1]。但隨著生物質(zhì)直燃鍋爐參數(shù)的提高，鍋爐過(guò)熱器管常出現(xiàn)嚴(yán)重的高溫腐蝕現(xiàn)象[2]，全國(guó)遇到了幾乎一致的過(guò)熱器管高溫腐蝕問(wèn)題，但其腐蝕機(jī)理不同于燃煤鍋爐[3]。本文結(jié)合廣西的林業(yè)條件對(duì)生物質(zhì)發(fā)電鍋爐燃料種類(lèi)的影響，對(duì)一臺(tái)使用桉樹(shù)皮燃料的電站鍋爐高溫過(guò)熱器管腐蝕情況進(jìn)行分析探討，并結(jié)合檢驗(yàn)過(guò)程中的大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，綜合可行性、經(jīng)濟(jì)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(zhì)的處理方案，對(duì)廣大已運(yùn)行的生物質(zhì)發(fā)電鍋爐具有重要的參考價(jià)值。

1 情況概述

廣西某生物能源有限公司于2011年安裝一臺(tái)型號(hào)為HX170/10.5-Ⅳ1生物質(zhì)發(fā)電鍋爐，鍋爐額定蒸發(fā)量為170 t/h，額定過(guò)熱蒸汽壓力為10.5 MPa，額定過(guò)熱蒸汽溫度為525℃，設(shè)計(jì)給水溫度為165℃，設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度為80℃。鍋爐為單汽包自然循環(huán)、全懸吊膜式水冷壁、固定爐排、平衡通風(fēng)、Π型結(jié)構(gòu)。鍋爐由前部及尾部?jī)蓚€(gè)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(qū)域?yàn)橹С薪Y(jié)構(gòu)護(hù)板爐墻，爐底采用固定爐排，尾部豎井為支承結(jié)構(gòu)，豎井內(nèi)交叉布置省煤器及管式空氣預(yù)熱器。前后豎井之間通過(guò)水平煙道連接，水平煙道內(nèi)依次布置中溫過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器和低溫過(guò)熱器，上述三種過(guò)熱器管均為垂直式蛇形管，其后布置對(duì)流管束。其中，高溫過(guò)熱器管材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為Φ42×5 mm。

該鍋爐自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，由于高溫過(guò)熱器外表面腐蝕嚴(yán)重，每2～3年即需要大面積更換一次高溫過(guò)熱器管，在2018年11月對(duì)該爐子進(jìn)行的內(nèi)部檢驗(yàn)過(guò)程中，再次發(fā)現(xiàn)高溫過(guò)熱器管外表面存在明顯的高溫腐蝕現(xiàn)象（見(jiàn)圖1），據(jù)使用單位描述，該爐管僅剛剛更換使用1年。

圖1 高溫過(guò)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(yùn)行記錄，記錄顯示高負(fù)荷運(yùn)行期間爐膛出口（中溫過(guò)熱器前）煙氣溫度平均值約為769℃，中溫過(guò)熱器后（高溫過(guò)熱器前）煙氣溫度平均值約為701℃，高溫過(guò)熱器后（低溫過(guò)熱器前）煙氣溫度平均值約為644℃。

另外對(duì)該鍋爐使用的生物質(zhì)燃料及飛灰進(jìn)行了取樣化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。Vassilev等學(xué)者對(duì)各類(lèi)典型的生物質(zhì)燃料特性已經(jīng)做了詳細(xì)研究[4]，典型的桉樹(shù)皮灰成分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。綜合表1、表2數(shù)據(jù)可知，生物質(zhì)樹(shù)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(zhì)成型顆粒、木柴、蔗渣等其他廣西常見(jiàn)的生物質(zhì)燃料，燃料中導(dǎo)致灰結(jié)渣積灰和腐蝕的有關(guān)元素[5]有 Si、K、Na、S、Cl、P、Ca、Mg、Fe。

表1 生物質(zhì)燃料化驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 桉樹(shù)皮灰成分?jǐn)?shù)據(jù)

2 腐蝕原因分析

我國(guó)印佳敏[6]、劉博[2]等學(xué)者對(duì)生物質(zhì)鍋爐過(guò)熱器管材的高溫腐蝕特性進(jìn)行了研究，國(guó)外Vassilev[4]等學(xué)者也從生物質(zhì)燃料成分分析的角度入手以期探索生物質(zhì)對(duì)管材高溫腐蝕的根源，目前普遍認(rèn)為腐蝕來(lái)源集中于堿金屬元素與低合金耐熱鋼材質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理上，與金屬表面的溫度關(guān)系較為密切，但與鍋爐的水介質(zhì)側(cè)的工況、鍋爐燃料的燃盡性、鍋爐的運(yùn)行配風(fēng)情況關(guān)系均不明顯，故本文僅針對(duì)材料成分的化學(xué)反應(yīng)層面進(jìn)行分析。

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

綜合該鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行期間的煙溫?cái)?shù)據(jù)及高溫過(guò)熱器管中的蒸汽溫度數(shù)據(jù)，認(rèn)為該鍋爐的高溫過(guò)熱器管外表面已經(jīng)具備生物質(zhì)堿金屬高溫腐蝕的條件，其腐蝕過(guò)程如下：

（1）堿金屬氯化物形成

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

（2）堿金屬氯化物向硫酸鹽轉(zhuǎn)變

凝結(jié)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(fā)生硫酸鹽化反應(yīng)，通過(guò)反應(yīng)方程式（1）生成氯氣。

堿金屬硫酸鹽化反應(yīng)產(chǎn)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(tài)，能夠穿過(guò)多孔狀垢層并）與鐵發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)式如式（2）所示。

（4）FeCl2與 O2反應(yīng)

FeCl2熔點(diǎn)僅為280℃左右，而實(shí)際高溫過(guò)熱器管外壁溫度可達(dá)600℃以上，此時(shí)FeCl2發(fā)生氣化并穿透積灰向煙氣方向擴(kuò)散。煙氣側(cè)的O2濃度較高，在氧化性氣氛條件下FeCl2將與O2發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)式如式（3）～（5）所示，反應(yīng)生產(chǎn)的 Cl2能夠擴(kuò)散到金屬與腐蝕層的交界面上與金屬再次發(fā)生反應(yīng)。

在整個(gè)腐蝕過(guò)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(lái)，最終導(dǎo)致了嚴(yán)重的腐蝕。此外，合金鋼中的鉻Cr元素的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與Fe元素相同。

3 處理建議

（1）由于12Cr1MoVG材料在高溫下對(duì)堿金屬高溫腐蝕的耐腐蝕性較差[6]，而TP347材質(zhì)的高溫過(guò)熱器管則已在國(guó)內(nèi)多個(gè)生物質(zhì)發(fā)電廠有使用案例，并表現(xiàn)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(guò)熱器管，同時(shí)考慮到更換成本及現(xiàn)場(chǎng)的施工質(zhì)量，可采購(gòu)帶有出廠異種鋼焊口的12Cr1MoVG+TP347的過(guò)熱器管組，其中TP347材質(zhì)部分暴露與煙道煙氣之中，而12Cr1MoVG材質(zhì)部分用于頂部穿墻位置，方便現(xiàn)場(chǎng)與集箱管接頭施焊。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）HX170/10.5-Ⅳ1 鍋爐高溫過(guò)熱器管外表面在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)歷了堿金屬氯化物形成、堿金屬氯化物向硫酸鹽轉(zhuǎn)變、Cl2與Fe元素反應(yīng)、FeCl2與O2反應(yīng)等過(guò)程，最終導(dǎo)致管子外表面的嚴(yán)重腐蝕。

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