燃氣鍋爐節能器異常結垢原因分析及預防措施

劉志堅(曲靖市質量技術監督綜合檢測中心，云南 曲靖 655000)

0 引言

近年來，出于國家對于環境保護的要求，越來越多的燃煤、燃材鍋爐被淘汰，而燃氣鍋爐正逐步取代燃煤、燃材鍋爐被投入到工業生產中。燃氣鍋爐結構較一般鍋爐而言，其結構更為緊湊和復雜，自動化程度高，其對使用單位最大的影響在于，采用燃氣作為燃料，其運行成本將會大幅提高。因此，為了最大限度的提高熱效率，燃氣鍋爐一般都會增加余熱回收節能技術裝置-節能器[1]。本文作者在對一臺燃氣鍋爐定期檢驗的過程中，發生節能器的管子外壁存在大量異常結垢，而且布滿整個節能器所有管子外壁，顏色程棕黃色，見圖1。為分析其成因，消除事故隱患，對杜絕事故的發生，本文對該鍋爐的結垢原因進行探討。

圖1 檢驗中發現的節能器異常結垢

1 鍋爐概況

該鍋爐型號為UL-S 6000，制造單位為LOOS(德國勞斯)/Bosch Group(博世集團)，是一臺進口鍋爐，其結構類似于國產的WNS鍋爐結構。額定出力為6t/h，額定壓力為1.6MPa，工作壓力為1.6MPa，2013年投入使用，已連續運行6年多，在2020年7月進行停爐內部檢驗，檢驗過程中發現在尾部節能器處發現大量異常結垢。

2 結垢的原因分析

2.1 垢樣表觀及其化驗產物

因結垢部位為鍋爐尾部煙道內的節能器，此部位是鍋爐燃料燃燒后煙氣流轉經過的部位，圖片所見部分為管子的鰭片，管子內部為水。整個管子的鰭片都被棕黃色的垢所遮蓋，管子略見有腐蝕的跡象。從這些方面，可以考慮可能是低溫腐蝕引起的反應物堆積。為得出垢樣的主要成分，采用能譜分析(EDX)法對該垢樣進行分析[2]，發現其主要成分為Fe，55.63%；S，16.39%；O，27.02%等元素，其余元素含量不足1%，因此初步得出其主要成分應是硫酸亞鐵、硫酸鐵、亞硫酸鐵等成分的一種或幾種成分組合的混合物。

2.2 形成機理

燃氣鍋爐由于其燃料較為昂貴，在鍋爐結構設計上，最大限度的提高其熱效率是設計人員遵循的準則之一。對于燃氣鍋爐的來說，造成其熱效率高低的最主要因素是其排煙溫度，它所排放的煙氣的溫度是鍋爐總的熱損失的主要部分。節能器大量運用于燃氣鍋爐中正是出于降低排煙溫度、提高熱效率這個原因。節能器中流動的是從水處理設備流出的常溫的水，其管子外壁設置的大量鰭片為管子和煙氣的熱交換提供了最有效的結構條件。但是，這其中存在的問題是，當煙氣的排煙溫度低于煙氣露點溫度時，容易在管子表面產生冷凝水。

單有冷凝水的存在也不能構成低溫腐蝕的條件，此時還需要另外一種元素-硫元素的存在。采用天然氣作為燃料燃燒時，由于天然氣中的大量碳氫化合物的存在，導致其燃燒后產生的煙氣中水蒸氣的含量遠高于空氣中水蒸氣的含量，蒸氣的露點溫度范圍在30～60℃之間。

當煙氣中水蒸氣含量特別大時，節能器上更容易產生冷凝水。現在城市生活和工業生產中所使用的天然氣，大部分含有硫元素，而且有的燃氣硫含量還不低，此時，由于硫元素的介入，燃氣的露點溫度會上升，露點溫度上升后，更容易發生結露現象，其后果是產生的大量冷凝水會順著水平或者豎直煙道回流，在煙氣流程內的水平最低位置聚集，從而為腐蝕的發生提供了條件[3]。

不斷聚集的冷凝水中，如果有硫元素的加入，則在損傷模式的概念上上，對腐蝕具有加成和促進作用。現在燃氣公司提供的天然氣，都難以避免的含有H2S雜質，H2S參與燃燒過程后，使得煙氣中產生SO2，而煙氣溫度往往較高，至少300～400℃，再加上氧的存在，SO2極易發生氧化反應生成SO3，SO2、SO3的和水蒸氣共同存在的環境下，可以生成H2SO3、H2SO4，這將導致化學腐蝕的發生。特別是隨著鍋爐運行時間的不斷延長，H2SO3、H2SO4的濃度不斷上升，當濃度上升到一定的數值時，節能器的表面將迅速腐蝕，其腐蝕產物硫酸亞鐵、硫酸鐵、亞硫酸鐵等成分的一種或幾種成分組合的混合物，最終形成上述圖片中的棕黃色垢樣的產物。

在檢驗過程中，經查詢該鍋爐的運行記錄，發現該鍋爐因生產原因，每天白天滿負荷運行，而一到晚上，就低負荷運行。而長時間夜晚低負荷運行造成其排煙溫度更低，給冷凝水的匯集又提供了一個條件，冷凝水和不斷濃縮的H2SO3、H2SO4，造成了節能器的腐蝕。

3 處理及預防措施

通過前述對節能器上的垢樣分析及其產生機理的分析，結合平時檢驗的工作經驗，本文作者認為，可以從以下幾個方面針對此現象進行預防。

盡量減少燃料中S元素的含量。現在提供給居民生活和工業生產中的天然氣，應符合國家標準中，天然氣總硫含量的要求為：1 類≤60mg/m3；2 類≤200mg/m3；3 類≤350mg/m3。如果作為民用燃料，天然氣總硫含量應符合1類氣或2類氣的標準。在本臺鍋爐的燃氣供應方面，經咨詢燃氣供應公司，其提供的天然氣元素含量表是在國家標準以內，但是作為企業，沒有能力去驗證其真實性。

(2)控制排煙溫度。排煙溫度過低是造成煙氣露點的根本原因，因此可以通過適當的提高排煙溫度來避免煙氣露點的發生，此舉可以通過在節能器附近安置溫度計來控制，一旦低于某一限定的溫度值，就發出警報。本方法通過避免冷凝水的產生來防止或者減緩腐蝕，但是提高排煙溫度可能會降低鍋爐的能效值[4]。

(3)更換節能器的材料。節能器的主要作用就是熱交換，一般采用金屬在制造換熱器，通常采用的金屬材料有銅、不銹鋼、金屬鋁等，這些材料的導熱性能較高，主要適應于低溫余熱回收，但是耐腐蝕性較差，如不銹鋼換熱器材質易在含有氯離子的冷凝水中發生腐蝕。為了防止腐蝕，可以換用耐高溫、耐腐蝕的陶瓷和塑料換熱器，實現燃氣鍋爐煙氣冷凝水對節能器的腐蝕[4]。

(4)對節能器管表面進行防腐處理。有時，出于價格、強度或者焊接性能的考慮，無法更換換熱管材質。在這種情況下，可以對節能器中的換熱管進行防腐表面處理，如可以采用二次鈍化、電鍍、化學鍍、聚合物涂層、CVD和擴散涂層、加入合金成分等方法。這些方法各有優缺點，如聚合物涂層的缺點是極易老化且熱阻大；CVD和擴散層最大的弊端是的成本太高，無法進行工業化生產；加入合金成分抑制冷凝液中的腐蝕成為較為困難；與化學鍍相比，電鍍在耐腐蝕性能方面差距較大。從防腐效果及經濟性方面綜合考慮，最適宜的方法就是化學鍍方法[4]。

在對本文的鍋爐處理中，采取了如下措施：(1)要求使用單位對已產生的大量垢樣進行機械清理，以保證其原有的換熱效果；(2)清理后對換熱管進行測厚，看腐蝕嚴重情況；(3)進行強度校核；(4)強度校核合格的前提下，提出盡量在夜晚運行時，也避免低負荷運行的情況，以保證排煙溫度盡量在較高的水平。

4 結語

今后，將越來越多的燃氣鍋爐運用于生活和工業生產中，由于其燃料、結構特點，我們檢驗時可能會遇到與平常所見鍋爐不一樣的問題。本文通過對一臺鍋爐節能器上的大量異常垢樣，采取了成分化驗和其機理分析的方法，對其成因進行了細致分析，最后針對這種情況，提出了相應的解決和預防措施。這對使用燃氣鍋爐的使用單位和從事鍋爐檢驗的檢驗人員都具有一定的借鑒意義。