鍋爐空氣預熱器腐蝕機理研究和升級改造

劉紅衛，徐文健

(1.中鹽安徽紅四方股份有限公司，安徽 合肥 231607；2.青州鑫暉熱能科技有限公司， 山東 青州 262500)

中鹽安徽紅四方股份有限公司(以下簡稱“公司”)熱電裝置共五臺高溫高壓循環流化床鍋爐，其中1#、2#和3#鍋爐蒸發量為220 t/h， 2013年建成，新建時采用SNCR脫硝工藝，2017年進行超低排放改造，改成SNCR+一級SCR 聯合脫硝工藝；4#和5#鍋爐蒸發量為320 t/h ，2018年建成，新建時均采用SNCR+一級SCR 聯合脫硝工藝。2019年初，公司4#鍋爐在停車檢修沖洗尾部煙道受熱面末級空氣預熱器時發現腐蝕和堵塞嚴重，停車前，末級空氣預熱器總共9 000根的管子，約4 000根已經腐蝕報廢，不能使用，其余管子也嚴重減薄。空預器換熱管規格為?40 mm×1.5 mm，材質為鍋爐末級空氣預熱器通用材質考登鋼；1#～3#鍋爐末級空氣預熱器材質也為考登鋼，1#～3#鍋爐空氣預熱器管子規格為?50 mm×1.5 mm。4#鍋爐自2018-06投用，一年半的運行時間，末級空氣預熱器就已經因為腐蝕嚴重達到更換的地步，5#鍋爐投運一年時間，末級空氣預熱器雖然沒有4#爐腐蝕堵塞嚴重，但也發現少量管道已經腐蝕報廢。但1#～3#鍋爐已運行六年多的時間，空氣預熱器也未發現嚴重腐蝕和堵塞現象。新老鍋爐脫硝工藝和空氣預熱器材質和壁厚沒有區別，老鍋爐采用立式布置，煙氣走管程；新鍋爐采用臥式布置，煙氣走殼程。

1 腐蝕原因分析

(1)使用脫硝SCR催化劑；(2)過量的氨逃逸；(3)排煙溫度低于煙氣露點；(4)氨水濃度低，煙氣含水量高，濕度大等原因。上述原因產生硫酸氫銨并使硫酸氫銨凝結形成酸性液體，是造成空氣預熱器腐蝕的主要原因。

4#和5#鍋爐采用SNCR+一級SCR催化劑脫硝工藝，主要成分為五氧化二釩的催化劑，在加快脫硝反應的同時，也加快了SO2氧化成SO3反應速度。反應方程式：NH3+NO2→N2+H2O；SO2+O2→SO3。

據記載，不采用催化劑的煙氣中SO3和SO2的體積百分比約為0.5/99.5；采用催化劑后，煙氣中SO3和SO2的體積百分比3/97。由于催化劑的存在，SO3濃度提高了6倍。表1為煙氣露點溫度與煙氣中H2SO4含量變化關聯表。

表1 煙氣中露點溫度與H2SO4的關系Tab.1 Relationship between dew point temperature and H2SO4 in flue gas

脫硝反應未耗盡的氨和煙氣中三氧化硫、水蒸汽易發生如下反應：NH3+SO3+H2O→NH4HSO4

(1)硫酸氫銨和亞硫酸氫銨腐蝕性比較。

(2)腐蝕過程為包括化學腐蝕和電化學腐蝕。

Fe2O3+6H+→3H2O+2Fe2+；

Fe+2H+→H2+Fe2+；

Fe2O3+5Fe+8H2SO4→H2+7H2O+FeS+4FeSO4+Fe2(SO4)3

2 工藝預防措施

2.1 提高排煙溫度

SO3能提高酸露點溫度，在低于露點的金屬表面形成酸性液體。同樣的煙氣，如果SO3含量偏高，煙氣露點會明顯提高。4#鍋爐在二期裝置投產初期投用，鍋爐負荷長期保持較低負荷，排煙溫度維持在120 ℃左右。經交流和資料驗證，公司煙氣露點應該在125 ℃左右，因此公司在鍋爐運行時保持排煙溫度應保持在130 ℃～140 ℃。主要措施：鍋爐盡量維持在較高負荷；提高省煤器進水溫度。

2.2 降低煙氣濕度

硫酸氫銨在干燥的情況下，腐蝕性較低，只有在凝結并形成溶液狀態下，腐蝕性較強，所以盡量減少煙氣中的水含量。脫硝采用的還原劑為精細化工廢水，含氨濃度低，為了多消耗廢水，所以噴氨水量較大。主要措施：避免使用含水量較高的煤；提高氨水濃度；每次使用蒸汽吹灰器之前要預熱管道并把冷凝水排掉；吹灰器使用蒸汽保證一定的過熱度。

2.3 控制氨逃逸

在滿足達標排放基礎上，盡量降低氨逃逸，嚴格控制氨逃逸在2.5 mg/kg以下。如果氨逃逸在2 mg/kg，運行0.5 a，空氣預熱器阻力約增加30%；如果氨逃逸在3 mg/kg，運行0.5 a，空氣預熱器阻力約增加60%。主要措施：減少氨水噴量；提高氨水濃度至少8%以上。

2.4 采用低硫煤

源頭上控制SO2的濃度，從而控制SO3的生成。

2.5 控制煙氣中的氧含量

加強維護，防止漏風，降低過剩空氣系數。煙氣中氧含量越高，越有利于SO3的生成，氧含量越低，CO濃度越高，CO濃度越高，越可以抑制SO3的生成。因此低過剩空氣量能降低低溫受熱面的積灰，同時還能減輕其腐蝕。主要措施：減少過剩空氣系數；及時消除漏風現象。

2.6 吹灰器

吹灰器運行時，從下往上逐級吹掃，可以減少積灰現象。

2.7 清掃積灰

停車后立即徹底清理空氣預熱器，避免常溫下的酸性液體腐蝕和積灰板結。

腐蝕和積灰相互促進，硫酸氫銨凝結后變成粘性酸性液滴，吸附積灰；積灰使傳熱變差，受熱面金屬壁溫變低，積灰又會吸附SO3，會造成惡性循環。

3 設備材質選型改進方案

(1)空氣預熱器換熱管材質升級換代。在普通搪瓷材料二氧化硅的基礎上加入碳酸鹽增強抗腐蝕能力，耐酸性≤2.0 g/m2·d；加入某種氧化物增強附著力和硬度，耐沖擊性≥220(10-3J)；經試驗證明采用低碳鋼管襯搪瓷(搪瓷厚度0.5 mm)復合材料替代原考登鋼材質，可以有效減緩腐蝕和積灰且傳熱性能良好。

(2)空氣預熱器管道從?40 mm×1.5 mm增大到?50 mm×1.5 mm，減少管道排列密度。

(3)減少末級空氣預熱器換熱面積：將排煙溫度從原額定蒸發量設計的136 ℃，提高到140 ℃。

(4)立式布置與臥式布置相比，不易積灰和腐蝕。

4 空氣預熱器改造方案

(1)設備采購費。4#和5#鍋爐單臺鍋爐兩組末級空氣預熱器，單臺空氣預熱器重量約45 t，設備按照考登鋼材質，0.9萬元/t計算，設備采購費約40萬元；設備按照低碳鋼襯搪瓷材質，1.2萬元/t計算，設備采購費約54萬元/臺。兩臺鍋爐四組末級空氣預熱器改造設備采購費共計108萬元。

(2)拆除安裝費。單組空氣預熱器拆除安裝費按照20萬/臺，四組拆除安裝費總計40萬元。

(3)總投資約148萬元。

(4)工期。末級空氣預熱器設備制作周期20 d，拆除安裝工期10 d。

5 改造預期效果

(1)材質使用改進的低碳鋼襯搪瓷材料，末級空氣預熱器整體更換時間從目前的1 a多可延長到5 a以上，甚至更長；保證了鍋爐長周期穩定運行。

(2)空氣預熱器換熱管加大及換熱面積減少，減少管道排列密，積灰情況大為好轉，減少了煙氣阻力，降低了一、二次風機和引風機電耗。排煙溫度保證在130 ℃～140 ℃。

①4#號爐末級空氣預熱器更換前后對比如表2。

空氣預熱器改造前后，以4#鍋爐2020-03-10和2020-04-22數據為例，改造后節電42.9 A/h。

P=1.732×10×42.9×0.85×0.8=505.26 kW

電價按照0.6元/kW·h，年運行按照7 200 h計算，年節約用電：

505.26×7 200×0.6/10 000=218萬元

4#鍋爐每年節約電約218萬元。

表2 4#鍋爐末級空氣預熱器更換前后對比Tab.2 Comparison of the last stage air preheater of No.4 boiler before and after replacement

②5#爐末級空氣預熱器更換前后對比如表3。

表3 5#鍋爐末級空氣預熱器更換前后對比Tab.3 Comparison of the last stage air preheater of No.5 boiler before and after replacement

5#鍋爐改造后節約電27.2 A/h。

P=1.732×10×27.2×0.85×0.8=320.35 kW

年節約用電：

320.35×7 200×0.6/10 000=138.39萬元。5#鍋爐每年節約電約138.39萬元

③鍋爐熱效率大幅提高，煤耗顯著降低：改造前鍋爐負荷最高只能達到70%左右，改造后可以達到初始設計時的滿負荷，排煙溫度最高139 ℃。

按照鍋爐正常245 t/h負荷，與漏風后較低負荷220 t/h計算。

兩臺鍋爐節約燃煤140.98萬元。

④兩臺鍋爐更換搪瓷空氣預熱器后，每年可以節約電耗和燃煤：

218+138.39+140.98=497.37萬元

經改造，投資回收期約3.6個月，投資效益顯著。