生物質鍋爐空預器低溫腐蝕研究及優化改造

董啟盛 李定青 陳洪世

廣東粵電湛江生物質發電有限公司 廣東 湛江 524033

引言

實現碳達峰碳中和是國家重大戰略決策，對推進我國的生態文明建設、引領全球氣候治理、實現國家“兩個一百年”奮斗目標具有重大意義。生物質能源作為可再生能源的重要組成部分，合理高效開發生物質能源是解決能源和環境的重要途徑之一，然而在生物質直燃發電中，鍋爐運行過程中仍存在不少問題，制約鍋爐的長期穩定運行。其中，生物質燃料的富含堿金屬、氯元素等無機組分造成的受熱面積灰和腐蝕問題尤為突出[1-3]。本文以220t/h生物質循環流化床鍋爐空預器低溫腐蝕為例，對空預器出現的腐蝕問題進行分析，并探討原因和改造措施。

1 設備概況

圖1 空預器結構示意圖

表1 鍋爐主要技術參數

該電廠配備220t/h生物質循環流化床（CFB）鍋爐，型號為HX220/9.8-Ⅳ1，主要參數如表1所示，為高溫高壓參數、自然循環、單爐膛、平衡通風、露天布置、鋼架雙排柱懸吊結構、固態排渣循環流化床鍋爐。空預器分為一次風空預器和二次風空預器，布置在尾部煙道后豎井下部，如圖1所示，煙氣向下流動，沖刷空氣預熱器受熱管，將熱量傳遞給一、二次風。煙道計算截面為9000×3500,分二組管箱，為順列沿煙道高度方向依次布置，二次風空預器上管箱材質Q215-A，下管箱采用考登鋼（又名耐候鋼）,二次風空預器管徑為：每個回程大管箱上部兩排和左右兩側兩排管子使用規格為42.3×3.25，其余管子均使用規格為φ40×1.5, 橫向節距S1=65，縱向節距S2=60，橫向排數138，縱向排數40排，煙風二次交叉。該空預器為本文主要研究對象。

2 空預器腐蝕情況

該廠鍋爐停運后對現場進行詳細檢查，發現空預器腐蝕部位主要發生在空預器二次風冷端（進風）約200mm左右的長度范圍內，在進風處約200mm的管子大部分已腐蝕失效，整個二次風進口部位，除了少數頂部兩層的管子之外，2760根管子的大部分都發生了腐蝕現象，有超過400根管子已經斷裂，剩余的管子大部分已經腐蝕到接近穿孔的程度，腐蝕形態類似海水腐蝕，如圖2所示。

圖2 空預器積灰和腐蝕現場圖片

另外，二次風空預器正下方存在煙道向內凸起臺階，臺階與水平成20°角，如圖3所示。臺階高度約250mm左右，導致從臺階往上形成了底邊約為200mm，斜向上的梯形積灰區域，在這個區域內所有空預器管子全部被埋在灰里面，靠近二次風進口端積灰非常潮濕，靠近出口端的積灰相對干燥。

圖3 空預器積灰和腐蝕區域圖

二次風空預器下部一次風空預器也有一層為考登鋼，且該區域在二次空預器下游（煙氣流向），但是該區域管子沒有發現腐蝕問題（也沒有臺階形成積灰）。而更下游的兩層一次風空預器，管材為搪瓷管，有一層也存在積灰，但是未出現腐蝕現象。在二次風出口端也存在臺階，有積灰，干燥，未發現腐蝕。

3 結果分析與討論

為研究空預器腐蝕原因，采集二次風空預器管材及入口積灰樣品進行分析探討，利用能量彌散X射線熒光法（energydispersive X-ray fluorescence，EDXRF），對二次風空預器管材和入口積灰進行元素分析，結果如圖4、圖5所示。由圖4可知，積灰中含有較高含量的氯離子，通過復雜的化學反應造成管壁發生晶間腐蝕，因此該氯離子是造成腐蝕的主要原因，由圖5可知，氯離子是主要的腐蝕產物之一，切好驗證圖4推測存在氯離子腐蝕的過程。此外，Ca2+和K+是除Fe以外的兩種主要的陽離子，堿金屬沉積也是造成空預器低溫腐蝕的重要原因。

根據現場情況，腐蝕主要發生在積灰多且潮濕的區域，距離外護板約200mm的范圍內是空預器臺階積灰嚴重區域，引起二次風空預器管離入口端面約30mm左右發生腐蝕斷口，管子呈現沿著外徑均勻腐蝕。鍋爐運行期間，該位置的二次風溫度約為35℃，煙氣溫度210℃，二者都是流動的氣體介質。由于該管子的壁厚為1.5mm，很難從采用超聲波測厚的方法進行檢驗，因此宏觀檢驗監控方法無法實現。此外，由于積灰熱阻非常高，當積灰導致整個空預器管子完全埋在灰里面時，積灰區域管子表面溫度將遠遠低于煙氣溫度，甚至接近空預器管內風溫。因此，在積灰區域，管子內外壁溫度與進口端二次風溫度接近，表面積灰溫度也將大大低于煙氣溫度，空預器二次風進口端風溫低（冷風溫度），積灰的溫度也低，生物質燃燒后煙氣（含HCl）與積灰接觸后結露，并逐步滲透到管子表面，導致該區域管子長期處于腐蝕環境下，即使鍋爐停運，腐蝕仍在進行，導致該區域管子短期腐蝕失效。

同樣積灰的二次風出口端，由于管內二次風溫度經過加熱已經升高至酸露點以上，從而積灰溫度也在酸露點溫度以上，即使表面有積灰，由于積灰溫度高，不會引起煙氣（含HCl）結露，也難于發生腐蝕。至于一次風空預器，同樣材料的地方由于沒有積灰也就不存在腐蝕，而用搪瓷管的一次風空預器，雖然存在與二次風空預器入口腐蝕區域同樣的積灰臺階，但由于搪瓷管耐腐蝕性好，也未發生腐蝕。

通過以上分析，可以認為空預器腐蝕主要原因為設計缺陷導致積灰引起，當積灰發生在二次風冷風入口端時，管壁溫度低，積灰溫度低，煙氣結露后，逐步滲透到管壁，由于灰中氯離子含量較高，對金屬管道造成（晶間）腐蝕，隨后發生電化學腐蝕，造成金屬管道整體腐蝕穿孔。而搪瓷管耐腐蝕性較強，可以防止煙氣和積灰腐蝕。

圖4 二次風空預器入口積灰EDXRF結果

圖5 二次風空預器管材腐蝕產物EDXRF結果

4 改造及評價

根據結果分析和討論，采取升級空預器管材和消除積灰死角的改造優化方案，具體如下：①將二次風空預器入口管材更換為搪瓷管。②增加空預器區域吹灰裝置，清除積灰。③通過空預器邊板改造，消除積灰臺階，徹底消除積灰死角。

通過以上優化改造，空預器積灰和腐蝕問題基本得到解決，鍋爐連續運行周期變長。

表2 空預器漏風試驗結果

通過對一二次風空預器進行漏風試驗，試驗結果如表2所示，空預器漏風率由試驗前的28.46%降至7.97%，下降20.49個百分點。空預器漏風率降低后，煙氣側額冷風走廊減少，積灰臺階消除，有效避免了煙氣灰顆粒沉積，鍋爐效率明顯提高。