防高溫腐蝕金屬熱噴涂面積優化

摘 要：采用濃淡分離技術抑制氮氧化物，在還原性氣氛較強的情況下，采用金屬熱噴涂技術防止高溫腐蝕，兼顧環保排放及高硫分煤質下防高溫腐蝕需求。采用金屬熱噴涂防高溫腐蝕，通常采用進口材料，投資較大，文章通過分析爐內氣氛工況，對噴涂面積進行優化，在保障鍋爐安全可靠運行的前提下，節約投資，達到技術經濟統一的目的。

關鍵詞：高溫腐蝕；噴涂；過量空氣系數

1 背景介紹

某新建工程地處西南，燃煤含硫量高，校核煤種全硫含量可達6.2%，且燃煤灰分較高，水冷壁區域在燃燒過程中通過復雜的化學反應將產生大量SO2、SO3、H2S、HCL、堿金屬鹽等腐蝕物質，造成嚴重的高溫腐蝕危險。高溫腐蝕將帶來嚴重的危害：使水冷壁管壁減薄，形成安全運行的嚴重隱患，增加檢修工作量，增加檢修費用。造成爆管事故，緊急停爐搶修直接帶來電量損失和額外的檢修費用，直接影響企業效益。

在燃煤鍋爐中，高溫腐蝕分為三種類型：硫酸鹽型、氯化物型和硫化物型。鍋爐受熱面區域的高溫腐蝕通常是由這三種類型腐蝕復合作用的結果。而高溫腐蝕和還原性氣氛存在著密切的關系，在較強的還原性氣氛下，灰熔點溫度的下降將導致更多的灰渣附著在受熱面管壁上，造成灰沉積物的加快，加劇對管壁的腐蝕。同時還原性介質（如H2S）更具有腐蝕性，并且溫度越高，腐蝕越嚴重。

某工程為抑制氮氧化物的生成，采用濃淡分離燃燒技術，在燃燒器區域欠氧燃燒，再補充燃盡風，完成煤粉燃盡，這就在燃燒器區域造成了還原性氣氛。如果通過加大過量空氣系數等手段減輕還原性氣氛以抑制高溫腐蝕，會造成氮氧化物生成量的增多，不利于機組達標排放。且減輕還原性氣氛的作用有限，煤質較差時，高溫腐蝕的風險依然很大。綜合考慮抑制氮氧化物生成和防止高溫腐蝕，本工程將采用濃淡分離技術抑制氮氧化物，在還原性氣氛較強的情況下，采用金屬熱噴涂技術防止高溫腐蝕。

2 金屬熱噴涂優勢

金屬熱噴涂技術具有如下優點：噴涂材料為高鉻鎳基合金，材料自身化學性質穩定，不參與高溫腐蝕反應，屬于隔絕性材料，將水冷壁管壁與高溫腐蝕反應區域隔離。材料自身物理性質優良，熱膨脹率、熱阻與母材相近，不會出現因熱冷膨脹量差而出現的脫落現象，不影響爐內傳熱。采用高速噴涂工藝，采用自動電腦全程控制自動噴涂，噴涂層厚度、均勻度一致，保證噴涂質量。噴涂作業在水冷壁安裝現場同步進行，自動電腦控制噴涂用時短，保證工期節點可控。涂層硬度大、結合強度高、孔隙率小，可保證鍋爐在一個大修周期內不出現涂層脫落現象。

3 噴涂區域原方案

將鍋爐受熱面區域依高溫腐蝕風險程度化為7個區域：

區域A：主燃燒器區及最上層燃燒器至燃盡風區域，噴涂面積為1272m2（噴涂面積為前墻、后墻、兩側墻向火面合計）。

區域B：燃盡風區域上界至螺旋水冷壁終止線區域，噴涂面積為891m2（噴涂面積為前墻、后墻、兩側墻向火面合計）。

區域C：螺旋水冷壁終止線至折焰角下部折角高度區域，噴涂面積為224m2（噴涂面積為前墻、后墻、兩側墻向火面合計）。

區域D：折焰角下部折角高度至折焰角中心線高度區域，噴涂面積為148m2（噴涂面積為前墻、后墻、兩側墻向火面合計）。

區域E：屏式過熱器爐內管區域，噴涂面積為1800m2（噴涂面積為爐內管外表面面積）。

區域F：高溫過熱器爐內管區域；噴涂面積為1400m2（噴涂面積為爐內管外表面面積）。

區域G：高溫再熱器爐內管區域；噴涂面積為1800m2（噴涂面積為爐內管外表面面積）。

以上面積僅為理論面積，未考慮原材料、制造、安裝等偏差及工藝余量。

原噴涂方案計劃對上述7個區域全部進行噴涂。噴涂面積總計7535m2（單臺爐）。如此大的噴涂面積將會帶來龐大的投資，在保證鍋爐安全可靠運行的前提下，將對本工程防止高溫腐蝕噴涂面積進行優化。

4 噴涂區域優化

A區為主燃燒器區，在此區域，為降低氮氧化物的生成，按配風要求為欠氧區，正常情況下，該區域內的過量空氣系數約為α=0.85，即送入的空氣量僅為理論實際完全燃燒所需空氣量的85%的左右，即欠氧燃燒，還原性氣氛比較強烈。同時該區域溫度水平很高（約為1300℃～1400℃左右），受熱面壁溫很高，高溫腐蝕幾率很大。煤粉在主燃燒區域組織欠氧燃燒后，在最上層燃燒器至燃盡風區域通過燃盡風的補充，確保煤粉的燃盡。此時，考慮后期OFA噴入的二次風可能尚未與爐內煙氣流充分混合，過量空氣系數為微過氧狀態，即α=1.05。爐內煙氣溫度可達到1350℃～1500℃，煙溫水平仍然很高，高溫腐蝕的風險很高。所以A區為必須噴涂區域。

B區煙氣剛剛完成燃盡風與高溫煙氣的混合，煤粉基本燃燒完成，過量空氣系數開始提高至1.14-1.15，還原性氣氛較大地減弱，還原性氣氛因素對高溫腐蝕的影響較大減弱，煙氣溫度降低，但仍處在較高水平。由于螺旋管圈易積灰，沉淀附著在管壁上的灰份會促成高溫腐蝕的發生，所以在此區域中仍然存在較大的高溫腐蝕風險，并且考慮到煤質變動及運行調整等因素帶來的影響，所以B區為必須噴涂區域。

C區煤粉已經完全燃燒，煙氣溫度進一步降低，并開始處于富氧區，還原性氣氛消失。至螺旋管圈以上的垂直水冷壁材質為15CrMoG，管壁溫度最高達550℃，低于高溫腐蝕發生指數型增長的溫度拐點。在還原性氣氛及管壁溫度兩因素的共同影響下，此區域的高溫腐蝕風險已經大大地降低了。

D區情況與C區類似，同是處于富氧區，煙氣溫度更低，發生高溫腐蝕的風險也不高。考慮到煤質變動及運行調整等因素帶來的影響，所以C、D區也應進行噴涂。

上部水冷壁及頂棚區域的煙氣溫度進一步降低（其溫度云圖如下），達到爐膛出口處時煙氣溫度僅有1038℃。雖然屏過底部壁溫可達650℃，不過E區、F區、G區受熱面屬于對流換熱受熱面，煙氣流速較快，灰渣不易附著于受熱面壁面，由于處于富氧區，還原性氣氛基本消失，高溫腐蝕威脅基本消失。

綜合投資經濟性的考慮，對超過折焰角中心線高度區域不進行噴涂，待運行一段時間后視情況而定。

（工況為設計煤種，燃燒器前3后2布置，等層間距+單層燃盡風）

經過優化后，保持對高溫腐蝕高風險區域及較低風險但受煤質變化影響的區域進行噴涂，對高溫腐蝕風險大大降低的區域視運行情況決定是否噴涂，鍋爐運行的安全可靠性沒有受到影響，且有一定的防高溫腐蝕的裕度。

5 優化收益

目前國內高溫防腐噴涂的價格受工藝、材料的影響而呈現高低不一的情況，現就以單臺爐電弧噴涂厚度為0.5mm的45CT材料為例做經濟性比較，見表1

經過優化后，單臺爐可節省2500萬元的投入，在保證鍋爐安全可靠運行的前提下，降低了工程造價。

參考文獻

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[2]張基標.超超臨界對沖燃燒鍋爐高溫腐蝕研究[J].浙江電力，2011（4）.

[3]焦慶豐，姚斌.電廠鍋爐水冷壁高溫腐蝕程度判別技術研究[J].中國電力，2004（10）.

作者簡介：彭劍（1986-），男，漢族，四川，單位：重慶大唐國際石柱發電有限責任公司，職務：設備工程部鍋爐主管，職稱：助理工程師，學歷：大學本科，研究方向：電站鍋爐。