高溫硫腐蝕的形成及處理措施

劉佳子　宋立斌

摘要：力發電廠鍋爐高溫硫腐蝕是受熱面管件常見的失效形式，因此對于這種腐蝕情況進行相應的研究及防治具有重要的意義。文章首先對高溫硫腐蝕產生機理進行了闡述，然后分析了高溫腐蝕的主要原因，最后對硫腐蝕情況分析及解決方法進行了討論。

關鍵詞：高溫硫腐蝕；產生機理；處理措施；煤質；含硫量 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK223 文章編號：1009-2374（2016）28-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.029

1 概述

由于煤炭市場原因，目前公司入廠煤煤質較差，煤中含硫量遠超設計值，為了避免水冷壁、過熱器、再熱器發生高溫腐蝕，特制定本措施，本文就高溫硫腐蝕的形成及處理措施進行了討論。

2 高溫硫腐蝕產生機理

2.1 高溫硫化

金屬在高溫條件下容易與硫發生反應，從而導致金屬發生腐蝕，這種腐蝕被稱為高溫硫化。一般來說，相比較于氧化腐蝕，高溫硫化的腐蝕速率要更高一些，因此其危害性也更大一些。當金屬處于氧化性含硫環境中時，雖然會有硫化腐蝕的情況發生，但是所發生的腐蝕主要是以高溫氧化為主。

2.2 高溫混合氣氛下的硫化-氧化

當金屬處于硫化-氧化環境時，遇到高溫時會在硫和氧的作用下發生腐蝕。在工業生產的過程中，所處的實際環境往往是硫和氧的混合環境，因此經常會有硫化-氧化的腐蝕情況發生。這種腐蝕情況主要有以下三個方面：（1）當混合氣體中主要是以氧為主時，所發生的腐蝕主要是以氧化腐蝕為主，從而形成相應的氧化物；（2）當混合氣體主要是以硫為主時，那么所發生的主要腐蝕就是以硫腐蝕為主，最終形成相應的硫化物；（3）當混合氣體中的硫與氧含量一樣時，這時所發生的腐蝕既有氧化腐蝕，又有硫化腐蝕發生，并且所生產的氧化物和硫化物之間能夠共存。

2.3 硫酸鹽沉淀熱腐蝕

當金屬材料處于硫酸環境之中時，在高溫環境之下會在金屬表面產生熔融鹽膜，這種物質會吸附在金屬的表面，從而使得整個腐蝕情況進行一步加快。通常情況下，所遇到的硫酸鹽主要以M2SO4、M2S2O7為主。

3 高溫腐蝕的主要原因

3.1 燃燒不良和火焰沖刷

在煤炭燃燒的過程中，如果其經常出現燃燒不良的情況或者是經常出現火焰沖刷爐墻的情況，往往會使沒有得到充分燃燒的煤粉對管壁造成較大的磨損傷害。由于煤粉都有一定的棱角存在，這樣會使得管壁所受到的磨損情況異常嚴重，進而導致管壁的保護層破壞，使得管壁全部暴露在外面。這樣會使得煤燃燒過程中所產生的煙氣與純金屬進行充分的接觸，進而發生相應的腐蝕反應。管子在腐蝕和磨損的雙重作用下，會使得金屬管子的損害情況進一步加劇。

3.2 燃料和積灰沉積物中的腐蝕成分

當煤粉燃燒的時候，其煤粉中的FeS2會受熱發生分解，其相應的分解反應為：FeS2→FeS+[S]。與此同時，在燃煤所產生的煙氣之中，會有一定濃度的H2S和SO2存在，在高溫的作用之下，也會發生相應的熱分解反應：2H2S+SO2→2H2O+3[S]。當這些自由硫原子在高溫之下與壁管相遇的時候，就會產生相應的腐蝕反應，其發生的反應如下：

Fe+[S]→FeS

3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2

由于燃料之中還存在著堿性物質，在高溫的情況之下，這些堿性物質會與硫發生反應生成硫酸鹽，這些生成的硫酸鹽容易吸附在金屬的表面，進而進一步與SO3發生反應生成焦硫酸鹽，如Na2S2O7和K2S2O7。而焦硫酸鹽與Fe2O3更容易發生反應，當將管壁表面的Fe2O3氧化保護膜破壞之后，還會繼續和管子金屬發生腐蝕反應，最終導致整個腐蝕反應越來越嚴重。

由于燃料中含有氯化物，這也是導致爐管發生腐蝕的另一原因。這是因為氯化物在高溫下與水或者是硫化氫等發生反應，往往會生成硫酸鹽和HCl氣體，而HCl對于管壁保護薄膜的損害更加的嚴重，這樣會使得管壁的腐蝕情況進一步加大。經過相應的實踐研究表明，隨著燃料中的氯量增加，會使得對于金屬的腐蝕也隨之增加。

3.3 還原性氣氛

對于鍋爐所發生的腐蝕，還與還原氣體之間存在著很大的關系。一般來說，CO濃度越大的地方，所發生的金屬腐蝕程度往往會更大。由于鍋爐某些部位的空氣不足，會使得煤粉在燃燒的時候由于氧氣不足而出現沒有完全燃燒的情況，而這些沒有燃盡的煤粉進一步燃燒時又會消耗一定的氧而導致缺氧問題更加嚴重。由于缺氧，這樣會使得硫不能完全進行燃燒，從而導致了SO2的生成困難，這樣就使得H2S會與受熱面的金屬直接發生反應，而由于H2S是還原性介質，其所造成的腐蝕程度將會更加的嚴重。經過相應的實踐研究表明，當H2S的濃度越來越高的時候，隨著受熱面溫度的不斷增高，會導致整個腐蝕的發生速率越來越快，進而導致了管子的腐蝕情況更加嚴重。

4 硫腐蝕情況分析及解決方法

4.1 情況分析

某電廠一單元兩臺350MW機組在2014年10月和2015年9月的四臺次機組檢修、技改中，陸續發現兩臺機組均存在水冷壁高溫硫腐蝕的重大缺陷，為此進行了大規模的檢修，成功處理了該類缺陷。

單元兩臺機組（1、2號機組）鍋爐為加拿大B&W公司（Babcock&Wilcox）生產的亞臨界壓力一次中間再熱，自然循環，雙拱型單爐膛，“W”火焰燃燒，尾部雙煙道，平衡通風，固態排渣，全鋼構架，全懸吊結構，露天布置，燃煤鍋爐。1、2號機組分別于1990年8月、12月投產發電，并均于2014年12月完成低氮燃燒器改造（由北京巴威公司EP承擔）。每臺爐中上部水冷壁左右寬度為26.7m，前后深度為8.54m，前后墻各351根管，左右墻各111根管，總數為924根，材質為SA210A（標高29.745m以上）；中下部水冷壁左右寬度為26.7m，前后深度為16.5m，前后墻各351根管，左右墻各215根管，總數為1132根，材質為SA213-T2（標高29.745m以下）。

4.2 原因分析

自2014年底一單元機組低氮改造后投運至2015年10月份檢修，1號爐入爐煤平均硫分為1.36%，2號爐入爐煤平均硫分為1.42%。

在2014年12月進行低氮改造后，由于進行了分級送風、煤粉濃淡分離、內外二次風包粉燃燒、增加OFA風箱等改造，下爐膛燃燒由過氧燃燒轉變為欠氧燃燒，此區域（標高15.4～24m前后左右墻區域）尤為突出。加之1、2號爐入爐煤平均硫分偏高，分別為1.36%、1.42%（入爐硫分雖然低于脫硫改造要求的2.1%的設計值，但總體硫分水平偏高）。燃煤中硫化物在缺氧的情況下形成H2S，H2S可直接與水冷壁中純金屬反應形成FeS造成水冷壁腐蝕。沾灰層溫度較高時，FeS又會再次與介質中的氧作用，轉變為Fe3O4，從而使腐蝕進一步加劇。鍋爐燃燒氣流中的大量灰粒會使舊的腐蝕產物不斷去除而將純金屬暴露于腐蝕介質下，從而加速上述腐蝕過程。H2S等腐蝕性介質的腐蝕性在300℃上逐步增強，即溫度每升高50℃腐蝕程度將增加一倍。燃燒器區域水冷壁正處于金屬發生強烈高溫腐蝕的溫度范圍之內，同時管子局部壁面溫度過高，易使具有腐蝕性的低熔點化合物黏附在金屬表面，促進了管壁高溫腐蝕的發生。

低氮改造后，電廠及時安排進行燃燒調整試驗，通過測試空預器出口煙氣中氧量、CO、排煙溫度與爐渣、飛灰含碳量等重要參數，確定了100%、75%、50%額定負荷工況下的OFA、燃燒器各擋板開度，保證了NOx排放和鍋爐效率均達到設計要求。

因此，一單元水冷壁高溫硫腐蝕主要是低氮改造后爐內燃燒工況發生變化，鍋爐燃燒器區域水冷壁對于硫分的耐受性大大降低，高溫腐蝕傾向顯著增強。

4.3 處理方法

在水冷壁備件儲備不足的情況下，統籌鍋爐設備安全和檢修工期兩方面因素，經過與西安熱工院專業技術人員論證確認，電廠確定了1號爐嚴重超標管更換的標準：按壁厚3.1mm標準（按規范要求，4.5mm以下需更換）更換，以滿足6個月內安全運行的要求。2號爐嚴重超標管更換的標準：按壁厚3.5mm標準更換（實際更換中，考慮便于施工及工期，換管范圍適當擴大），滿足10個月內運行要求。為避免鍋爐水冷器高溫腐蝕進一步加劇，本次檢修中電廠確定了防腐噴涂的范圍：對高溫硫腐蝕較嚴重的區域進行金屬防腐噴涂。

與此同時尋找熱工院對兩臺鍋爐進行燃燒深度調整試驗，優化爐內流場、制定過量空氣系數合理地減少高溫硫腐蝕，最后利用2016年一季度機組春節備用期間對高溫硫腐蝕管全部進行整屏更換，然后對換管區域進行熱噴涂，完成全部工作。

5 結語

綜上所述，火力發電廠鍋爐高溫硫腐蝕是受熱面管件一種常見的失效形式，因此對于這種腐蝕情況進行相應的研究及防治意義重大。因此作為相關人員，在今后的工作過程中需要多進行學習和研究，充分確定管件發生腐蝕的影響因素，并采取有效的措施進行防治和解決，最終促進鍋爐的運行能夠更加安全、高效。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）