生物質(zhì)直燃鍋爐水冷壁腐蝕分析及對(duì)策探討

陳新軍

摘 要：本文主要針對(duì)生物質(zhì)直燃鍋爐普遍存在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的鍋爐水冷壁腐蝕減薄的問(wèn)題，以江蘇國(guó)信如東生物質(zhì)發(fā)電有限公司的鍋爐運(yùn)行實(shí)例，分析其腐蝕主要產(chǎn)生的機(jī)理、原因，及采取的對(duì)策，為生物質(zhì)鍋爐的工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)鍋爐；高溫腐蝕；堿金屬；氯；對(duì)策

中圖分類號(hào)：TK6；TK224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0083-02

稻麥秸稈、農(nóng)林廢棄物、稻殼、工業(yè)加工的邊角木料以及蔗渣等生物質(zhì)能是人類自古以來(lái)生火做飯的燃料，作為一種清潔而又可再生的原料，是可代替石油、煤炭等礦石能源，以及為化工行業(yè)提供碳元素。生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目是生物質(zhì)能大規(guī)模運(yùn)用的模式之一，是可再生能源發(fā)電一類重要方式。生物質(zhì)電廠鍋爐受熱面腐蝕是廣泛存在的，特別是高溫高壓及以上參數(shù)，尤其是采用了稻草、麥草、油菜桿等秸稈類，對(duì)生物質(zhì)發(fā)電廠的安全生產(chǎn)工作和經(jīng)濟(jì)效益都是很大的威脅。

在生物質(zhì)燃料中，堿金屬含量比例比較高，其燃燒過(guò)程中，鍋爐受熱面的高溫腐蝕與生物質(zhì)燃料中含有的氯、鉀、硫和鎂等元素密切相關(guān)，其固、液、氣的狀態(tài)變化以及燃燒過(guò)程中的化合物的轉(zhuǎn)換，直接影響鍋爐受熱面的積灰腐蝕以及鍋爐的灰渣成分情況。從相關(guān)資料可知，稻麥草秸稈、樹(shù)枝、竹片等生物質(zhì)的鉀含量比較高。

生物質(zhì)燃燒過(guò)程中，還有氯的影響。氯是一種常見(jiàn)的元素，人類的生存離不開(kāi)它，廣泛存在于自然界，是農(nóng)林生物質(zhì)生長(zhǎng)必須的元素，許多種類的農(nóng)林生物質(zhì)氯的含量都很高，并且以游離離子態(tài)存在，轉(zhuǎn)移流動(dòng)性很強(qiáng)，表1列出了常見(jiàn)生物質(zhì)的情況。通常，公司所在的如東縣，地處南黃海之濱。該區(qū)域生長(zhǎng)的植物，氯的含量普遍更高。

1 腐蝕狀況分析

公司所使用的生物質(zhì)發(fā)電鍋爐，為無(wú)錫華光鍋爐股份有限公司自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的第一臺(tái)高溫高壓水冷振動(dòng)爐排鍋爐。鍋爐為自然循環(huán)形式，單鍋筒、濕出渣，主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：額定蒸發(fā)量110t/h，額定主汽壓力9.8MPa，額定主汽溫度540℃，給水溫度210℃。設(shè)計(jì)燃料為稻草、麥草、棉花稈、廢木材、樹(shù)皮等農(nóng)林廢棄物。

公司機(jī)組于2008年7月投產(chǎn)，投產(chǎn)初期機(jī)組利用小時(shí)數(shù)非常低。隨著國(guó)家政策支持以及燃料拓展，目前發(fā)電機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)在7500小時(shí)左右。鍋爐在2012年開(kāi)始發(fā)現(xiàn)爐膛水冷壁嚴(yán)重腐蝕，主要出現(xiàn)在后墻拱下，2014年水冷壁再次泄漏后，檢查發(fā)現(xiàn)爐膛拱的位置上下5米之間，爐膛水冷壁環(huán)周四面均腐蝕嚴(yán)重，減薄明顯，水冷壁管排更換工作量非常大。為查明鍋爐水冷壁減薄的緣由以及尋找緩解對(duì)應(yīng)的解決措施，電廠邀請(qǐng)多方面的專家到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查和分析。

對(duì)更換下來(lái)的水冷壁管排的管壁管外腐蝕灰垢刮管取樣，同時(shí)，請(qǐng)東南大學(xué)相關(guān)專家對(duì)腐蝕層積灰垢樣進(jìn)行了元素成分分析（具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1），腐蝕層積灰垢樣中鐵含量為53.11%，鉀18.97%，氯18.58%，由此說(shuō)明水冷壁管腐蝕層積灰垢樣的主要成分為氧化鐵和氯化鉀。水冷壁管材中的鐵經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)從水冷壁管子外表面往腐蝕積灰垢層輸送，腐蝕層積灰垢樣中氯化鉀是由煙氣中夾帶的堿金屬氯化物灰粒接觸到水冷壁冷凝沉積下來(lái)，并在水冷壁上不斷積聚而成，腐蝕層積灰（內(nèi)含大量的堿金屬氯化物）對(duì)管子造成嚴(yán)重的腐蝕。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，以及對(duì)水冷壁管子外部腐蝕層的積灰垢樣成分進(jìn)行化學(xué)分析，基本可以確認(rèn)為堿金屬氯化物的熔融腐蝕。水冷壁腐蝕照片中可直接看出氧化膜脫落開(kāi)裂。腐蝕層灰垢中的堿金屬、硫酸根離子和氯離子是造成水冷壁管排管壁嚴(yán)重腐蝕的重要起因。水冷壁管排管壁的減薄主要為灰垢中堿金屬氯化物的高溫腐蝕，而且氯元素在腐蝕的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有被去除，而是起到催化和媒介的循環(huán)作用，因而造成爐膛的大面積腐蝕減薄。

2 腐蝕機(jī)理分析

2.1 腐蝕過(guò)程

鍋爐爐膛內(nèi)，生物質(zhì)的燃燒過(guò)程中，其所攜帶的氯、硫元素與其堿金屬鉀、鎂、鈉等元素以氣態(tài)的形態(tài)進(jìn)入到鍋爐煙氣中，會(huì)通過(guò)燃燒化學(xué)反應(yīng)形成極細(xì)顆粒（納米級(jí)或者微米級(jí)）的氯化鈉、氯化鉀等堿金屬氯化物，凝結(jié)和沉積在管壁溫度約在350℃的爐膛水冷壁管子管壁上。沉積和凝結(jié)在水冷壁管迎火側(cè)外表面的氯化鉀和氯化鈉，再與管壁表層的氧化膜（Fe2O3層）發(fā)生氧化還原反應(yīng)，由于氯化鐵的氣化溫度約為315℃左右，所以在水冷壁管子外表溫度高于315℃時(shí)，氯化鐵由固態(tài)轉(zhuǎn)向氣態(tài)，向鍋爐煙氣中擴(kuò)散，導(dǎo)致水冷壁表面的氧化膜脫落，暴露出來(lái)的管壁鐵Fe和煙氣中O2進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成新的氧化膜Fe2O3。上述反應(yīng)過(guò)程循環(huán)發(fā)生，使得爐膛水冷壁管子的壁厚持續(xù)減少。

另一方面，爐膛水冷壁管溫度在310至420℃，鍋爐煙氣中不可避免有少量二氧化硫（SO2）氣體，能顯著加速爐膛水冷壁管壁的腐蝕過(guò)程。水冷壁迎火面管排外表的氯化鉀和氯化鈉，與煙氣中的二氧化硫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)反應(yīng)生成氣態(tài)氯。由于氯是氣態(tài)的，也就是氯氣（Cl2），能夠輕松地穿越腐蝕積灰層，通過(guò)與管壁的鐵（Fe）進(jìn)行反應(yīng)，生成氯化鐵（FeCl3）。在水冷壁管壁腐蝕積灰層迎火側(cè)，由于燃燒所需空氣中氧的存在，氯化鐵將與氧發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鐵（Fe2O3）和氯。氯能夠與水冷壁再次發(fā)生反應(yīng)。氯經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)幾乎沒(méi)有耗費(fèi)，氯元素起到了催化媒介作用，并且不斷地腐蝕水冷壁迎火側(cè)。

此外，爐膛水冷壁一般為20G或者15CrMo，水冷壁管子中的其他成分，如鉻（Cr），其物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與上述鐵的過(guò)程相同。

2.2 腐蝕特點(diǎn)

2.2.1 普遍存在并持續(xù)

以上對(duì)腐蝕過(guò)程的探討發(fā)現(xiàn)，在爐膛水冷壁的腐蝕過(guò)程中，生物質(zhì)燃料中的氯起到了催化和媒介的作用，將奧氏體不銹鋼水冷壁中從水冷壁迎火面上連續(xù)不斷地反應(yīng)出來(lái)，造成了水冷壁管的腐蝕。生物質(zhì)燃料中天然存在的氯元素和堿金屬元素，只要在爐膛水冷壁迎火煙氣側(cè)的管壁溫度達(dá)到310～420℃時(shí)，將必然與發(fā)生化學(xué)腐蝕反應(yīng)，其含量多少和溫度的高低，只能影響腐蝕反應(yīng)的速率，不會(huì)杜絕腐蝕反應(yīng)。同時(shí)，只要化學(xué)反應(yīng)一旦開(kāi)始，則將持續(xù)不斷進(jìn)行腐蝕。

2.2.2 溫度區(qū)間

爐膛水冷壁腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生和反應(yīng)速率與水冷壁的管壁溫度有直接聯(lián)系。通過(guò)對(duì)多臺(tái)高溫高壓參數(shù)的生物質(zhì)鍋爐受熱面腐蝕情況進(jìn)行了解和分析，各臺(tái)鍋爐發(fā)生的腐蝕的位置不一定一致，但是均是水冷壁管壁外表溫度在310至420℃區(qū)間，在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，腐蝕反應(yīng)的速率隨溫度的升高而加快。據(jù)如東公司統(tǒng)計(jì)，一般腐蝕速率大概在1～1.5mm/年，局部高點(diǎn)的腐蝕速度可到2.0mm/年。

3 防止腐蝕的措施

鍋爐爐膛內(nèi)的環(huán)境以及生物質(zhì)燃料中的成分共同組成水冷壁腐蝕反應(yīng)發(fā)生的條件，水冷壁管子迎火面腐蝕發(fā)生的主要原因是生物質(zhì)燃燒后的積灰以及迎火面煙氣環(huán)境中較高的氯含量。再加上振動(dòng)水冷爐排鍋爐的特點(diǎn)，定期爐膛振動(dòng)，容易使水冷壁表面的腐蝕積灰層產(chǎn)生裂紋，且煙氣中的氯離子能夠加速裂紋的生成和發(fā)展，生物質(zhì)鍋爐爐膛的溫度波動(dòng)常常無(wú)規(guī)律，為水冷壁腐蝕破壞作用創(chuàng)造了條件。

同時(shí)，鍋爐燃燒著火不穩(wěn)導(dǎo)致的煙氣O2濃度波動(dòng)、爐膛煙溫波動(dòng)以及水冷壁壁溫波動(dòng)，生物質(zhì)顆粒度不一、煙氣中O2濃度偏低以及拱下二次風(fēng)偏大引起的燃料顆粒拱下停留時(shí)間短、上部燃燒強(qiáng)導(dǎo)致煙溫偏高，同時(shí)爐膛結(jié)焦、燃料磨損行強(qiáng)以及給水欠焓偏低，都對(duì)磨損及高溫腐蝕減薄起到促進(jìn)作用。為了防止和延緩鍋爐水冷壁及過(guò)熱器高溫腐蝕問(wèn)題，需要從入爐生物質(zhì)的品質(zhì)、鍋爐受熱面的設(shè)計(jì)和日常運(yùn)行參數(shù)調(diào)整等方面進(jìn)行一體化控制，具體如下：

（1）在機(jī)組選型過(guò)程時(shí)，要統(tǒng)籌考慮全廠能耗效率和鍋爐受熱面高溫腐蝕的問(wèn)題，盡量使汽包內(nèi)的飽和溫度、水冷壁表面溫度避開(kāi)腐蝕溫度區(qū)間；在鍋爐管材的選用過(guò)程中，考慮采用耐腐蝕好的管材，如20G、TP347H等材質(zhì)，或在部分水冷壁管壁外進(jìn)行噴涂。

（2）嚴(yán)把入爐生物質(zhì)燃料的品質(zhì)關(guān)。加強(qiáng)生物質(zhì)燃料的混合摻配工作，綜合考慮各品種的熱值、灰分、水分、易燃性等方面，確保入爐生物質(zhì)品質(zhì)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。同時(shí)，控制或杜絕氯、硫等含量高的生物質(zhì)品種入爐燃燒；另外對(duì)稻麥草類秸稈進(jìn)行干燥處理，降低其水分，減輕燃料卡堵的現(xiàn)象，進(jìn)而穩(wěn)定燃燒。

（3）加強(qiáng)燃燒調(diào)整，配合鍋爐爐排的振動(dòng)頻率和幅度，以及間隔時(shí)間，合理調(diào)整分配鍋爐一、二次風(fēng)。特別是，當(dāng)采用顆粒度小、高水分的木屑、稻殼等燃料時(shí)，要加大二次風(fēng)量，提高其穿透性，防止密相區(qū)轉(zhuǎn)移，防止在爐膛以外的區(qū)域發(fā)生二次再燃。

（4）采用機(jī)械方式或者高壓水沖洗對(duì)鍋爐水冷壁、過(guò)熱器表面進(jìn)行清焦清灰時(shí)，應(yīng)盡量避免破壞受熱面管壁的保護(hù)性垢層；要不就將管壁表面進(jìn)行徹底清理干凈。

（5）對(duì)存在磨損的區(qū)域可采對(duì)水冷壁迎火面進(jìn)行防磨防腐噴涂等防磨措施，減緩磨損減薄，并在更換過(guò)程中提高材質(zhì)。另外，定點(diǎn)跟蹤檢查，注意腐蝕減薄的發(fā)展。

（6）鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，盡量提高鍋爐蒸汽參數(shù)，從而提高鍋爐汽包給水的飽和溫度，增大省煤器出口給水的欠焓，確保水冷壁水動(dòng)力穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

由于生物質(zhì)直燃鍋爐高溫受熱面腐蝕，特別是屏式過(guò)熱器、高溫段的水冷壁等，是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，影響的環(huán)節(jié)和因素很多，要想解決好這些問(wèn)題，還需要做大量的科學(xué)實(shí)踐論證，進(jìn)一步探討其腐蝕機(jī)理，研究其防治措施，達(dá)到生物質(zhì)直燃鍋爐鍋爐長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的，進(jìn)而提高生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)設(shè)備可靠性和健康水平。

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