論火電廠鍋爐水冷壁高溫腐蝕及防護(hù)

焦英智

摘要：鍋爐水冷壁高溫腐蝕是火電廠比較常見的問題，許多火電站都存在不同程度的鍋爐水冷壁高溫腐蝕情況，這給電廠安全生產(chǎn)也帶來了一定影響。本文主要是對(duì)火電廠鍋爐水冷壁高溫腐蝕及其防護(hù)措施的探究，詳細(xì)闡述了水冷壁高溫腐蝕機(jī)理、腐蝕的原因，進(jìn)而就水冷壁高溫腐蝕的防護(hù)提出幾條對(duì)策，希望通過本文能為火電廠鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題解決提供一些助益。

關(guān)鍵詞：火電廠;鍋爐水冷壁;高溫腐蝕;防護(hù)對(duì)策

引言

電力能源在社會(huì)生產(chǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜匾巧＝┠辏S著社會(huì)發(fā)展步伐的進(jìn)一步加快，社會(huì)對(duì)電力需求量也在快速增長，這大大地增加電力工業(yè)的生產(chǎn)負(fù)荷。因此，火電廠鍋爐容量也相應(yīng)增加以滿足生產(chǎn)需求。而鍋爐水冷壁高溫腐蝕是當(dāng)前許多火電廠需要面對(duì)的一個(gè)常見問題，影響了火電廠的安全生產(chǎn)。所以，對(duì)水冷壁高溫腐蝕進(jìn)行研究，并找出有效的防護(hù)策略具有重要意義。下文講究火電廠鍋爐水冷壁高溫腐蝕及其防護(hù)進(jìn)行探討。

一、水冷壁高溫腐蝕機(jī)理

在鍋爐燃燒器高度范圍即標(biāo)高11m至18m的區(qū)域內(nèi)，水冷壁管外壁表面因腐蝕損耗減薄。這種腐蝕為還原氣氛腐蝕。

電廠鍋爐所使用的燃煤通常含有Na、K、S等，燃燒后產(chǎn)生這些元素的氧化物。鍋爐運(yùn)行時(shí)水冷壁首先發(fā)生氧化，在其表面形成Fe2O3。從中升華的Na2O和K2O凝結(jié)在管壁上，與煙氣中的SO3化合成硫酸鹽M2SO4。M2SO4有粘性，可捕捉飛灰，形成結(jié)渣。煙氣中的SO3穿過灰渣層與M2SO4及Fe2O3發(fā)生反應(yīng)，生成具有低熔點(diǎn)的復(fù)合硫酸鹽，可引起管道的熱腐蝕。

鍋爐水冷壁壁面的煙溫高達(dá)1000℃，管內(nèi)水的工作溫度在360℃以上，管壁存在溫度梯度，其最表層溫度在（450～650）℃之間。當(dāng)覆蓋于管壁外表面的硫酸鹽與管材氧化后生成的氧化物形成低熔點(diǎn)液態(tài)共晶時(shí)，就會(huì)構(gòu)成基體金屬-氧化膜-熔鹽層-含硫煙氣的4相3界面系統(tǒng)，導(dǎo)致基體金屬發(fā)生電化學(xué)過程的低溫?zé)岣g。鍋爐水冷壁管高溫腐蝕有以下2種型式。

（1）硫化物型腐蝕燃煤中的硫鐵礦FeS2隨著煤粒和灰粒粘著在水冷壁上，受熱后發(fā)生分解：FeS2→FeS+S，而后，S又與管壁金屬化合生成FeS，F(xiàn)eS再繼續(xù)氧化成Fe2SO4，使管壁受到腐蝕。實(shí)驗(yàn)證明，這種腐蝕過程在溫度≥350℃時(shí)進(jìn)行得非常迅速。350℃是高壓鍋爐水冷壁管壁溫范圍，因此相當(dāng)數(shù)量的高壓鍋爐都會(huì)發(fā)生水冷壁高溫腐蝕。同樣的燃煤對(duì)中壓鍋爐的水冷壁管均無損傷，因?yàn)樗鼈兊乃浔诠鼙跍卦?55℃左右。

（2）硫酸鹽型腐蝕存在于結(jié)積物中的FeS2可產(chǎn)生SO2和SO3。水冷壁管溫度在（310～420）℃情況下，管壁表面能形成正常的Fe2O3層。煤燃燒時(shí)升華出來的堿性金屬氧化物Na2O及K2O凝結(jié)在管壁上，它們與煙氣中的SO3化合成NaSO4和M2SO4（即K2SO4），M2SO4有粘性，它可捕集灰粒粘結(jié)成灰層，于是灰表面溫度上升，外面形成渣層和流渣。煙氣中的SO2穿透上述灰渣層，在灰層內(nèi)發(fā)生下列反應(yīng)：3M2SO4+Fe2O3+3SO3→2M3Fe（SO4）3灰渣層脫落后，管壁上產(chǎn)生新的Fe2O3層，于是再度發(fā)生上述反應(yīng)，形成循環(huán)腐蝕過程。

二、水冷壁高溫腐蝕的原因

（一）高溫

高溫火焰的沖刷加劇了水冷壁管的高溫腐蝕，一方面，高溫使得硫酸鹽分解過程得以加快，提高了腐蝕速度;另一方面，沒有充分燃盡的煤粉沖刷水冷壁，加快了壁管保護(hù)膜的破壞速度，提高了腐蝕速度。此外，水冷壁管的壁管局部溫度過高，尤其是達(dá)到350℃的強(qiáng)烈腐蝕溫度，一些粘附于管壁的腐蝕性的化合物會(huì)誘發(fā)高溫腐蝕。

（二）存在還原性氣體

沒有燃盡的煤粉進(jìn)一步燃燒時(shí)會(huì)發(fā)生不完全燃燒，使得煙氣中存在CO、H2等還原性氣體以及H2S等腐蝕性氣體，因此產(chǎn)生的游離硫和硫化物會(huì)與管壁的金屬反應(yīng)而腐蝕管壁。相關(guān)研究表明，高溫腐蝕隨著煙氣中CO濃度的增加而加重;當(dāng)H2S的濃度>0.01%時(shí)則會(huì)強(qiáng)烈腐蝕水冷壁金屬。

（三）燃煤品質(zhì)不佳

燃煤中含有較多的氧化物、硫以及堿金屬等物質(zhì)，會(huì)增加水冷壁腐蝕性介質(zhì)的濃度，進(jìn)而增加水冷壁高溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。如含硫量高的燃煤會(huì)產(chǎn)生較多的硫化物，使得管壁的氧化保護(hù)膜被破壞，降低金屬管壁的厚度和強(qiáng)度。此外，燃煤顆粒越大，完全燃燒越不容易，不僅容易產(chǎn)生還原性氣氛，還會(huì)增加管壁的磨損程度，使得氧化膜被破壞，加劇高溫腐蝕。

（四）運(yùn)行不當(dāng)

在鍋爐負(fù)荷改變時(shí)，如果出現(xiàn)火嘴投停不當(dāng)?shù)冗\(yùn)行不當(dāng)情況，則可能會(huì)影響燃燒的穩(wěn)定性，引發(fā)還原性氣氛，從而造成高溫腐蝕。

三、水冷壁高溫腐蝕的防護(hù)對(duì)策

（一）應(yīng)用熱噴涂

采用熱噴涂防護(hù)水冷管壁，在預(yù)防水冷壁高溫腐蝕方面效果較為突出。其中，等離子噴涂與電弧噴涂的熱噴涂方式可在水冷管壁上形成具低孔隙率、高結(jié)合強(qiáng)度以及少氧化物的保護(hù)涂層，而火焰噴涂并不具備這些優(yōu)勢，如等離子噴涂孔隙率為3%～8%，火焰噴涂孔隙率高達(dá)10%～20%，而電弧噴涂孔隙率為5%～15%。此外，電弧噴涂還具有低成本、高安全性以及高能源利用率的優(yōu)勢，如能源利用率可達(dá)到60%～70%。因此，綜合考慮，電弧噴涂技術(shù)更優(yōu)，在噴涂防護(hù)方面的應(yīng)用也越來越多，在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用效果也更佳。

（二）改善還原性氣氛

改善還原性氣氛的措施包括：（1）在四面水冷壁上增設(shè)煙氣取樣監(jiān)測點(diǎn)，并且加裝兩級(jí)具有調(diào)控功能的貼壁風(fēng)，確保配風(fēng)狀況符合要求;（2）根據(jù)鍋爐負(fù)荷的變化，對(duì)腰部風(fēng)進(jìn)行及時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如負(fù)荷高時(shí)調(diào)大腰部風(fēng);（3）改進(jìn)雙通道燃燒器，如增加雙通道燃燒器背火側(cè)腰部風(fēng)寬度，以改善還原性氣氛。

（三）強(qiáng)化給水控制

根據(jù)實(shí)際情況，將水冷壁壁管內(nèi)部水流速適度提高，從而使管壁溫度降低。同時(shí)進(jìn)一步提升給水品質(zhì)，以免水在水冷壁內(nèi)形成結(jié)垢降低換熱效果，提高水冷壁管溫度。

（四）應(yīng)用熱滲鋁法

熱滲鋁法其實(shí)質(zhì)是采用熱處理技術(shù)，使得一定濃度的鋁原子滲入到鋼件表面形成鋁鐵合金保護(hù)層。對(duì)水冷壁應(yīng)用熱滲鋁防護(hù)，則主要針對(duì)水冷壁外管壁進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)處理后水冷壁管則在金屬基層之上增加了氧化鋁硬殼層與鋁鐵合金層，有效地增強(qiáng)了管壁的耐磨、耐高溫氧化以及耐腐蝕性能。此外，滲鋁防護(hù)在處理過程中產(chǎn)生的氧化皮很容易使水冷壁管產(chǎn)生結(jié)垢甚至爆管，而使用常溫鹽酸浸泡法就能較好地解決該問題。

（五）加強(qiáng)燃料的控制

控制燃料從這兩方面入手：（1）降低燃料含硫量：在燃燒前采用微波法、強(qiáng)磁分離法以及機(jī)械懸浮選法等物理化學(xué)方法將原煤清洗干凈，其中機(jī)械懸浮方式是應(yīng)用最廣的一種燃燒前降低原煤含硫量的方法;燃燒中則將除硫劑（如石灰石）等加入爐內(nèi)與燃煤相混合，從而使降低硫含量與腐蝕性物質(zhì)濃度，從而減少高溫腐蝕的發(fā)生。（2）控制煤粉顆粒大小：煤粉的細(xì)度與均勻性都應(yīng)嚴(yán)格控制，如對(duì)粗粉分離器擋板開度、磨煤機(jī)以及回粉閥等進(jìn)行調(diào)整，使得煤粉細(xì)度符合生產(chǎn)要求。

結(jié)束語

總而言之，火電廠鍋爐燃燒過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，鍋爐水冷壁很容易發(fā)生高溫腐蝕問題，該問題得不到解決則會(huì)對(duì)火電廠安全生產(chǎn)造成較大的影響。在應(yīng)對(duì)鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題時(shí)，應(yīng)根據(jù)高溫腐蝕機(jī)理、高溫腐蝕發(fā)生的原因，有針對(duì)性地制定防護(hù)策略，從而有效減少或防范鍋爐水冷壁受熱面高溫腐蝕問題多的發(fā)生。

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