火電廠高溫?zé)煔飧g機(jī)理及腐蝕控制措施探討

王雅潔 陳必能 王婉煜 劉 軒 邵 騫

（1.中蝕國(guó)際腐蝕控制工程技術(shù)研究院（北京）有限公司，北京 100101；2.廣東博盈特焊技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引言

火電廠水冷壁管、過熱器管、再熱器管和省煤器管是高溫?zé)煔飧g最容易發(fā)生的部位，這四個(gè)部位的可靠性直接關(guān)系到火電廠能否安全運(yùn)行[1]。因此，深入分析這四個(gè)部位腐蝕的成因及影響因素,并針對(duì)各種原因從不同方面探討了減輕和防止高溫?zé)煔飧g的具體措施是十分必要的。

1 高溫?zé)煔飧g機(jī)理

火電廠高溫?zé)煔飧g主要指水冷壁管、過熱器管、再熱器管和省煤器管高溫?zé)煔鉁y(cè)的腐蝕。煤粉鍋爐中，高溫腐蝕主要有三種硫腐蝕、熔鹽腐蝕和氯腐蝕。硫腐蝕主要發(fā)生在爐膛水冷壁上[2]；熔鹽腐蝕主要發(fā)生在高溫受熱面上，如過熱器和再熱器；氯腐蝕主要發(fā)生在小型鍋爐的過熱器上和地下鍋爐燃燒器區(qū)域的水冷壁上。

2 高溫?zé)煔飧g分類

2.1 硫腐蝕

2.1.1 腐蝕介質(zhì)包括：H2S、SO2和S三種腐蝕，腐蝕性依次為S，H2S，SO2

2.1.2 腐蝕介質(zhì)的產(chǎn)生及腐蝕原理

（1）H2S氣體的腐蝕

1）H2S氣體產(chǎn)生：

含硫燃料在還原性環(huán)境下燃燒，將會(huì)產(chǎn)生大量的H2S氣體。研究表明當(dāng)空氣中的氧含量低于1%，H2S氣體含量就開始不斷增加，并且氧含量越低，H2S氣體含量增加的越快。

2）H2S氣體的腐蝕

H2S氣體擴(kuò)散滲透到 Fe3O4中，與其中的FeO發(fā)生反應(yīng)；直接與金屬Fe發(fā)生反應(yīng)：

一旦氣氛中氧氣的含量增加，F(xiàn)eS就會(huì)被氧化為硫單質(zhì)：

3）生成的FeO是多孔疏松的，對(duì)基體金屬不起保護(hù)作用，故腐蝕作用將一直持續(xù)下去。

（2）SO2氣體腐蝕

含硫燃料在有氧環(huán)境下燃燒：

硫化氫氣體和二氧化硫氣體反應(yīng)如下：

SO2氣體的腐蝕變?yōu)閱钨|(zhì)S的腐蝕。

（3）單質(zhì)S腐蝕

1）單質(zhì)S的來源：

a.硫化氫氣體和二氧化硫氣體反應(yīng)而來：

b.當(dāng)腐蝕介質(zhì)中含有足夠的氧氣時(shí)還將發(fā)生如下反應(yīng)：

c.環(huán)境中氧含量大一定以后（2%），氧將擴(kuò)散到腐蝕層FeS中，發(fā)生如下反應(yīng)：

2）單質(zhì)S的腐蝕

穿透金屬表面的氧化膜到達(dá)金屬表面，并且沿著金屬晶間擴(kuò)散，與內(nèi)部金屬發(fā)生硫化反應(yīng)，同時(shí)使得氧化膜開裂脫落，反應(yīng)方程式如下：

2.2 融鹽腐蝕

2.2.1 燃煤鍋爐

（1）熔鹽腐蝕種類：堿金屬硫酸鹽腐蝕和焦硫酸鹽腐蝕；

（2）條件：腐蝕氣氛中含有一定量的SO2和SO3；

（3）熔鹽腐蝕機(jī)理。

1）堿金屬硫酸鹽腐蝕

當(dāng)煙氣中含有一定量的堿金屬氧化物，同時(shí)含有一定的 SO2、SO3時(shí)，將發(fā)生如下反應(yīng)：

a.去除氧化膜

生成的硫酸鹽將沉積到金屬管道表面，高溫?zé)煔庵械腟O3透過積灰層向管子表面擴(kuò)散，與金屬管道表面的氧化層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)的復(fù)合硫酸鹽：

b.腐蝕基體

反應(yīng)生成的復(fù)合硫酸鹽熔點(diǎn)低，在溫度550℃～600℃范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的流動(dòng)性和腐蝕性，還將和去除了氧化膜的金屬基體直接發(fā)生反應(yīng)：

2Na3Fe(SO4)3+10Fe→3Na2SO4+[3FeS+3Fe3O4]

[3FeS+3Fe3O4]是一種黑色玻璃狀的熔融物，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，還將繼續(xù)被氧化；

2）焦硫酸鹽腐蝕

a.焦硫酸鹽的形成

溫度在400℃～480℃之間、煙氣中含有一定量的SO3，產(chǎn)生焦硫酸鹽，反應(yīng)方程式如下：

b.焦硫酸鹽去除氧化膜和腐蝕基體

生成的焦硫酸鹽熔點(diǎn)很低，呈現(xiàn)熔融狀，腐蝕性能極強(qiáng)，將直接與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)：

生成的復(fù)合硫酸鹽還將繼續(xù)和金屬Fe發(fā)生反應(yīng)。熔融復(fù)合硫酸鹽的腐蝕活性與溫度有關(guān)，溫度在550℃～710℃之間呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)（熔融態(tài)），當(dāng)溫度低于550℃時(shí)，呈現(xiàn)固態(tài)，不發(fā)生腐蝕，當(dāng)溫度高于710℃時(shí)，復(fù)合硫酸鹽發(fā)生分解，釋放出SO3而生成正硫酸鹽，同樣不發(fā)生腐蝕。復(fù)合硫酸鹽Na3Fe(SO4)3在管壁溫度590℃時(shí)對(duì)金屬的腐蝕性最強(qiáng)，在600℃以上則發(fā)生分解；

3）鞏腐蝕

燃燒重油時(shí)，重油中的釩會(huì)形成低熔點(diǎn)化合物，沉積在爐膛水冷壁表面，破壞管壁氧化膜，加快腐蝕速率。一般認(rèn)為：鈉是與釩反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物的主要元素，釩鈉化合物534℃時(shí)就能熔化。盡管燃料中釩的含量極低，但在鍋爐運(yùn)行中，釩的化合物會(huì)不斷地沉積在爐膛受熱面上，出現(xiàn)濃縮，當(dāng)累積量達(dá)到一定數(shù)值后，將發(fā)生嚴(yán)重的釩腐蝕。

2.3 氯腐蝕

（1）燃煤電廠和生物質(zhì)發(fā)電；

（2）燃煤和燃油電廠中，由于煤和原油含氯較低，氯腐蝕存在的可能性不大；但垃圾發(fā)電廠中，由于垃圾中的氯含量較高，常見發(fā)生氯腐蝕[3]；

（3）對(duì)燃煤鍋爐，只有煤含氯量較高時(shí)（大于 0.35%）并且近壁處是還原性氣氛，存在一定量的CO氣體，鍋爐水冷壁就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。

1）氯的釋放

溫度范圍在400℃～600℃之間。燃煤中的氯元素在燃燒過程中以KCl的形式釋放出來，反應(yīng)如下：

2）氧化膜的破壞

HCl氣體能夠破壞金屬表面的氧化膜，并且能和金屬鐵發(fā)生反應(yīng)：

3）腐蝕基體

3 高溫?zé)煔飧g控制措施

根據(jù)前述火電廠高溫?zé)煔獾母g類型及腐蝕機(jī)理介紹，提出如下腐蝕控制措施。

3.1 改善燃燒區(qū)的還原氣氛

合理配風(fēng)并強(qiáng)化爐內(nèi)氣流的混合過程，同時(shí)降低空預(yù)器等設(shè)備的漏風(fēng)；采用增加側(cè)邊風(fēng)、貼壁風(fēng)等技術(shù)，在水冷壁附近形成氧化氣氛，以改善-燃燒區(qū)的氧量，避免出現(xiàn)局部還原性氣氛，緩解高溫腐蝕的發(fā)生。

3.2 控制燃料中的硫和氯含量

控制燃料中的硫和氯含量可降低腐蝕速率。應(yīng)燃用含硫量低于0.8%的煤種，以降低腐蝕速率。

3.3 調(diào)整燃燒并控制煤粉細(xì)度

調(diào)整燃燒器，避免火焰對(duì)側(cè)墻的直接沖撞，加強(qiáng)一次風(fēng)煤粉氣流的調(diào)整、盡可能使各燃燒器煤粉流量相等，保證燃燒器出口氣流的煤粉濃度均勻分布；在磨煤機(jī)出 口加裝動(dòng)靜分離器，控制煤粉細(xì)度，減少腐蝕發(fā)生的概率，以降低腐蝕和磨損。

3.4 避免出現(xiàn)受熱面超溫

因?yàn)殚L(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)造成過熱器管內(nèi)工質(zhì)流量過小，流速過低，嚴(yán)重影響了管子內(nèi)外熱交換，造成管壁溫度過高，而爐膛溫度不可能 同時(shí)降低，造成管子短時(shí)間超溫。所以應(yīng)盡量避免長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)控制爐內(nèi)局部特別是燃燒器區(qū)域附近的火焰中心處的最高溫度及熱流密度，避免出現(xiàn)受熱面壁溫局部過高，減輕高溫腐蝕。

3.5 改善受熱面狀況

對(duì)水冷壁、過熱器等受熱面管進(jìn)行熱噴涂，噴涂耐腐蝕材料，也可對(duì)水冷壁管進(jìn)行表面補(bǔ)焊或改用抗腐蝕性能好的鐵素體合金鋼管或復(fù)合鋼管，以改善爐管金屬表面狀況，提高金屬材料的耐腐蝕性能。

3.6 采用低氧燃燒技術(shù)

采用低氧燃燒，供給鍋爐燃燒室的空氣量減少，燃料中的硫在爐膛中與氧接觸時(shí)生成的二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫的轉(zhuǎn)化率降低，而二氧化硫呈氣體狀態(tài)，它隨著煙氣經(jīng)過脫硫排入大氣，由干三氧化硫的濃度低，發(fā)生高溫腐蝕的機(jī)會(huì)就會(huì)減少。同時(shí)，由于空氣量減少，燃燒后煙氣體積減小，排煙溫度下降，鍋爐效率提高。