燃煤鍋爐低溫省煤器腐蝕失效分析與防控措施*

蔣良雄

(中國石化揚子石油化工有限公司熱電廠，江蘇 南京 210018)

國內煤炭資源豐富，各地的煤質相差很大。為節省成本，火力發電廠會選用劣質煤，或配煤混合燃燒。燃煤鍋爐的運行工況不同程度地偏離原設計條件，頻繁地發生腐蝕失效、非計劃停工等共性問題。燃煤鍋爐的煙氣含有腐蝕性介質和固體顆粒，在省煤器、預熱器的冷卻過程中存在相變、因硫酸氫銨液化導致飛灰黏結積灰堵塞、引發流動磨損，造成局部的、突發的和高風險的腐蝕失效[1-7]。故障形式主要為換熱管磨損穿孔泄漏和煙氣的積灰局部嚴重堵塞。

針對燃煤鍋爐省煤器的失效問題，開展系統的過程分析，在流動腐蝕預測的基礎上提出科學合理的防控措施。

1 基本情況

按照環保排放標準，某熱電廠燃煤鍋爐進行了兩次脫硝改造。第一次按照《火電廠大氣污染物排放標準》進行設計，確保鍋爐出口NOx排放質量濃度小于100 mg/m3。第二次超潔凈排放改造是按照《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》要求進行的，確保鍋爐出口NOx排放質量濃度小于50 mg/m3。

第二輪超潔凈排放改造工程，對尾部煙道結構進行了改造，去除原煙道內布置選擇性催化還原(SCR)催化劑層煙道，并在此位置增設煙氣引出煙道、脫硝反應器和煙氣引入煙道等設施。鍋爐采用低氮氧化物燃燒器(LNB)+燃燼風(OFA)+選擇性非催化還原(SNCR)+選擇性催化還原法(SCR)聯合脫硝技術方案。

經過脫硝改造，煙氣達到了排放指標，但頻繁出現低溫省煤器和低溫預熱器飛灰沉積堵塞、爐管穿孔等失效事故，增加了運行能耗，縮短了設備的運行周期。通過失效分析，明確流動沉積與磨損的失效機理，提出針對性的防控策略。

2 腐蝕失效分析

2.1 失效形貌分析

燃煤鍋爐低溫省煤器管束中的飛灰沉積位置見圖1。在低溫省煤器中的支撐板附近、換熱管束和H型翅片出現嚴重的結垢、積灰，省煤器管束的飛灰沉積狀況見圖2(a)和圖2(b)。圖1中標出了管束穿孔位置，管束穿孔情況見圖2(c)。

圖1 低溫省煤器管束的飛灰沉積位置

圖2 低溫省煤器管束的飛灰沉積

從圖2(a)中可以看出，在管束上方支撐板單側飛灰沉積堵塞5個H型翅片通道；從圖2(b)中可以看出，在管束下方支撐板單側飛灰沉積堵塞14個H型翅片通道。鑒于支撐板兩側飛灰沉積堵塞呈現梯形，隨著高度的增加積灰寬度變窄，從而可以初步判定積灰從管束下方逐漸累積向上，積灰部位起始于支撐板下方的支撐梁上表面。積灰硬度較大，不是干粉顆粒的表面堆積，明顯是黏附團聚堆積，說明可能與硫酸氫銨團聚有關。

2.2 飛灰沉積樣品分析

對低溫省煤器沉積飛灰進行采樣，通過掃描電子顯微鏡(SEM)獲取沉積樣品的形貌，通過粒徑測試得到飛灰尺寸分布，通過能譜儀(EDS)分析，獲取樣品表面的元素組成。

飛灰樣品用一層薄金濺射涂層制備樣品，SEM放大范圍為萬倍，分辨率可達到納米級，SEM觀察結果見圖3。

圖3 飛灰沉積物的電鏡掃描圖

由圖3可以看出，飛灰沉積顆粒個體以球形或近似球形出現，同時顯示出顆粒團簇的現象。小顆粒間存在團聚現象，原始形狀清晰可見；大顆粒表面的較大亞微米顆粒也發生了形態變化，大多呈扁平狀貼附在大顆粒表面，相對較大粒徑的顆粒之間發生了相互黏結的現象。顆粒與顆粒之間連接緊密，較多的顆粒不再呈單體形態，飛灰沉積物有了很大的形貌變化。同時還可以看出，飛灰顆粒多是突起連接在一起，這是明顯的物理黏結現象。

利用粒度儀對飛灰沉積物進行粒徑測試，飛灰顆粒的粒徑的分布范圍為0～630 μm，平均粒徑為84 μm。可以發現翅片間沉積物中的飛灰顆粒尺寸較大，而粒徑小于10 μm的僅有9.68%，說明在支撐板附近的堵塞飛灰以粒徑較大的顆粒為主，小粒徑的飛灰不易在此發生沉積。

飛灰沉積物的EDS表面元素能譜圖見圖4，元素含量見表1。

圖4 飛灰沉積物EDS分析

表1 飛灰沉積物EDS表面元素組成

由EDS測試結果可知，飛灰沉積物顆粒基本都含有C,O,Si,Na,Al,Fe,Ca,Mg等元素，其中Si,O,Al等元素含量相對較高，部分測試區域含有C元素，說明飛灰中存在未燃盡碳。另外，在飛灰沉積物樣品檢測中發現S元素質量分數為0.87%，尤其在小粒徑飛灰顆粒團聚的區域。根據顏魯[9]對硫酸氫銨黏附研究的試驗數據，對原煤灰進行取樣檢測，在原始飛灰顆粒中基本不含S元素，S元素主要分布在煙氣中。這說明S元素發生了化學反應轉移到了飛灰沉積物中，飛灰顆粒與硫酸氫銨間發生相互作用產生了黏附效果。

2.3 硫酸氫銨產生的機理

從飛灰沉積物的樣品中發現了S元素，預測硫酸氫銨對飛灰顆粒產生黏附和團聚作用。下面從脫硝工藝來進一步分析硫酸氫銨的產生機理。

熱電廠鍋爐燃煤產生的高溫煙氣依次經過高溫省煤器、高溫預熱器、脫硝裝置、低溫省煤器和低溫預熱器，最終從煙囪排出。煙氣的流程是一個熱量回收的工藝，同時需要保證排放氣體的氮氧化物含量達標。采用LNB+OFA+SNCR+SCR組合脫硝技術方案。

通過LNB技術在源頭上減少NOx的排放，首先將NOx排放濃度降至350～400 mg/m3以下；然后在鍋爐爐膛燃燒區域上部和爐膛出口850～1 100 ℃煙氣溫度區域向煙氣中噴射過量的氨氣,從而實現SNCR反應，將NOx排放濃度降至240 mg/m3以下；過量的氨氣從高溫省煤器上部補氨，噴槍噴入的氨氣在下游SCR催化劑的作用下，進一步實施脫硝反應。經過上述工藝技術組合實現較高的脫硝效率。

由于在鍋爐煙氣中存在SO2等氣體，催化劑中的活性組分釩在催化降解NOx的過程中，也會對SO2的氧化起到一定的催化作用，SO2轉化為SO3。反應生成的SO3進一步同煙氣中逃逸的氨反應，生成硫酸氫銨和硫酸銨[10-13]，其反應如下：

(1)

(2)

硫酸銨是一種干燥粉末狀物質，易通過吹灰去除，不會對煙氣飛灰造成過大影響。硫酸氫銨則是一種黏度極高的物質，熔點為147 ℃，沸點為350 ℃，在此溫度區間內，為硫酸氫銨的熔融狀態，處于液態的硫酸氫銨具有極強的黏性。當煙氣經過低溫省煤器時，溫度降至185 ℃以下，煙氣中的氣態硫酸氫銨會冷凝黏附在飛灰顆粒表面，增加了飛灰顆粒之間的黏性，加劇了飛灰顆粒的團聚和沉積；硫酸氫銨黏附在低溫省煤器爐管、翅片、支撐板和支撐梁等接觸表面，在低速區就會加劇飛灰顆粒的沉積，造成低溫省煤器管間堵塞，同時對接觸設備表面具有腐蝕性。

結合飛灰顆粒的分析結果以及脫硝工藝方案，確定了該鍋爐煙氣中存在硫酸氫銨，硫酸氫銨在低溫省煤器區域冷凝黏附到飛灰顆粒表面，導致飛灰顆粒的沉積堵塞。因此可以得出工藝上的過量噴氨是產生硫酸氫銨的源頭，是造成飛灰沉積堵塞的主因。

2.4 煙氣流場分析

燃煤鍋爐產生的煙氣流場主要受溫度場、速度場和飛灰顆粒運動規律的影響。

(1)溫度場。燃煤鍋爐產生的煙氣經過高溫省煤器、高溫預熱器降溫后，到達低溫省煤器入口，其溫度在270 ℃左右。煙氣夾帶著飛灰顆粒自上而下穿過爐管間隙，并與爐管內介質交換熱量，煙氣及飛灰顆粒的溫度逐漸降低，流出低溫省煤器的溫度在170 ℃左右。根據前面分析得知，當煙氣溫度低于185 ℃時，煙氣中的氣態硫酸氫銨會冷凝黏附到飛灰顆粒、爐管及H型翅片表面，因此低溫省煤器下部區域將是硫酸氫銨冷凝區域，也將是產生飛灰沉積堵塞及腐蝕的重點區域。如果沒有飛灰沉積堵塞，煙氣將與爐管及H型翅片全部充分接觸，換熱面積達到最大化，換熱效率最高。如果飛灰沉積堵塞占據了部分H型翅片通道(圖2)，這部分區域的換熱管和H型翅片就不能參與換熱，換熱面積減小，熱回收效率降低。因此，飛灰沉積堵塞不僅會增加能耗，也會降低熱回收效率。

(2)速度場。低溫省煤器的爐管上等間距布置的H型翅片，不僅增大換熱面積，同時實現煙氣和飛灰顆粒的均勻分布。在H型翅片均流作用下，煙氣及夾帶的飛灰顆粒均勻分配于縱向H型翅片通道中發生熱交換。實際上煙氣流經爐管時，會發生繞流現象，爐管下方會產生低速區或者渦流，易造成飛灰沉積。從圖1可以看出，爐管管束放置在支撐梁上，煙氣離開低溫省煤器管束時會在支撐梁附近產生繞流和局部渦流，會對飛灰的沉積產生影響。結合圖1和圖2可以分析，當爐管表面發生飛灰沉積堵塞時，煙氣及飛灰顆粒的通道面積將被壓縮，煙氣及飛灰顆粒流速增加，加速磨損。

(3)飛灰顆粒運動規律。 從圖2(a)和圖2(b)中可以看出，飛灰沉積是沿著低溫省煤器支撐梁上方的支撐板從下向上逐漸減少的，說明飛灰沉積的初始位置在支撐板的底部，也就是支撐梁的上表面。支撐板兩側的煙氣和飛灰顆粒向下運動到底部支撐梁上表面處會發生偏轉流動，在支撐梁上表面與垂直的支撐板之間形成一個低速渦流區，飛灰顆粒在此有著較低的運動速度。同時由于飛灰沉積物中90%顆粒以上都為10 μm以上的大顆粒，由于重力的作用，慣性沉積占據了主導地位[14]，易與支撐梁發生碰撞沉積。粒徑小于10 μm的飛灰顆粒隨動性很強，受湍流擴散影響較大，不易在此發生沉積，但是會在爐管下方沉積。

對于沒有硫酸氫銨的飛灰顆粒在支撐梁表面會產生松散積灰，當填滿這個低速渦流區后就很難有飛灰顆粒沉積下來，也就不會繼續向上發生沉積增長。這就解釋了該設備在脫硝工藝改造之前是飛灰沉積堵塞不明顯的原因。對于脫硝工況下產生硫酸氫銨的飛灰顆粒，在這個低速渦流區會產生黏結積灰，由于硫酸氫銨的黏附性很強，黏結積灰的區域會不斷上升。當飛灰積累到H型翅片底部以后，由于H型翅片限制了煙氣及飛灰顆粒的橫向流動，導致積灰區相鄰的H型翅片下行通道被堵，飛灰顆粒在慣性力的作用下逐漸沉積增長，發生嚴重堵塞，同時造成煙氣和飛灰顆粒的縫隙流速增加。要想減少飛灰顆粒的沉積，可以從抑制支撐梁上飛灰的初始沉積角度出發制定合理方案。

2.5 省煤器流動磨損分析

在低溫省煤器出現飛灰沉積以后，開始陸續出現低溫省煤器爐管穿孔現象。出現位置經常是在爐管偏下方幾排爐管管束上，爐管穿孔的照片如圖2(c)所示。造成爐管減薄穿孔的原因很多，最主要的可以分為兩大類：腐蝕減薄和磨損減薄。從圖2(c)中可以看出，失效的爐管樣品銹跡斑斑，腐蝕特征比較明顯。從爐管上沉積的飛灰成分分析也可以得出爐管表面存在硫酸氫銨，硫酸氫銨對于爐管具有較強的腐蝕性，會造成爐管壁厚減薄。

從圖2(c)中還可以看出，翅片的上邊緣被磨成楔形坡口，表明此區域受到飛灰顆粒的切削作用較為明顯。已有的研究結果表明，鍋爐尾部換熱面的磨損與煙氣流速的n次方成正比(2.3

通過上述分析可以得出，脫硝工藝氨過剩產生的硫酸氫銨黏附在爐管和翅片外表面對其產生腐蝕，造成表面強度降低；硫酸氫銨凝結造成飛灰沉積堵塞,導致煙氣流道變窄，煙氣和飛灰顆粒速度增加，沖蝕磨損速率提高一倍。在腐蝕磨損和沖蝕磨損雙重作用下，爐管壁厚減薄加快，使用周期縮短。

3 防控對策

熱電廠燃煤鍋爐脫硝改造解決了污染物排放的問題，但是由于脫硝工藝產生的硫酸氫銨在低溫省煤器處發生冷凝而黏附在飛灰顆粒上，加劇了飛灰顆粒的團聚和沉積，導致了飛灰沉積堵塞、爐管腐蝕及磨損穿孔等問題。基于失效分析，為提高燃煤鍋爐省煤器耐流動沉積、磨損的本質安全與運行安全，提出以下防控策略:

(1)從工藝上控制硫酸氫銨的含量。

(2)從結構上抑制飛灰沉積。

(3)從技術上保護爐管。

通過以上方法可以有效地減少低溫省煤器飛灰沉積和爐管磨損，減少非計劃停工，從而保證設備長周期運行。