淺析燃氣鍋爐空預器低溫腐蝕原因及預防措施

陳令章, 張宇航, 冉燊銘, 曾 潔通信作者

1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室, 四川 成都 611731

2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司, 四川 自貢 643001

0 引言

隨著國家對環保的重視,鋼鐵企業對氣體污染物的改造治理需求變得十分迫切。鋼鐵企業在生產過程中會產生大量可燃廢氣,主要有高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣、焦化尾氣、蘭炭尾氣,部分廢氣還摻雜有高濃度酸性氣體,鋼鐵企業通過自備燃氣鍋爐可有效利用可燃廢氣進行發電,廢氣經鍋爐燃燒和工藝處理后達到排放標準,由于鋼鐵企業生產過程的特殊性,自備燃氣鍋爐能否長期穩定運行對鋼鐵企業安全生產十分重要。

空氣預熱器(以下簡稱空預器)作為燃氣鍋爐的重要設備之一,對鍋爐的穩定運行至關重要。空預器一般布置在鍋爐尾部煙道,處于鍋爐煙氣低溫區域,若煙氣中含S等酸性元素,鍋爐長期低負荷運行,很容易發生低溫腐蝕。

本文對某鋼鐵企業燃氣鍋爐管式空預器產生低溫腐蝕的原因進行了分析,并給出預防措施,對鋼鐵行業的安全生產及節能減排具有重要意義。

1 鍋爐低溫腐蝕及原因分析

1.1 鍋爐基本參數

燃氣鍋爐為超高溫亞臨界參數、自然循環、平衡通風、單爐膛鍋爐,燃料為焦化尾氣,燃料參數如表1所示,燃料中摻有高濃度酸性氣體。由于本項目煙氣中粉塵含量極少,空預器采用管式預熱器,錯列、臥式布置,管子采用螺旋槽管,管內為空氣流通通道,煙氣經管外流通并換熱,空預器具體布置形式如圖1所示。

圖1 空預器布置圖

表1 燃料參數

空預器采用上、下級分級布置,因燃料成分中含S,為防止低溫腐蝕,上級空預器換熱管采用ND鋼,下級空預器采用碳鋼外鍍搪瓷。

1.2 空預器運行現狀

鍋爐在投運一段時間后,發現爐膛內含氧量低,排煙溫度低,無法滿負荷運行。在停爐檢修期間經鍋爐檢修人員檢查后,確認下部空預器靠近冷風端入口處泄露(見圖1空預器布置圖左下方標注處)、腐蝕嚴重,用戶將腐蝕嚴重的管子取樣并進行了試驗分析。試驗樣管為同一根管道的冷端、熱端各取一截。

1.3 試驗內容及分析結果

1.3.1 樣品宏觀外貌

如圖2所示,未被腐蝕搪瓷管表面無穿孔、腐蝕坑,整體色澤均勻,但有較多白點,判斷搪瓷管表面可能存在雜質或孔隙。同時在光照條件下,可以觀察到明顯的針孔存在。所測搪瓷層厚度均大于300 μm,滿足NB/T 47049要求。

圖2 未腐蝕搪瓷管外貌

如圖3～4所示,受腐蝕搪瓷管表面有較多大小不一的圓形穿孔及圓形腐蝕坑,其中較大口徑穿孔主要集中在管子冷風入口端一側。結合受腐蝕搪瓷管表面形態及鍋爐燃料含S的特點,判斷受腐蝕管道表面存在低溫露點腐蝕現象。搪瓷管表面溫度越低的區域,越易發生凝露現象,也越容易發生硫酸露點腐蝕。

圖3 腐蝕搪瓷管表面清灰后外貌

圖4 受腐蝕搪瓷管外貌

沿著冷風入口方向,越進入空預器內,搪瓷管內的空氣溫度越高,對應的搪瓷管壁面溫度也越高,發生露點腐蝕概率逐漸降低,所以發生腐蝕的區域主要集中在靠近冷風端進口下部區域(壁面溫度最低區域),詳見圖1標注區域,而同一根管子的出口端區域(壁面溫度高)表面則相對良好。

1.3.2 樣品化學成分分析

搪瓷管材料為Q215A,從現場取回的樣管基材化學成分如表2所示,化學成分滿足GB/T 700規定的Q215A要求。

表2 樣管化學成分 單位:%

圖5為區域取環狀管樣(帶搪瓷)及灰樣。

圖5 取樣區域

如圖6所示,環狀管樣(帶搪瓷)搪瓷層截面有大量氣孔和一些球狀物,推測搪瓷存在氣孔及搪瓷粉未融合燒結缺陷。部分氣孔或未熔合區域尺寸極大,最高的大于351 μm,這種缺陷嚴重降低搪瓷層質量。

圖6 搪瓷層表面形貌

如圖7所示,灰樣表面不規則,整體較為松散。檢測結果顯示灰樣表面成分主要為C、O、S、Fe,成分含量如表3所示。結合鍋爐燃料特點,判斷灰中存在硫酸鹽腐蝕產物,判斷樣管腐蝕形式主要為硫酸露點腐蝕[1-3]。煙氣硫含量較高,是導致管子腐蝕的主要因素之一。

圖7 灰樣表面形貌

表3 灰樣主要成分分析結果 單位:%

1.3.3 結果分析

1)燃料中的硫含量影響。該項目設計工況為100%焦化尾氣和高濃度酸性氣體(主要為H2S,98.6 mol%)。其中的硫化物燃燒后會轉化成SO2,氧氣充足時又部分轉化為SO3,煙氣中SO3濃度越高則煙氣中酸的露點溫度越高。當煙氣溫度低于酸露點溫度時,SO3即會結合H2O在搪瓷管上凝結形成硫酸,硫酸與金屬基體及煙氣中飛灰反應,導致發生腐蝕和沾污,這個過程即低溫硫腐蝕和低溫沾污[4-6]。

Fe3O4+4H2SO4→FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2O

3Fe+4H2SO4+2O2→FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2O

低溫腐蝕的程度取決于燃氣中硫含量的高低,SO3濃度高,酸露點也高,空預器冷端搪瓷管上凝結的H2SO4也多。此外,煙氣露點也受煙氣中水分含量的一定影響,其趨勢是呈隨水分含量增大而有所提高[7-8]。

2)空預器不同區域腐蝕差異。空預器管泄漏點主要集中在下級空預器搪瓷管下半部分靠近冷風入口區域,此區域是冷空氣剛進入空預器的地方。根據該項目煙氣成分計算出酸露點溫度約為135 ℃,鍋爐在50%負荷以下運行時,空預器出口排煙溫度低于135 ℃,若長期低負荷運行,在空預器下部靠近出口處區域會存在煙氣溫度低于酸露點溫度的情況,進而產生了低溫硫腐蝕,而空氣出口端區域附近煙氣溫度高,基本未發生明顯腐蝕,說明環境條件尤其是溫度對空預器管腐蝕的影響較大。

3)低溫積灰的影響。除低溫硫腐蝕外,該項目下級空預器搪瓷管發生了輕微的低溫積灰現象,是因為煙氣中飛灰除形成松散堆積外,還會受到H2SO4、H2O 的凝結作用。當H2SO4凝結在搪瓷管表面時,一方面滲入搪瓷表面,溶解搪瓷管基材(Fe),另一方面在毛細管效應、慣性效應和攔截效應等作用下不斷捕捉飛灰顆粒并與其某些成分發生化學反應,最終生成酸性粘結灰,而灰垢的松散結構又易吸附H2SO4、H2O,這樣不斷沉積蔓延。由于堆積的灰垢導熱差,被積灰覆蓋處溫度就相對更低,進而加速搪瓷的腐蝕穿孔[9-10]。

4)搪瓷管穿孔的影響。下級空預器搪瓷管發生穿孔后,管內較低溫度的空氣會與管外的煙氣直接交互,進一步降低穿孔附近管子壁溫,此時如果部分壁溫介于低酸露點30～50 ℃范圍內,將加劇管子露點腐蝕,形成更多新的穿孔。

5)搪瓷管表面質量的影響。搪瓷的腐蝕速率在稀硫酸中最大,隨著硫酸濃度增加,浸析度反而減少,濃硫酸對搪瓷的浸蝕作用很弱。一般電站鍋爐預熱器長時間接觸的硫酸濃度在70%～85%,搪瓷熱管工作于這種環境下的優越耐酸腐蝕性能是顯而易見的。但是當鋼管表面搪瓷層存在較多氣孔或未熔合時,會降低搪瓷的有效厚度,當搪瓷存在較多不連續性區域時,則會無法阻擋煙氣與管子基體接觸,無法起到保護作用,使管道不能按照預期正常運行。

本次分析得出因搪瓷管表面灰垢中硫含量較常規灰高,結合其腐蝕形貌和垢層成分分析,判斷造成搪瓷管泄露的主要原因是硫酸露點腐蝕。此外,搪瓷層表面存在氣孔,同時截面檢查搪瓷層發現靠近金屬側有未熔合的搪瓷粉顆粒,這可能是導致空預器管道在短期內腐蝕穿孔的重要因素之一。

2 預防措施

通過以上分析,為提高燃氣鍋爐管式空預器的使用壽命,可以采取以下預防措施。①在空預器入口加裝暖風器,提高冷風入口溫度,降低低溫腐蝕概率。②鍋爐低負荷運行時排煙溫度相應降低,在空預器低溫區域煙氣溫度可能低于酸漏點,造成低溫硫腐蝕,因此鍋爐盡量避免長期低負荷運行。③在綜合成本考慮的情況下,空預器低溫易腐蝕區域基管材料采用不銹鋼或不銹鋼鍍搪瓷,提高抗腐蝕能力。④搪瓷管質量嚴格按照行業標準檢測,保證管子鍍搪瓷質量滿足標準要求。⑤可安裝吹灰裝置,定期對管式空預器受熱面進行吹掃。

該項目管式空預器按照以上預防措施進行了改造,易腐蝕區域基管全部換成不銹鋼管,空預器進口端加裝暖風器以便提高空預器冷風端入口溫度,并讓用戶注意鍋爐盡量避免長期低負荷運行。該項目在改造完成投運一段時間后,停爐期間經檢查空預器易腐蝕區域管子無明顯腐蝕,實施效果良好,大大提高了空預器壽命。

3 結束語

燃氣鍋爐空預器腐蝕是由多種原因造成的,本文分析及驗證了燃氣鍋爐空預器腐蝕原因及預防措施是否有效,及時發現空預器運行過程中出現的異常現象并提前做好預防措施,提高空預器使用壽命,降低自備燃氣鍋爐的事故率,對鋼鐵行業廢氣利用及安全生產具有重要意義,對降低環境污染具有積極作用。