浅谈生物质锅炉低温腐蚀

浅谈生物质锅炉低温腐蚀Discussiononlowtemperaturecorrosionofbiomassboiler曹义杰1张子梅1CAOYi-jie，ZHANGZi-mei（江苏联美生物能源有限公司，江苏泰州225300）【摘要】本文根据生物质锅炉尾部空预器运行情况，对空预器低温腐蚀的原因进行总结分析，并采取相应措施，减少了尾部受热面漏风、降低引风机耗电量，提高锅炉连续运行能力。【关键词】生物质锅炉空气预热器低温腐蚀引言：生物质能是可再生能源，对生物质能的开发利用，是解决能源和环境问题的有效途径之一。生物质能源在发电应用方面，主要设备是生物质锅炉。生物质锅炉运行过程中还存在很多问题，制约锅炉的连续运行的能力。如：锅炉高温过热器的腐蚀问题、空预器低温腐蚀问题、进料不畅问题、烟道堵灰和受热面积灰问题、排渣问题、输灰问题等。本文从实际出发，结合我厂生物质锅炉多年的运行经验，对尾部空气预热器的腐蚀和堵灰进行总结分析，探讨解决方法，采取预防措施，延长尾部空预器使用寿命，提高生物质锅炉连续运行的能力。概述：江苏联美生物能源有限公司两台锅炉，是由济南锅炉集团有限公司生产，以生物质秸秆为主要燃料的75t/h联合炉排蒸汽锅炉，采用炉前强制给料的燃烧方式。烟气流程：按炉膛、→3级过热器→第一烟气通道（4级过热器）→第二烟气通道（二级过热器、一级过热器高温段）→尾部对流受热面布置（一级过热器低温段、2组省煤器、二次风空气预热器、一次风空气预热器）→布袋除尘器。锅炉尾部的空气预热器，通常是含有水蒸汽和硫酸蒸汽的低温烟气区域，工作条件比较恶劣，容易出现低温腐蚀和堵灰。一旦发生低温腐蚀和堵灰，就会造成烟气通道堵塞，引风阻力增大，锅炉正压燃烧。这不但降低了锅炉出力，甚至造成被迫停炉。腐蚀的结果会造成空气预热器管子泄漏损坏，造成严重漏风，引起燃烧工况恶化。严重时不得不经常更换受热面，既增加了维修工作量和材料损耗，又影响了锅炉的正常运行，冷空气进入烟气侧，还会降低烟温，加速低温腐蚀及堵灰的速度，从而影响锅炉安全运行。一、低温腐蚀的机理：1、硫酸的形成及其对金属的腐蚀生物质燃料平均含硫0.38%左右，燃料中的硫份在燃烧后，大部分变成二氧化硫，在一定条件下其中的少部分进一步氧化成三氧化硫气体。三氧化硫气体与水蒸汽能结合成硫酸蒸汽，其凝结露点温度高达110~160℃甚至更高，露点温度越高，烟气含酸量愈大，腐蚀堵灰愈严重。当空气预热器管壁温度低于所生成的硫酸露点时，硫酸就在管壁上凝结而产生腐蚀，由于其发生在锅炉的尾部受热面，而尾部受热面区段的烟气和管壁温度都较低，因此称之为低温腐蚀。(见图1)图1空预器腐蚀金属壁面被腐蚀的程度取决于硫酸凝结量的多少，浓度的大小和金属壁面温度的高低。硫酸象一层胶膜，一面粘在管壁上腐蚀，一面不断粘着烟灰，形成多种硫酸盐，并逐渐增厚，形成烟道堵灰（见图2）。图2烟道堵灰2、低温腐蚀和堵灰的机理锅炉低温腐蚀最严重的部位是空气预热器的冷端。低温腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀。通常低温受热面发生的腐蚀不均匀，这是由于烟气中SO3浓度、受热面上积灰程度和烟气冲刷的不均匀造成的。低温受热面发生的腐蚀是多阶段的过程，包括以下反应：Fe2O3+6H++3SO42-→3H2O+2Fe3++3SO42-Fe+2H++SO42-→H2+Fe2++SO42-4Fe+8H++4SO42-→4H2O+FeS+3Fe2++3SO42-Fe2O3+5Fe+H2SO4→H2+7H2O+FeS+4FeSO4+Fe2(SO4)2因此，腐蚀产物主要是由低价铁的硫酸铁和铁的硫化物组成。另外，在空气预热器的烟气出口段，沉积的硫酸溶液溶解管壁上的氧化膜和金属铁并与飞灰生成酸性黏结性灰，其成分包括Al2(SO4)2、CaSO4、FeSO4和Fe2(SO4)3，严重时会造成烟气通道的堵灰，使烟气阻力剧增甚至造成通道全部堵死。腐蚀与堵灰往往是相互促进的，堵灰使传热减弱，受热面壁温降低，而且在350℃以下沉积的灰又能吸收SO2,这将加速腐蚀过程。而一旦空预器受腐蚀泄漏后，便会发生漏风，漏风使烟温进一步降低，加速了腐蚀和堵灰过程，形成恶性循环。3、烟速对低温腐蚀的影响从整个炉体烟气流程来讲，空气预热器烟气通道截面较小，烟速较高、阻力较大，在相同的酸浓度下，烟速改变时，烟气的热力学露点不变，但当烟速增加时，酸的最大沉积速度会有所增加。因此，在尾部受热面中，处于局部烟速较高、其传热较为强烈的部位，可能遭受较严重的低温腐蚀。尤其是已经发生局部堵灰后，使尾部烟道同流面积大幅降低，为了维持炉膛负压燃烧，必须加大引风量，使得烟速进一步提高，从而加重腐蚀和堵灰。4、温度对腐蚀的影响烟气中的水蒸气进入低温受热面后，由于烟气温度降低或接触到较冷的受热面，水蒸气便发生凝结现象。而且，温度越低凝结速度越快。腐蚀往往从管子冷端逐渐向热端延伸，堵灰则多积聚在烟气流速较低的四周死角。当锅炉开炉停炉频繁而积灰结渣又没有得到及时清除时，腐蚀和积灰的速度必然加快。最开始尾部形成的松散性积灰在管外壁粘附，时间过长就可能由松散转为紧密性的积灰，而积灰可能吸附烟气中的二氧化硫、三氧化硫和水蒸汽，使积灰生成硫酸盐和亚硫酸盐，致使松散性积灰转变为紧密性积灰。这些积灰与空气预热器内管壁作用生成硫酸铁和亚硫酸铁，就更增加了积灰结渣的牢固性。上述积灰性质的变化，首先发生在逆流式空气预热器冷端（进风口一侧）的管内壁上，原因是此处低温空气与低温烟气的热交换处，其管壁温度较低，所以，温度对腐蚀的影响很大。二、影响低温腐蚀的各种因素：1、不同燃料和燃烧方式对低温腐蚀的影响研究表明，即使燃料中折算含硫量相同，对不同的燃烧方式，烟气中的SO3含量及露点可能出现相当大的差异。这是因为燃烧温度越高，SO3的转化率也就越高，露点温度也相应越高。2、烟气中含氧量对低温腐蚀的影响烟气中氧含量越高，积灰速度越大。其原因为烟气中含氧量较少（低过量空气系数）时，将使烟气中CO浓度升高，而CO能抑制SO3的形成，因此，采用低过量空气系数，能降低空预器的积灰，同时还能减轻其腐蚀。3、燃料含硫量及烟速对低温腐蚀的影响燃料中含硫量越低，生成SO3量越小，腐蚀也随之减轻。研究还表明，在相同的酸浓度下，烟速改变时，烟气的热力学露点不变，但当烟速增加时，酸的最大沉积速度有所增加。因此，在尾部受热面中，处于局部烟速较高、其传热较为强烈的部位，可能遭受较严重的低温腐蚀。4、燃料中含钙量对低温腐蚀的影响当燃料中钙含量增加时，钙能与SO3形成CaSO4，降低了SO3浓度，也降低了H2SO4含量，从而收到了降低空预积灰和腐蚀的效果。5、锅炉负荷变动的影响随着负荷的降低，排烟露点也有所降低，过量空气系数越低，露点降得越厉害。这是因为锅炉负荷降低时，炉膛温度和过热器壁温均降低，无论是氧化或催化产生的SO3量均减少，从而使烟气露点随之降低。三、防止空预低温腐蚀的技术措施通过对低温腐蚀机理的分析，总结影响低温腐蚀和堵灰的各种因素，结合现场实际情况，有针对性的采取预防措施，改善空预器运行环境，提高设备连续运行的能力。1、提高受热面壁温是防止空气预热器低温腐蚀的最有效的方法。要提高壁温，可以从提高排烟温度和入口空气温度两方面入手。由于提高排烟温度增加了排烟损失，使锅炉热效率降低，因此，提高排烟温度是有限的。在实践中常用的提高壁温的方法是提高空气入口温度，采用暖风器或热风再循环。但暖风机或热风循环都会增加电耗，影响经济性。我们将一次风机入口由室外改到室内，由于进风的环境发生改变，一次风温度可以提高2~3℃，对减缓腐蚀也有积极作用。2、低温受热面采用耐腐蚀材料我们尝试用搪瓷材料作为空气预热器冷端传热元件。实践表明很有效。我公司在2014年10月将#2炉一次风空预器最底层管箱整体更换为搪瓷管材质，冷端改造之前考登钢材质，使用寿命为1.5年，改为搪瓷管后已经运行1.5年，这种搪瓷管子没有发现腐蚀现象。改造费用并不高，效果很好，延缓了低温腐蚀的速度。3、改变空预器管束结构：之前空预器管（φ51×2最上面两排为φ51×3）错列排布，管子间距10mm容易发生堵灰，技改后管子42×3为顺列排布后，管子间距20mm堵灰情况有很大好转。由于管子间距扩大，不仅积灰减少，而且便于尾部积灰的定期清理工作。4、采用低氧燃烧方式烟气中的过剩氧会增大SO3的生成量。研究表明，过量空气系数在1.05以下，可以有效地减轻低温腐蚀，同时，低氧燃烧时，排烟热损失降低，有利于提高锅炉效率。但是，低氧燃烧也可能带来如下不利影响，如化学未燃尽损失有所增加，所以，运行中加强燃烧调整，控制锅炉氧量在3~5%，可以减弱空预器的低温腐蚀。5、避免漏风烟道的漏风会促进SO3生成。同时，低温受热面区段的漏风，会造成局部低温，导致低温腐蚀。定期做好漏风试验，对尾部漏风点进行及时修补减少漏风量。空预器管束也要定期检查堵漏，对腐蚀严重的管子进行封堵或更换。搪瓷管空预器一般为卡箍式安装方法，便于单根更换。6、定期清理尾部积灰加强空气预热器的清灰工作掌握积灰规律，定期除灰。既可增大烟气流通面积，减少烟气阻力，又相应减少受热面的腐蚀。在经过五年多的运行总结，现在锅炉运行3个月进行尾部高压水清洗，效果很好。既预防了空预器的腐蚀和积灰，同时减少了空预器的阻力，引风机电耗明显降低，重新前后约节省1kwh/吨汽，经济效益十分可观。四、结论经过采取以上防止空气预热器低温腐蚀和堵灰的措施，目前锅炉尾部空预器运行情况良好，腐蚀和堵灰状况明显好转，对锅炉安全运行、连续运行都起到积极作用。在这里与生物质发电行业的同仁一起分享，分析不到之处给予指正，另外，各家生物质电厂的燃料品种、炉型、燃烧调整、尾部受热面布置等方面都有些差异，以上措施仅供生物质发电的兄弟单位参考。参考文献1、生物质能及其发电技术余英中国电力科学研究院生物质能研究室2、生物质发电田宜水化学工业出版社3、生物质高效利用技术袁振宏化学工业出版社