第10章受热面外部污染、腐蚀、磨损及振动

第十章受热面外部污染、腐蚀、磨损及振动§10—1概述燃料燃烧，特别是固体燃料燃烧时，由于燃料中灰分的存在，水分的存在，使得锅炉各受热面的工作条件变化恶劣起来。我国某地区电力管理局在1977年曾做过这样的统计，锅炉的事故率占电厂总的事故率的54.7%，其中因尾部受热面磨损而爆破不得不停炉的事故竟占锅炉总事故的45~50%。因此，尾部受热面磨损或其他原因的爆破使锅炉的可用率降低，电站的事故率增加，锅炉效率降低，钢材耗损增加，而更重要的是由于停炉，停电所造成的间接经济损失更为巨大。因此，不论对设计人员还是对运行人员，掌握受热面的外部队工作过程是具有非常重大的意义。我国的锅炉燃料多为煤，煤中含有灰分，对煤粉炉燃烧完成后，这些灰分最终都要排放出锅炉本体，其中绝大部分是经过尾部受热面放出去。这么多的灰量流过，势必对受热面造成磨损。此外，还会积灰，使受热堵塞，燃料中含有硫分及水分，其中硫分燃烧后产SO2或SO3与水分结合形成硫酸或亚硫酸，对受热面进行磨蚀。烟气中的水蒸汽遇冷后会凝结（结露）也受对锅炉的尾部低温受热面造成腐蚀和堵灰。我们这章的目的，就是要学习这样过程的机理，以期在设计或运行中来防止磨损、积灰（结渣）及腐蚀等问题。§10—2结渣与积灰结渣或积灰造成的危害是什么呢？可能是：①传热阻力增加②对流烟道的阻力增加③严重时造成事故必须停炉，使可用率下降但结渣与积灰几乎是不可避免的，只能采用措施来减轻。结渣：也叫溶渣，主要发生在炉膛受热面及高温对流受热面如凝渣管和过热器的前部队等处发生。特别是燃料灰的熔点较低，而炉膛中及出口处的烟气温度又很高，以至飞灰呈熔状的粘结颗粒，碰到受热面后即粘结在管壁上。防止结渣的方法：①正确地组织燃烧器的工作，采用适当的炉膛容积和断面热负荷以保证炉膛出口烟温不致于过高。②采用拉稀的高温对流受热面，即凝渣管，屏式受热面以及对流过热器前部的拉稀等。③采用适当的吹灰打渣方法积灰可几乎发生在任何受热面上，积灰过程是一个复杂的物理化学过程和空气动力学过程。这就是说，积灰过程可能伴随着化学变化，而流场的形态会影响到颗粒的运动。因此影响到积灰过程。一般说来，积灰可分疏（干）松灰，高温粘结灰和低温粘结灰三种形态。二、干松灰：①概貌：干松灰的积聚过程完全是一个物理过程，灰层中无粘性成分，灰粒之间呈现散状态，易于吹除。②位置及性质：主要发生在管导的背风央，迎风面几乎没有（特别烟速较大时）随烟气流速的增加，积灰量减小，因此，对应于一定烟气流速积灰几乎是一定的，不可能无限增加。主要细微灰粒，较大的颗粒不太可能积聚成干松灰。③解释或原因：气固两流绕流过管子，由于边界层的分离，在背风面必产生旋涡区，细小颗粒与烟气几乎具有相等的速度，并且易于随气体改变方向，因此，易于被旋涡旋进背风区。小颗粒的表面能较大，与管壁面接触时，能靠分子力吸附在壁面上。根据研究，小于3~5μm的灰粒，分子力吸附作用可能大于它本身的重量力。流速增加边界层分层推迟，旋涡区减小，加上较大灰粒的冲刷作用加强，使得积灰量减小。④影响因素：a烟气流速及粒子直径分布：即烟气提高，积灰量下降，大粒子多，积灰量下降；b管子直径：直径越小，曲率越大，使得灰粒与烟气分离的能力越大，越不易进尾流区，积灰减轻；c管子节距及管束的布置方式：错列布置是管子的背风面较易受到冲刷，积灰减轻。顺列布置时，管子的背风面不易受到冲刷，第一排以后迎风面也受冲刷较少，因此，积灰严重。错列时，减少纵向节S2，背风面受的冲刷更为强烈，积灰减轻顺列时，减少纵向节S2，使相邻管子的积灰易于搭桥，积灰，更为严重。横向节距S1：一般影响不大（在锅炉常用的节距范围内）d由于对应于一定的结构及烟气流速，积灰量基本一是存在一个最大量，不能无限增加，只是达到这个量的时间不同，因此，烟气中灰粒浓度的大小只能影响到达这一量所需的时间，不能影响到积灰量。e烟气的流动方向对对积灰的影响较小，积干松灰的严重程度常用灰污系数来反映。⑤减轻和防止的措施知道了干松灰形成的原因或机理，以及影响因素，不难找出防止和减轻的措施。a设计时采用足够高的流速，一般不能低于5-6m/sb采用小管径，错列布置，紧凑布置（减小纵向节距）和管束c正确设计和布置吹灰装置三、高温粘结灰1．概貌伴随化学反应，能够无取地增长，坚硬而不易清除2．形成的位置及灰的特点在温度较高的区域形成，;,2例如在高温省煤器上的烟温区也能形成在远低于t不仅在背风侧，而且更多地在迎风面形成；分层形成，各层的化学成分不同，颜色也有差异；灰的粘性是由化学反应产物而来。出现的范围广。3．形成过程及机理高温粘结灰的形成关键在于首先形成一层处于熔化或软化的粘性灰层，靠这一层粘性灰的捕捉作用，积聚飞灰粒子，被捕捉到的飞灰在化学作用下形成紧密的灰层。事实上，高温粘结灰的形成与高温腐蚀是密切相关的。飞灰中的化学成分不同，将会有不同的高温粘结灰的形成机理以及不同的灰层颜色，目前，对这个问题认识得不是非常清楚。例如：燃烧多碱性金属的燃料时，高温粘结灰的形成机理大致是这样的：①以燃料灰分中的碱金属的氧化物，在燃烧时升华，升华灰非常细小，靠扩散作用到达，并冷凝在管壁上。②冷凝在管壁上的碱金属氧化物与烟气中三氧化硫反应形成硫酸金属。钢管壁面上的催化作用，使得烟气中的SO2在氧化成SO3的同时，形成硫酸盐。③硫酸盐与飞灰中的氧化铁Fe2O3及烟气中的三氧化硫反应，形成复合硫酸盐Na2Fe(SO4)3、K3Fe(SO4)3；也与飞灰中的氧化铝，形成Na3(AlSO4)3、K2(AlSO4)3，这些反应产物在500~800℃范围内呈现熔状，具有粘性。以这层为粘结剂，一方面捕捉飞灰，一方面还可继续形成粘结物，灰层迅速增长。最近的研究表明，形成粘结灰的原因很多，不同的燃料成分导致不同的高温粘结灰的形成机理。目前，一般采用这样的式子来表征燃料形成高温粘结灰的程度。ONaTiOOAlSiOOKONaMgOCaOOFeRjh223222232式中Fe2O3…表示该成分在燃料灰分中的重量百分数若2.0jhR则程度轻微，0.2~0.5中度，0.5~1.0严重；若0.1jhR，非常严重，一般若0.2则需采用措施来减轻。4．影响因素：从上面的讨论中知道，影响高温粘结灰的最主要因素是：①燃料成分②燃烧方式：火床或煤粉炉的高温粘结灰的和度是不同的，也即最终归结为燃烧强度不同，结灰程度不同，强度高，升华物便多。高温粘结灰严重。③温度水平：高温粘结灰发生在温度较高的区域。④烟气流速：可以推想，烟气流速越高，结灰越少，但研究表明，只有烟速高于20m/s时，烟速作用才明显，锅炉中的经济烟速一般为8-12m/s，可以认为在这个范围内，流速影响不大。5．减轻或防止的措施①设计时，严格选定炉膛断面热负荷及炉膛出口烟温，不要过大；②正确设计和布置受热面，例如拉大横向节距S1；③加入添加剂，改变灰的化学成分；④采取有效的吹灰装置；⑤运行一开始就正常投入吹灰装置，限制第一层灰升华灰的形成。四、低温粘结灰低温粘结灰一般形成在低温受热面上，锅炉中的低温受热面的一般是指受热面的壁温低于或稍高于烟气露点温度的受热面，大约在50~180℃的范围内。1．概貌：常发生在空气预热器上，或省煤器上。形成的速度高，呈现水泥状，质紧密，不易清除，能无限增加严重时，将烟气通道堵死，危害大。2.特点：与烟气的酸露点温度紧密相关。一般酸露点温度高，积灰严重。3.形成过程：冷凝在受热面的硫酸蒸汽，可以捕捉飞灰粒子，飞灰粒子中含有CaO，于是与硫酸反应，形成硫酸钙，该反应物具有粘性，可以继续捕捉飞灰，无限增长。这个过程即为通常所说的积灰水泥化。4．影响因素：①影响酸露点温度的因素都能影响结灰的程度②受热面的结构及布置方式也影响结灰的程度。例如顺列比错列好。因为与烟气结露点有关，需结合低温腐蚀来进行讨论，掌握结灰的过程和机理。五、煤的结渣及沾污特性指标1.结渣率结渣率是指煤在一定的空气流速下燃烧并燃尽时，其所含灰分因受到高温影响而结成灰渣，其中粒度大于6mm的渣块占灰渣总质量的百分比。结渣率与煤种和空气流速有关，可以根据不同流速试验得出如图3-9的结渣特性曲线。结渣率愈高的煤，在一定的炉内空气动力条件下愈易结渣。2．灰成分结渣指标由于煤灰中各种组分的灰熔点不同，因而可用灰的主要成分来判断煤灰的结渣指标。(1)碱酸比B/A。由于煤灰中的酸性成分(SiO2，Al2O3，TiO2)比碱性成分(Fe2O3，CaO，MgO，Na2O，K2O)的熔点普遍要高些，煤灰中酸性成分多会便煤灰熔点高，因此可用碱酸比来衡量煤灰结渣的难易。23222232TiOOAlSiOOKNaMgOCaOOFeAB式中B—煤灰中碱性成分含量；A—煤灰中酸性成分含量；Fe2O3、SiO2等—分别为干燥基各种灰组分的质量百分数。推荐的判断值为：当AB=0.4~0.7时，为结渣煤；当AB=0.1~0.4时，为轻微结渣煤；当AB0.1时，为不结渣煤。(2)硅铝比。即3222OAlSiO的比值，因为2SiO熔点较高，但对灰渣熔化温度的影响却比较复杂。如果全部2SiO与32OAl结合成高岭土(32OAl·22SiO)，熔点也高，此时其硅铝比3222OAlSiO=1.18，不会结渣。如果3222OAlSiO比值大于1.18，就有自由的2SiO存在，这时2SiO将会和CaO、MgO、FeO等化合形成易熔的共晶体，导致煤的灰熔点下降，就有可能结渣。(3)结渣指数tR和sR。美国把煤灰分为烟煤型灰和褐煤型灰两种，这两种灰并不是按煤的分类划分，而是按煤灰中的MgOCaOOFe32的比值来区分的。当MgOCaOOFe321的煤灰称为烟煤型灰；而MgOCaOOFe321，且(CaO十MgO)20%的煤灰称为褐煤型灰。对于褐煤型灰，其结渣指数用tR表示。54minmaxDTSTRt式中：STmax、DTmin分别为在氧化介质和还原性介质中测得的较高的软化温度和较低的变形温度，℃。推荐的判断指标为：tR1343℃的煤为不结渣煤；tR=1149~1343℃，为中等结渣煤；tR1149℃，为严重结渣煤。对于烟煤型灰，其结渣指标用sR或铁钙比CaOOFe32表示。dsSABR式中dS—煤的干燥基硫分质量百分数，%。推荐的判断指标为：sR0.6，为不结渣煤；sR=0.6~2.0，为中等结渣煤；sR2.0，为严重结渣煤。当CaOOFe320.3，为不结渣煤CaOOFe32=0.3~3.0，为中等结渣煤，CaOOFe323.0，为严重结渣煤。二、煤灰的沾污指标RF煤灰对于高温受热面(包括炉膛水冷壁、高温过热器、高温再热器)沾污的倾向，可以用同样基于煤灰组成成分的沾污指数RF来衡量。ONaABRF2式中Na2O一一煤灰中Na2O的干燥基质量百分数，%。推荐的判断指标为：FR0.2，为轻微沾污；FR=0.2~0.5，为中等沾污；FR=0.5~1.0，为强沾污；FRl.0，为严重沾污。§10—3受热面的外部腐蚀锅炉受热面的烟气侧的腐蚀进行得相当快，有的运行一年就是更换管子。我国电厂中，燃油锅炉的空气预热器曾有每18天就腐蚀穿孔，需停炉更换管子的记录。严重地影响了锅炉的安全性和经济性，影响了电站机组的可用率。根据发生腐蚀区烟温的高低，可分为高温腐蚀和低温腐蚀。高温腐蚀主要指炉膛水冷壁的烟气侧腐蚀和过热器或再热器管子的外部腐蚀。低温腐蚀主要是指空气预热器冷端的腐蚀，对于低压工业锅炉，有空气预热器时，也可能在省煤器中发生。一、炉膛水冷壁管的腐蚀1．一般情况炉膛水冷壁管的外部腐蚀先在高压，液态排渣炉上发现，后来在其它超高压锅炉甚至在超临界压力锅炉的下辐射部分相继发现严重的外部腐蚀问题。事实上，任何容量参数型式的锅炉的炉膛水冷壁上都可能发生腐蚀。2．腐蚀发生的区域及位置、速度通常发生在燃烧器中心线位置标高上下，对于管子来说，向火侧的正面点腐蚀得最快，侧面较好，背面几乎不发生腐蚀，腐蚀速度高达2mm/a，一般情况下为1.1~1.5mm/a。3．机理研究表明，发生腐蚀的管壁附近，没有例外地都是还原性气氛。