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生物质直燃锅炉水冷壁腐蚀分析及对策探讨

作者:   发布时间:2019-07-31 10:47   浏览:

陈新军

(江苏国信如东生物质发电有限公司,江苏如东226400)

  摘要:本文主要针对生物质直燃锅炉普遍存在运行过程中出现的锅炉水冷壁腐蚀减薄的问题,以江苏国信如东生物质发电有限公司的锅炉运行实例,分析其腐蚀主要产生的机理、原因,及采取的对策,为生物质锅炉的工作者提供参考。

  稻麦秸秆、农林废弃物、稻壳、工业加工的边角木料以及蔗渣等生物质能是人类自古以来生火做饭的燃料,作为一种清洁而又可再生的原料,是可代替石油、煤炭等矿石能源,以及为化工行业提供碳元素。生物质直燃发电项目是生物质能大规模运用的模式之一,是可再生能源发电一类重要方式。生物质电厂锅炉受热面腐蚀是广泛存在的,特别是高温高压及以上参数,尤其是采用了稻草、麦草、油菜杆等秸秆类,对生物质发电厂的安全生产工作和经济效益都是很大的威胁。

  在生物质燃料中,碱金属含量比例比较高,其燃烧过程中,锅炉受热面的高温腐蚀与生物质燃料中含有的氯、钾、硫和镁等元素密切相关,其固、液、气的状态变化以及燃烧过程中的化合物的转换,直接影响锅炉受热面的积灰腐蚀以及锅炉的灰渣成分情况。从相关资料可知,稻麦草秸秆、树枝、竹片等生物质的钾含量比较高。

  生物质燃烧过程中,还有氯的影响。氯是一种常见的元素,人类的生存离不开它,广泛存在于自然界,是农林生物质生长必须的元素,许多种类的农林生物质氯的含量都很高,并且以游离离子态存在,转移流动性很强,表1列出了常见生物质的情况。通常,公司所在的如东县,地处南黄海之滨。该区域生长的植物,氯的含量普遍更高。

  1腐蚀状况分析

  公司所使用的生物质发电锅炉,为无锡华光锅炉股份有限公司自主开发设计的第一台高温高压水冷振动炉排锅炉。锅炉为自然循环形式,单锅筒、湿出渣,主要设计参数为:额定蒸发量110t/h,额定主汽压力9.8MPa,额定主汽温度540℃,给水温度210℃。设计燃料为稻草、麦草、棉花秆、废木材、树皮等农林废弃物。

  公司机组于2008年7月投产,投产初期机组利用小时数非常低。随着国家政策支持以及燃料拓展,目前发电机组年利用小时数在7500小时左右。锅炉在2012年开始发现炉膛水冷壁严重腐蚀,主要出现在后墙拱下,2014年水冷壁再次泄漏后,检查发现炉膛拱的位置上下5米之间,炉膛水冷壁环周四面均腐蚀严重,减薄明显,水冷壁管排更换工作量非常大。为查明锅炉水冷壁减薄的缘由以及寻找缓解对应的解决措施,电厂邀请多方面的专家到现场进行调查和分析。

  对更换下来的水冷壁管排的管壁管外腐蚀灰垢刮管取样,同时,请东南大学相关专家对腐蚀层积灰垢样进行了元素成分分析(具体数据见表1),腐蚀层积灰垢样中铁含量为53.11%,钾18.97%,氯18.58%,由此说明水冷壁管腐蚀层积灰垢样的主要成分为氧化铁和氯化钾。水冷壁管材中的铁经过化学反应从水冷壁管子外表面往腐蚀积灰垢层输送,腐蚀层积灰垢样中氯化钾是由烟气中夹带的碱金属氯化物灰粒接触到水冷壁冷凝沉积下来,并在水冷壁上不断积聚而成,腐蚀层积灰(内含大量的碱金属氯化物)对管子造成严重的腐蚀。

  经现场观察,以及对水冷壁管子外部腐蚀层的积灰垢样成分进行化学分析,基本可以确认为碱金属氯化物的熔融腐蚀。水冷壁腐蚀照片中可直接看出氧化膜脱落开裂。腐蚀层灰垢中的碱金属、硫酸根离子和氯离子是造成水冷壁管排管壁严重腐蚀的重要起因。水冷壁管排管壁的减薄主要为灰垢中碱金属氯化物的高温腐蚀,而且氯元素在腐蚀的化学反应过程中没有被去除,而是起到催化和媒介的循环作用,因而造成炉膛的大面积腐蚀减薄。

  2腐蚀机理分析

  2.1腐蚀过程

  锅炉炉膛内,生物质的燃烧过程中,其所携带的氯、硫元素与其碱金属钾、镁、钠等元素以气态的形态进入到锅炉烟气中,会通过燃烧化学反应形成极细颗粒(纳米级或者微米级)的氯化钠、氯化钾等碱金属氯化物,凝结和沉积在管壁温度约在350℃的炉膛水冷壁管子管壁上。沉积和凝结在水冷壁管迎火侧外表面的氯化钾和氯化钠,再与管壁表层的氧化膜(Fe2O3层)发生氧化还原反应,由于氯化铁的气化温度约为315℃左右,所以在水冷壁管子外表温度高于315℃时,氯化铁由固态转向气态,向锅炉烟气中扩散,导致水冷壁表面的氧化膜脱落,暴露出来的管壁铁Fe和烟气中O2进行氧化反应,生成新的氧化膜Fe2O3。上述反应过程循环发生,使得炉膛水冷壁管子的壁厚持续减少。

  另一方面,炉膛水冷壁管温度在310至420℃,锅炉烟气中不可避免有少量二氧化硫(SO2)气体,能显著加速炉膛水冷壁管壁的腐蚀过程。水冷壁迎火面管排外表的氯化钾和氯化钠,与烟气中的二氧化硫发生化学反应,通过反应生成气态氯。由于氯是气态的,也就是氯气(Cl2),能够轻松地穿越腐蚀积灰层,通过与管壁的铁(Fe)进行反应,生成氯化铁(FeCl3)。在水冷壁管壁腐蚀积灰层迎火侧,由于燃烧所需空气中氧的存在,氯化铁将与氧发生反应,生成氧化铁(Fe2O3)和氯。氯能够与水冷壁再次发生反应。氯经过一个循环几乎没有耗费,氯元素起到了催化媒介作用,并且不断地腐蚀水冷壁迎火侧。

  此外,炉膛水冷壁一般为20G或者15CrMo,水冷壁管子中的其他成分,如铬(Cr),其物理化学反应过程与上述铁的过程相同。

  2.2腐蚀特点

  2.2.1普遍存在并持续

  以上对腐蚀过程的探讨发现,在炉膛水冷壁的腐蚀过程中,生物质燃料中的氯起到了催化和媒介的作用,将奥氏体不锈钢水冷壁中从水冷壁迎火面上连续不断地反应出来,造成了水冷壁管的腐蚀。生物质燃料中天然存在的氯元素和碱金属元素,只要在炉膛水冷壁迎火烟气侧的管壁温度达到310~420℃时,将必然与发生化学腐蚀反应,其含量多少和温度的高低,只能影响腐蚀反应的速率,不会杜绝腐蚀反应。同时,只要化学反应一旦开始,则将持续不断进行腐蚀。

  2.2.2温度区间