锅炉受热面的磨损与腐蚀一、锅炉受热面的飞灰磨损 二、锅炉受热面的低温腐蚀 三、锅炉受热面的高温腐蚀 四、锅内腐蚀 一、锅炉受热面的飞灰磨损 l、飞灰磨损的机理 2、影响飞灰磨损的因素 3、减轻飞灰磨损的措施 l、飞灰磨损的机理 燃煤锅炉受热面的飞灰磨损,不但要造成受热面的频繁更换。 使发电成本增加,而且还将造成受热面的泄漏或爆管事故,危 害很大。受热面的飞灰磨损一般都带有局部的性质,在烟速高 的烟气走廊区和灰粉浓度大的区域,通常磨损较严重,从被磨 损管子的周界来看,磨损程度也是不均匀的。为了找出减轻磨 损的措施,有必要先对飞灰磨损的机理及规律进行讨论 在锅炉烟道中烟气冲刷受热面时,往往存在一定数量一定 动能的飞灰粒子冲击管壁的现象,每次冲击都可能从管壁上削 去极其微小数量的金属屑。日积月累,由于飞灰的不断冲击, 管壁将被越削越薄,这就是磨损。飞灰在冲击管壁时,一般有 垂直冲击和斜向冲击两种情况。垂直冲击造成的磨损称为冲击 磨损,冲击磨损作用的结果是使正对气流方向的壁面上出现明 显的麻点。斜向冲击时的冲击力可分为法向分力和切向分力。 法向分力引起冲击磨损,切向分力则引起切削磨损。由于受热 面的各根管子在烟道中所处的位置各不相同,因而各管在沿管 周各点所受的冲击力和切向力的作用也不相同,导致飞灰对各 管磨损程度的差异。 2、影响飞灰磨损的因素 影响飞灰磨损的因素很多,主要因素有: (1)飞灰速度 管壁的磨损量与烟气流速的三次方成正比,因此锅炉运行中对烟气流速的控制可 以有效地减轻飞灰对受热面的磨损。但是烟气流速降低,会造成烟气侧对流放热系数 的降低,并增加了积灰与堵灰的可能性,因而应全面考虑,以确定最经济、最安全的 烟气流速。 在某些情况下,烟道中会存在没有或只有很少受热面阻隔的狭窄烟气通道,或由 于积灰、堵灰等原因形成狭窄通遭,称为烟气走廊在这些区域,烟气流速特别高,有 时比平均流速大3—4倍,因而将使磨损量较平均情况增加达数十倍。 (2)飞灰浓度 飞灰浓度越大,灰粒对管壁的冲击次数越多,磨损也就越严重。锅炉转弯烟道外 侧的飞灰浓度一般较其它地方大,因而该处的管子磨损情况通常较严重。此外,对于 燃用高灰分煤种的锅炉,受热面的磨损情况也要更严重些。 (3)灰粒特性 灰粒越粗、越硬,则磨损越严重。具有锐利棱角的灰粒比球形灰粒造成的磨损要 严重。省煤器处的烟温较低,灰粒较硬,因而它的磨损情况一般要大于过热器或再热 器等受热面。燃烧工况恶化时,飞灰中的含碳量增加,由于焦碳的硬度大,因而也将 促使磨损量加大。 (4)管束结构特性 烟气纵向冲刷管束时,由于灰粒冲击管壁的可能性大大减少,因而磨损情况比横 向冲刷时要轻得多,当烟气横向冲刷时,错列管束的磨损大于顺列管束。一般来说, 错列管束中的第二、第三排管及顺列管束第五排后的受热面磨损较严重。 (5)飞灰撞击率 飞灰撞击率是指飞灰撞击管壁的机会,飞灰撞击率越大则磨损越严重。 3、减轻飞灰磨损的措施 根据以上分析,减轻飞灰磨损,一方 面应从受热面布置上加以改进,尽量 降低狭窄通道区域的烟气流速,在管 子易磨损处加装防磨装置等;另一方 面还应从运行调整着手,控制合理的 过剩空气系数、减少锅炉各处的漏风 以降低烟气流速,重视燃烧调整工作, 避免不完全燃烧的发生。 二、锅炉受热面的低温腐蚀 低温腐蚀主要发生在空气预热器的冷端。回转式空 气预热器受热面发生低温腐蚀时,不仅使传热元件 的金属被锈蚀掉造成漏风增大,而且还因其表面粗 糙不平和具有粘性产物使飞灰发生粘结,由于被腐 蚀的表面覆盖着这些低温粘结灰及疏松的腐蚀产物 而使通流截面减小,引起烟气及空气之间的传热恶 化,导致排烟温度升高,空气预热不足及送、引风 机电耗增大。若腐蚀情况严重,则需停炉检修,更 换受热面,这样不仅要增加检修的工作量,降低锅 炉的可用率,还会增加金属和资金消耗。 由于空气预热器发生低温腐蚀会对锅炉的安全性 和经济性造成很大的危害,因此,必须注意对低温 腐蚀的预防。 l、低温腐蚀的机理 燃料中的硫分在燃烧后生成S02,其中一部分S02又会进一步氧化而生成S03, S03与烟气中的水蒸汽化合形成硫酸(H2SO4)蒸汽。当受热面的金属壁温低于 硫酸蒸汽的露点温度时,烟气中的硫酸蒸汽便会凝结在受热面上,并对受热 面金属产生腐蚀作用。 蒸汽开始凝结时的温度称为露点温度。烟气中水蒸汽的露点温度称为水露 点,烟气中硫酸蒸汽的露点温度称为酸露点,通常酸露点也叫做烟气的露点。 水露点取决于水蒸汽在烟气中的分压力,一般为30-60%,即使燃煤的水分 很高时,烟气的水露点也不会超过66,事实上,锅炉正常运行时尾部受热 面的壁温总是大于水露点的。但一旦烟气中含有SO3,则烟气露点将大大上 升。如烟气中只要有O.005%左右的硫酸蒸汽含量,烟气露点即可高达130 -150左右。烟气中硫酸蒸汽含量主要与烟气中S03含量有关,S03的形成 主要有以下两种方式: (1)在燃烧反应中,燃料中的硫分在炉膛燃烧区先形成S02,部分S02再同 火焰中的原子状态氧反应,生成S03, 炉膛中的火焰温度越高,越容易生成原子氧,较多的过剩量也会增加原子 氧的浓度。原子氧越多,烟气中的S03也越多。 (2)催化反应生成S03。烟气流过对流受热面时,S02会遇到一些催化剂, 如钢管表面氧化铁(03)及受热面管壁上的沉积物或燃料中的矾燃烧后生成 的V2O5等。催化剂能力同温度有关,大约壁温为500—600时催化能力最 强,这正是过热器管壁的温度范围,因此S02在受到催化剂的作用下与烟气 中的过剩氧结合,在过热器区生成较多的SO3 2、影响低温腐蚀的因素 受热面低温腐蚀与壁温和烟气露点有关。烟气露点主要决定于 烟气中的硫酸蒸汽的含量,而硫酸蒸汽的含量又取决于S03的 含量。烟气中S03的含量主要与燃料中的硫分、火焰温度、燃 烧热强度、燃烧空气量、飞灰性质和数量以及催化剂的作用等 因素有关。低温腐蚀的速度主要与管壁上凝结下来的硫酸量和 硫酸浓度以及受热面壁温有关。一般来说,壁温越高则腐蚀速 度越快。当壁温不变时,腐蚀速度将随着硫酸的凝结量和浓度 的上升而逐渐增加,但当凝结量达到一定值时,便不再影响腐 蚀速度;硫酸浓度一般在56%时腐蚀速度最大,之后急剧下 降,至浓度为60%以上时,将保持在一个相当低的数值上并 基本保持不变。锅炉实际运行中,尾部受热面的腐蚀及速度变 化是比较复杂的,它是壁温、硫酸凝结量与硫酸浓度三者的综 合,当三者的综合影响达最大时腐蚀将最快。 3、减轻和防止低温腐蚀的措施和方法 减轻和防止低温腐蚀的途径有两条:一是尽量设法减少烟气中的三氧化硫,以降低烟气的露点和减少 硫酸的凝结量,使腐蚀减轻;二是提高空气预热器冷端的壁温,使之在高于烟气露点下运行。通常, 实现前者的途径有燃料脱硫、低氧燃烧、加入添加剂等办法;实现后者的途径有热风再循环和加装暖 风器等方法。 (1)提高空气预热器冷端的壁温 提高空气预热器冷端的壁温,是防止空气预热器低温腐蚀的有效措施之一。要提高壁温,就要提高排 烟温度或入口空气温度,但排烟温度的提高,将会使排烟热损失增加,锅炉热效率降低,因此排烟温 度的提高幅度将是有限的。实际运用中提高壁温最常用的方法是采用热风再循环或暖风器等前置加热 器来提高空气人口温度。 锅炉排烟温度或空气预热器进口空气温度的提高,将使空气预热器冷端传热元件的金属温度相应提高。 应该指出采用热风再循环方式时,一般只宜将进口风温提高到50—65左右,否则,不仅会使排烟温 度过高,而且还将使送风机耗电量显著增加,造成锅炉运行经济性的下降。暖风器通常是利用汽轮机 低压抽汽来加热冷空气的热交换器,凝结下来的水可送回给水系统。采用暖风器后,虽然因排烟温度 升高而降低了锅炉热效率,但由于利用了低压抽汽,因而提高了整个热力系统的经济性。 (2)燃料脱硫 煤中的黄铁矿一般可利用重力不同而设法分离出一部分,但有机硫很难去除。燃油的脱硫,目前尚 在研究中。 (3)空气预热器冷端采用耐磨蚀材料 在回转式空气预热器中,除将传热元件沿转子高度方向分作三层布置,以使易于翻转和调换使用外, 一般还采用了耐腐蚀的不锈钢、陶瓷材料等制作受热面,目前有的还采用了厚度为1.2mm的耐磨蚀 的柯坦(torten)钢制作冷端传热元件,以增强其抗腐蚀的能力。 (4)降低露点或采用抑制腐蚀的添加剂 采用添加剂来吸收烟气中的S0 ,以降低烟气露点和硫酸蒸汽含量,但反应后生成的硫酸盐是一种松散的粉尘,必须加强吹灰来予以清除。但长期使用添加剂后仍会使受热面积灰增多,污染加重,影响 传热。目前,使用添加剂只在燃油锅炉上取得一定的效果。 (5)降低过剩空气系数和减少漏风 烟气中的过剩氧会增大S03的生成量,无论是送入炉膛的助燃空气还是锅炉各部分的 漏风,对S03 的生成量都有影响。因为在烟气流程中,只要有过剩氧存在,S02便能继续变为S03。因此,为防止 低温腐蚀,应尽可能采用较低的过剩空气系数和减少烟道的漏风。 三、锅炉受热面的高温腐蚀 锅炉的水冷壁、过热器、再热器管子 及其吊挂零件产生的外部腐蚀称为高 温腐蚀。高温腐蚀使承压部件的管壁 减薄,从而导致发生泄漏和爆破事故, 是威胁电厂锅炉安全运行的重要因素 之一,因而必须给予充分的重视。 l、高温腐蚀的机理 锅炉受热面的烟气侧高温腐蚀是一个较为复杂的物理化学过程。通常 认为燃煤锅炉高温腐蚀一般有两种类型: (1)硫化物型高温腐蚀 发生硫化物型高温腐蚀的管子,表面的结垢物中有硫化铁和磁性氧化 铁(Fe304),这类腐蚀主要发生在火焰冲刷管壁的情况下。其腐蚀过 程是:当燃料中的黄铁矿随灰粒和未燃尽的煤粉一起粘到管壁上时, 受热分解出游离状态的硫和硫化亚铁,在还原性气体中游离态硫可单 独存在,当管壁温度高达350及以上时游离态硫和铁会生成硫化亚 铁,而硫化亚铁可进一步氧化成磁性氧化铁从而使金属管壁受到腐蚀, 见式(3—6)。在硫化亚铁氧化成磁性氧化铁的过程中还生成S02和S03,而它们同碱氧化物作用将生成硫酸盐。因此实际上,硫化物型 与硫酸盐型高温腐蚀是同时发生的。 (2)硫酸盐型高温腐蚀 发生硫酸盐型高温腐蚀的管子表面有大量的硫酸盐和复合硫酸盐。 其形成过程为:在壁温为310—420时管壁被氧化,使受热面外形 成一层Fe203和极细的灰粒污染层,在高温火焰的作用下,灰他中的 碱土金属氧化物(Na20,K20)升华,靠扩散作用到达管壁并冷凝在壁 面上,与周围烟气中的S03化合生成硫酸盐,管壁上的硫酸盐与飞灰 中的Fe203及烟气中以SO3用,生成复合硫酸盐,复合硫酸盐在 550—710范围内呈液态(550以下为固态,710以上则分解出 S03而成为正硫酸盐),液态的复硫酸盐对管壁有强烈的腐蚀作用, 尤其在650—700时腐蚀最强烈。 2、防止和减轻高温腐蚀的措施和方法 (1)改善燃烧,防止煤粉过粗,保证燃料在炉膛内及时燃尽。 防止火焰直接冲刷水冷壁和屏式过热器。 (2)控制壁温避免管内结垢。防止炉膛局部热负荷过高。合 理布置受热面及通过运行调整以降低受热面的壁温。 (3)保持氧化气氛 合理配风,防止壁面附近出现还原性气体,炉内过剩空气 系数不宜过小。 (4)采用耐腐蚀钢材 提高金属的搞腐蚀能力,采用耐腐蚀的高合金钢,如采用 渗铝钢管、管外敷设碳化硅涂料等。 四、锅内腐蚀 当金属材料与周围的介质接触时由于发生化学作用 而使金属遭受损耗或破坏的过程称为化学腐蚀;如 在腐蚀过程中还伴有电流产生时,则称为电化学腐 蚀。金属与腐蚀性介质相接触的全部表面以大致相 同的速度遭受腐蚀的,称为均匀腐蚀;如果只是局 部地区遭到腐蚀的则称为局部腐蚀。在锅炉内部, 上述各种腐蚀形态均能发生,且局部腐蚀通常比均 匀腐蚀的危害要大得多。锅内腐蚀是指在锅炉汽水 通道内部发生的腐蚀,一般有汽水腐蚀、气体腐蚀、 垢下腐蚀及电化学与机械作用共同产生的腐蚀等多 种类型。