火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀及防护

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　　摘 要：锅炉水冷壁高温腐蚀是火电厂比较常见的问题，许多火电站都存在不同程度的锅炉水冷壁高温腐蚀情况，这给电厂安全生产也带来了一定影响。本文主要是对火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀及其防护措施的探究，详细阐述了水冷壁高温腐蚀的危害、腐蚀类型及其原理、腐蚀原因，进而就水冷壁高温腐蚀的防护提出几条建议，希望通过本文能为火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀问题解决提供一些助益。
　　关键词：火电厂;锅炉水冷壁;高温腐蚀;防护对策
　　 电力能源在社会生产以及人们日常生活中扮演着重要角色。近些年，随着社会发展步伐的进一步加快，社会对电力需求量也在快速增长，这大大地增加电力工业的生产负荷。因此，火电厂锅炉容量也相应增加以满足生产需求。而锅炉水冷壁高温腐蚀是当前许多火电厂需要面对的一个常见问题，影响了火电厂的安全生产[1]。所以，对水冷壁高温腐蚀进行研究，并找出有效的防护策略具有重要意义。下文讲究火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀及其防护进行探讨。
　　一、水冷壁高温腐蚀的危害
　　（一）容易发生突发性爆管事故
　　锅炉燃烧过程中，煤炭燃烧时产生的大量灰分会撞击水冷壁管，切削了其管表面，降低了管的厚度与强度，一旦受高温作用，水冷壁存在较高的突发性爆管风险，严重减低火电厂电力生产的安全性。此外，如果发生爆管事故，必然锅炉要停止运行进行抢修，这样还会增加火电厂的生产成本，对火电厂的生产进度造成不利影响。
　　（二）使管壁变薄
　　相关研究表明[2]，由于腐蚀与磨损，锅炉水冷壁管厚度减少1mm/年左右，而腐蚀严重的部位，锅炉水冷壁管厚度减少量甚至达到6mm/年左右，这都会影响锅炉的安全运行，为火电厂生产埋下安全隐患。
　　二、水冷壁高温腐蚀的类型与机理
　　从物相角度来讲，钢材质的锅炉水冷壁可分为金属基体层、含有磁性氧化铁保护氧化膜的氧化层以及由初始积灰层和飞灰沉积层构成的附着层。其中，致腐物质决定了高温腐蚀的类型，附着层的物理化学性质决定了水冷壁高温腐蚀的过程[3]。
　　（一）氯化物型高温腐蚀
　　煤燃烧过程中，大多数的氯化钠会随之蒸发，发生反应生成HCl，该物质会损坏水冷壁管受热面的氧化膜，生成很容易挥发的氯化亚铁，一旦氯化亚铁挥发，水冷壁管的金属基体层就会暴露出来，为HCl腐蚀管壁提供了便利。同时，由于氧化层中氧化膜被破坏，降低了管壁金属的耐腐蚀性。
　　（二）硫酸盐型高温腐蚀
　　当水冷壁温度在310℃-420℃时，管壁表面存在Fe2O3层是正常的，但燃烧产生的Na2O与K2O这两种氧化物会在管壁上凝结，并与烟气中的SO3产生反应生成有粘性的M2SO4;由于该物质可通过捕集灰粒并将其粘结的方式形成灰层，因而会在灰外面形成灰渣层;烟气中的SO2则会在灰层内发生反应生成2MFe（SO4）的复合硫酸盐，当形成的灰渣层脱落时，会再度生成新的Fe2O3层。该过程重复发生，形成一个恶性循环。
　　（三）硫化物型高温腐蚀
　　燃烧过程中，硫铁矿中的FeS2粘附于水冷壁，在受热后会分解为FeS与S，其中的S又会与金属发生反应再度生成FeS，而在这个过程中产生的FeS又会再度氧化作用生成Fe2SO4，腐蚀了管壁。尤其是在温度不低于350℃的情况下，腐蚀非常快。因而该腐蚀问题是许多高壓锅炉都会发生的问题，而中压锅炉由于水冷壁温度约为255℃则不会因此产生损伤。
　　三、水冷壁高温腐蚀的原因
　　（一）高温
　　高温火焰的冲刷加剧了水冷壁管的高温腐蚀，一方面，高温使得硫酸盐分解过程得以加快，提高了腐蚀速度;另一方面，没有充分燃尽的煤粉冲刷水冷壁，加快了壁管保护膜的破坏速度，提高了腐蚀速度。此外，水冷壁管的壁管局部温度过高，尤其时达到350℃的强烈腐蚀温度，一些粘附于管壁的腐蚀性的化合物会诱发高温腐蚀。
　　（二）存在还原性气体
　　没有燃尽的煤粉进一步燃烧时会发生不完全燃烧，使得烟气中存在CO、H2等还原性气体以及H2S等腐蚀性气体，因此产生的游离硫和硫化物会与管壁的金属反应而腐蚀管壁。相关研究表明，高温腐蚀随着烟气中CO浓度的增加而加重;当H2S的浓度>0.01%时则会强烈腐蚀水冷壁金属[4]。
　　（三）燃煤品质不佳
　　燃煤中含有较多的氧化物、硫以及碱金属等物质，会增加水冷壁腐蚀性介质的浓度，进而增加水冷壁高温腐蚀的风险。如含硫量高的燃煤会产生较多的硫化物，使得管壁的氧化保护膜被破坏，降低金属管壁的厚度和强度。此外，燃煤颗粒越大，完全燃烧越不容易，不仅容易产生还原性气氛，还会增加管壁的磨损程度，使得氧化膜被破坏，加剧高温腐蚀。
　　（四）运行不当
　　在锅炉负荷改变时，如果出现火嘴投停不当等运行不当情况，则可能会影响燃烧的稳定性，引发还原性气氛，从而造成高温腐蚀。
　　四、水冷壁高温腐蚀的防护对策
　　（一）应用热喷涂
　　采用热喷涂防护水冷管壁，在预防水冷壁高温腐蚀方面效果较为突出。其中，等离子喷涂与电弧喷涂的热喷涂方式可在水冷管壁上形成具低孔隙率、高结合强度以及少氧化物的保护涂层，而火焰喷涂并不具备这些优势，如等离子喷涂孔隙率为3%～8%，火焰喷涂孔隙率高达10%～20%，而电弧喷涂孔隙率为5%～15%[5]。此外，电弧喷涂还具有低成本、高安全性以及高能源利用率的优势，如能源利用率可达到60%～70%。因此，综合考虑，电弧喷涂技术更优，在喷涂防护方面的应用也越来越多，在恶劣环境中的应用效果也更佳。
　　（二）改善还原性气氛
　　改善还原性气氛的措施包括：（1）在四面水冷壁上增设烟气取样监测点，并且加装两级具有调控功能的贴壁风，确保配风状况符合要求;（2）根据锅炉负荷的变化，对腰部风进行及时适当的调整，如负荷高时调大腰部风;（3）改进双通道燃烧器，如增加双通道燃烧器背火侧腰部风宽度，以改善还原性气氛。 　　（三）强化给水控制
　　根据实际情况，将水冷壁壁管内部水流速适度提高，从而使管壁温度降低。同时进一步提升给水品质，以免水在水冷壁内形成结垢降低换热效果，提高水冷壁管温度。
　　（四）应用热渗铝法
　　热渗铝法其实质是采用热处理技术，使得一定浓度的铝原子渗入到钢件表面形成铝铁合金保护层。对水冷壁应用热渗铝防护，则主要针对水冷壁外管壁进行防护，防护处理后水冷壁管则在金属基层之上增加了氧化铝硬壳层与铝铁合金层，有效地增强了管壁的耐磨、耐高温氧化以及耐腐蚀性能。此外，渗铝防护在处理过程中产生的氧化皮很容易使水冷壁管产生结垢甚至爆管，而使用常温盐酸浸泡法就能较好地解決该问题。
　　（五）应用高温低氧技术
　　高温低氧技术是将超过800℃的高温空气喷入炉膛，以在炉膛内形成氧气浓度低于15%的低氧浓度环境，同时燃料也会进入气流中燃烧起来，能够减少甚至防止尾部受热面低温腐蚀以及高温受热面高温腐蚀情况的发生[6]。从20世纪90年代以来，高温低氧技术就已得到应用，有助于锅炉运行效率的提高，减少低氮氧化物污染，能够节约能源消耗，提高锅炉运行的经济性。
　　（六）加强燃料的控制
　　控制燃料从这两方面入手：（1）降低燃料含硫量：在燃烧前采用微波法、强磁分离法以及机械悬浮选法等物理化学方法将原煤清洗干净，其中机械悬浮方式是应用最广的一种燃烧前降低原煤含硫量的方法;燃烧中则将除硫剂（如石灰石）等加入炉内与燃煤相混合，从而使降低硫含量与腐蚀性物质浓度，从而减少高温腐蚀的发生。（2）控制煤粉颗粒大小：煤粉的细度与均匀性都应严格控制，如对粗粉分离器挡板开度、磨煤机以及回粉阀等进行调整，使得煤粉细度符合生产要求。
　　五、结语
　　综上所述，火电厂锅炉燃烧过程是一个复杂的动态过程，锅炉水冷壁很容易发生高温腐蚀问题，该问题得不到解决则会对火电厂安全生产造成较大的影响。本文详细叙述了火电厂锅炉水冷高温腐蚀的危害，介绍了高温腐蚀的几种类型，分析总结了高温腐蚀发生的高温、存在还原性气氛、燃煤品质不佳以及运行不当这四个原因，并提出了应用热喷涂、改善还原性氛围、强化给水控制、应用热渗铝法、应用高温低氧技术以及加强燃料的控制这几种防护策略。由此可知，在应对锅炉水冷壁高温腐蚀问题时，应根据高温腐蚀类型原理、高温腐蚀发生的原因，有针对性地制定防护策略，从而有效减少或防范锅炉水冷壁受热面高温腐蚀问题多的发生。
　　参考文献：
　　[1]张辉，倪进飞，卢忠铭，等.低氧燃烧工况下锅炉水冷壁管高温腐蚀行为分析[J].中国特种设备安全，2019（4）：40-42.
　　[2]关凤志，薛晓金.锅炉水冷壁垢下碱性腐蚀及实例分析[J].冶金动力，2019（7）：59-60.
　　[3]杨太勇，张清福，刘瑞东，等.风量配比对W形火焰锅炉水冷壁高温腐蚀的影响研究[J].发电设备，2018，32（3）：194-197.
　　[4]廖文俊，付超.锅炉管材在高温烟气及烟灰中的耐蚀性[J].腐蚀与防护，2018，39（7）：521-524.
　　[5]李月华，李强.电站锅炉水冷壁区域高温腐蚀及横向裂纹原因分析[J].锅炉技术，2017，48（6）：46-49.
　　[6]邹磊，岳峻峰，管诗骈，等.超临界四角切圆燃烧锅炉运行方式对水冷壁高温腐蚀影响的试验研究[J].动力工程学报，2017，37（11）：861-869.
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