中东电站燃油添加剂的应用
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摘 要：中东地区目前基础电力设施较为落后，由于中东地区的原油含量比较丰富，因此燃油锅炉将是该地区的电站发展的主要方向。中东HFO 380原油中含钒量大概在200ppm和含硫在4%左右，原油中的钒和硫经过锅炉燃烧后，会产生部分腐蚀产物。因此设计使用重油为燃料的机组会面临锅炉腐蚀问题，腐蚀会在锅炉高温区和烟道低温区产生，会严重影响机组的安全稳定运行。该文介绍了中东电站燃油锅炉的腐蚀的种类，阐述了燃油锅炉高、低温腐蚀的机理，以及使用燃油添加剂来保护锅炉的燃烧系统及辅助设备的方法，防止了设备的腐蚀和提高了电除尘的性能、改善了烟气的排放水平。
关键词：高温腐蚀 燃油锅炉 燃油添加剂 重油
中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（b）-0062-02
1 锅炉腐蚀类型
电站通过燃烧将燃料中的化学能转化为热能，以水作为交换介质通过热交换产生所需要的蒸汽，推动汽轮机做功发电。其中锅炉运行的原理为：除盐水通过给水泵供给锅炉水冷壁，水冷壁吸收炉膛内燃烧燃料释放出的热量转变成饱和的水蒸汽，品质合格的饱和蒸汽依次通过炉内的过热器和再热器，达到汽轮机进气参数要求，推动汽轮机进行做功。因为锅炉的炉膛是主要的燃烧受热场所，炉膛内的水冷壁管束和过热器、再热器管束也是热辐射最强烈的位置，此区域会非常容易形成高温腐蚀。锅炉的尾部烟道布置了省煤器和空预器，以利用烟气中的余热来提高水和空气的热交换效率，而此区域恰恰会受到低温区的酸腐蚀。
2 腐蚀机理
2.1 高温腐蚀机理
高温腐蚀主要指在锅炉内部燃烧条件下产生的各种熔盐物质。因为重油中含钒量比较高，重油燃烧后会生成大量的金属熔盐物质，而大部分熔盐物质的熔点接近炉膛内的温度，在炉膛内高温下呈现熔融状态，这些熔融的化合物会沉积在炉膛内的管束表面，对管束造成腐蚀并影响到锅炉的热交换效率。造成锅炉高温腐蚀的主要物质为燃油中的含钒和钠的化合物。
重油在锅炉高温燃烧情况下，其中的钒、钠等相关物质通过燃烧后与氧反应生成五氧化二钒和硫酸钠等各种低熔点的化合物。尤其是炉内的含氧量与锅炉负荷不匹配时，会造成大量的低熔点的化合物产生。反应方式如下：
4V+5O2→2V2O5
S+O2→SO2
2SO2+O2→2SO3
4NaCl+2SO2+O2+2H2O→2Na2SO4+4HCl
2NaCl+SO3+H2O→Na2SO4+2HCl
2.2 低温腐蚀机理
重油中的硫含量一般在4%左右，经过炉膛的富氧环境燃烧后会生成二氧化硫，而二氧化硫会进一步反应生成三氧化硫。由于炉膛内也有燃烧生产的五氧化二钒，会加速三氧化硫的产生。烟气进入锅炉尾部后，如果空预器密封不严或者烟气中的水蒸气含量高、消防水泄露，三氧化硫会生成硫酸腐蚀产物，间接导致了烟道内的酸露点升高，因此会有大量的硫酸凝结生成，造成尾部烟道的部分设备的酸腐蚀。尤其是空预器区域，一旦空预器经过热交换以后，温度低于酸露点值，硫酸会在受热面对金属造成腐蚀。
3 燃油添加剂
燃油添加剂通过添加到原油母管中，充分与原油混合后进入炉膛内燃烧，添加剂的主要成分是柴油和含镁化合物的混合物。添加剂通过计量泵的自动调节加药量跟踪重油的燃烧量，达到最优的加药效果[2]。
该项目所使用的燃油添加剂是一种以MgO或Mg（OH）2为主要成分的复合添加剂，添加剂在重油中有非常好的互溶性。其主要作用可以防止高温区炉膛内部高温腐蚀和低温区的硫酸腐蚀，并能提高电除尘的性能和降低烟气的排放。
3.1 抑制高温腐蚀的原理
燃油添加剂中的MgO成分可以与重油中的钒化合物生成熔点更高的物质，这些物质在炉膛内部不会沉积并且也不容易粘附在管壁上，呈现一种干燥疏松的状态，经过锅炉本体的吹灰器的吹扫，非常容易清除，保护了炉膛内的管束。
MgO+V2O5→MgO·V2O5
2MgO+V2O5→2MgO·V2O5
3MgO+V2O5→3MgO·V2O5
MgO·V2O5、2MgO·V2O5和3MgO·V2O5的熔点分别为671℃、835℃和1191℃，而过热器的壁温一般为600℃左右，在该温度下所有的炉膛内的生成產物不会呈现熔融状态，因此高温区的腐蚀可以得到明显的抑制。
3.2 抑制低温腐蚀的原理
燃油添加剂的主要成分是柴油和含镁化合物的混合物。镁化合物进入炉膛后会生成相应的氧化镁，氧化镁随着烟气在烟道内扩散比较均匀，因此会与二氧化硫和三氧化硫生成相应的镁盐。由于烟道内烟气流动比较剧烈，反应会得到充分的进行[3]。通过反应后明显的降低了烟道中的二氧化硫和三氧化硫的含量，有效抑制了生成硫酸等腐蚀化合物，提高了酸露点。此外，氧化镁在炉膛内与部分五氧化二钒进行反应，使得三氧化硫的产生降低，也因此会降低硫酸的产生。
4 实际应用
4.1 加药实验
通过取样化验空预器出口的飞灰含量，控制pH值在3.5～4，游离酸含量<1%来实现燃油添加剂的添加量，pH值可以快速显示出炉膛内飞灰的酸碱性，最终还需要以测试游离酸的含量为准，直至酸含量为0，才不会造成低温区的硫酸腐蚀。在机组启动燃烧重油开始，第一次加药需要提高加药量，让加药量过量后，充分在炉内反应，使反应产物在金属管表面形成一层质地疏松的保护膜，起到钝化保护作用。
4.2 加药量的计算
在与钒的反应过程中，镁和钒是以1∶1的比率在锅炉内生成1200℃的灰溶物，因此需要镁24.32g和50.95g的钒进行反应。假设重油的钒含量50ppm的时候，需要镁的含量如下50×24.32/50.95=23.87ppm，燃油添加剂中的镁含量一般在32%左右，因此需要添加剂23.87/0.32=74.59ppm。但是在实际应用的过程中，加药量实际要少很多，因为并不是所有的钒都是以五氧化二钒的形式存在，有一部分的钒并不会在金属表面凝结，因此能够与氧化镁反应的五氧化二钒仅仅是发生在管道表面凝结的那些钒熔物。根据经验要减少一半的添加量，因此仅需要37.3ppm。
5 结语
中东区域燃油机组，一般都会面临锅炉的腐蚀问题，高温区腐蚀和低温区酸腐蚀。高温区腐蚀主要是低熔点的钒盐在炉膛内的管束上沉积，严重降低锅炉热交换效率。低温区腐蚀主要是低于烟道的酸露点后，导致有大量的硫酸生成，对空预器及部分尾部烟道等设备的酸腐蚀。随着全球的原油质量的下降，燃油电站项目中使用燃油添加剂可以达到很好的防腐效果，是良好的经济选择。
参考文献
[1] 田松柏.中东原油中不同类型硫化合物的分布[J].石油化工腐蚀与防护，1997（14）：1.
[2] 李金现，郭希柱.燃料油添加剂在燃油锅炉上的应用[J].安全、健康和环境，2009（9）：32.
[3] Harada Y，Nakamori M，Uera H.Behavior of magnesium-based additives injected into oil fired boilers for as a preventive measure against gas side corrosion[J].Zairyo-to-Kankyo，1985（34）：240.
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