对生物质锅炉水冷壁管高温腐蚀的分析

吴新建++殷飞

摘 要：某公司锅炉为无锡华光锅炉股份有限公司设计生产的秸秆直燃炉排炉，为国内第一台自主设计的高温高压秸秆炉排炉。锅炉自2008年6月投入商业运行，锅炉受热面已有不同程度的减薄，本文主要针对腐蚀情况进行分析、制定防腐措施。

关键词：生物质锅炉；水冷壁；高温腐蚀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.003

1 前言

某公司锅炉为无锡华光锅炉股份有限公司设计生产的秸秆直燃炉排炉，为国内第一台高温高压秸秆炉排炉。烟气流向采用四回程“M”型，锅炉布风由两部分组成：一次风从二侧墙炉排下各分三个风管送入风室，再经过炉排上的风孔进入炉膛。风室中有隔板分隔成六个独立的风室，进风管上设有调节挡板，可根据燃料和燃烧情况进行调节。二次风布置在前、后墙炉拱处，在炉排的上方，前墙布置了三层二次风，后墙布置了三层二次风。二次风管上装有可调风门。锅炉自2008年6月投入商业运行，经过5年多的运行，锅炉受热面已有不同程度的减薄。

2 锅炉腐蚀情况

从锅炉历年生产情况可以看出，随着机组利用小时的增加，锅炉满负荷运行的时间越来越长，炉膛温度长期850℃--950℃之间运行，火焰中心正对着后墙水冷壁。2012年6月后墙水冷壁第一次出现泄漏，检查发现壁厚在3.0mm左右，已接近水冷壁管的极限值。

从后拱拱尖水冷壁测厚记录看出，后墙水冷壁中间区域腐蚀速度较快，两侧腐蚀速度较慢，2012年更换以后，2年内管壁减薄了大约2mm，腐蚀速度大约为1mm/年，但在后拱三通向上，正对火焰面处最薄只有2.3 mm左右，腐蚀速度达到1.3mm/年。

2014年对水冷壁检查时发现水冷壁腐蚀减薄严重，同时检查发现炉膛火焰中心区域四周水冷壁均存在严重减薄现象，水冷壁表面覆盖一层坚硬的腐蚀产物，有的如琉璃状，有的铁锈状，水冷壁管表面可以看到腐蚀层成片剥落的明显痕迹。

对水冷壁测厚发现，炉膛火焰中心四周部位水冷壁管减薄严重，各墙角部位减薄稍低，即减薄中间多两侧少的特点。自炉排面向上至屏过人孔门处均有不同程度的减薄，高度从炉排面上方2m（标高8m）至屏过人孔门处（标高17m），在左右侧墙拱尖上下4米区域尤为严重，最薄处仅有3.0mm，而屏过上方水冷壁高温腐蚀不明显；而侧墙水冷壁管原始厚度为7mm。

3 原因分析

水冷壁外壁腐蚀有三种类型，一种类型是硫酸盐型，一种类型是硫化物型，一种类型是氯化物型。水冷壁的高温腐蚀通常是由这三种类型腐蚀复合作用的结果。

生物质燃料的成分复杂，通过对燃料化验分析得出，燃料可燃成分中硫分较低、Cl含量较高，还含有K、F等。灰成分中K、Na含量高，Mg含量高，铝成分较低。对管外腐蚀垢样进行了元素成分分析，腐蚀垢样中铁含量为53.11%，钾18.97%，氯18.58%，由此判断管外腐蚀垢样的主要成分为氧化铁和氯化钾。铁被通过某种方式从管子往管外垢层输送，垢样中氯化钾是由烟气中夹带的熔化或半熔化状态下的碱金属氯化物灰粒接触到水冷壁凝结下来，并在水冷壁上不断生长、积聚而成，沉积物对管子造成严重的腐蚀。

对水冷壁腐蚀的垢样成分进行分析，可确定为碱金属氯化物的熔融腐蚀。水冷壁腐蚀外观表现外壁氧化膜破裂剥落，腐蚀沿着晶界向内延伸。受热面的腐蚀主要为沉积物中碱金属氯化物的高温熔融腐蚀，氯在腐蚀过程中并未被消耗，而是起到催化剂的作用在高温沉积物中循环作用，造成比较严重的高温腐蚀。

在生物质燃烧过程中，大量的氯、硫元素与挥发性的碱金属元素以蒸气形态进入到烟气中，通过反应形成微米级颗粒的碱金属氯化物，凝结和沉积在温度较低的高温受热面管壁上。凝结和沉积在管子外表面的碱金属氯化物与金属表层的氧化膜发生氧化还原反应，氯化铁在管壁垢层温度高于315℃时发生气化，向烟气侧扩散，导致金属表层的氧化膜脱落；暴露出来的管壁金属铁和烟气中的氧进行氧化反应，生成新的氧化膜。反应过程周而复始，使得受热面管壁的厚度不断减少。

碱金属硫酸盐化学反应中会产生氯气的过程发生在积灰层，在靠近金属表面会聚集浓度非常高的氯气，其浓度远高于烟气中的氯气。在整个腐蚀过程中，氯元素起到了催化剂的作用，将铁元素从金属管壁上置换出来，金属氧化物连续沉积，形成多孔疏松的腐蚀膜，最终导致了严重的腐蚀。

硫化物型腐蚀主要发生在火焰冲刷管壁的情况下，这个腐蚀过程在350℃及其以上温度时进行得很迅速，这恰是高压锅炉水冷壁的温度范围。受炉型限制，在炉拱下方区域为火焰中心，烟气温度较高，软化的灰粘度加大，极易吸附在周围的水冷壁管上，形成强碱性灰垢，使周围烟气温度居高不下，烟气里的灰周而复始的黏附，形成大片腐蚀焦挂在水冷壁上，管壁表面的Fe2O3氧化膜被复合硫酸盐破坏，更加剧了腐蚀速度。

4 目前已采取的措施

针对水冷壁腐蚀严重的现象，公司邀请专家们现场查看，通过取样分析，认为要完全消除高温腐蚀还不太可能，只能采取一些措施延缓高温腐蚀的速度。

（1）维持薄料层，对炉排振动速率进行优化调整，适当增大振动频率，减轻炉排振动幅度；（2）对炉膛出口烟气O2浓度控制进行适当优化，提高燃料的燃尽率，降低炉膛烟气温度水平；（3）提高一、二次风气流速度，破坏氯气的高浓度聚集；（4）对明显存在高温腐蚀区域的水冷壁管更换为合金钢管；（5）提高水冷壁材质，将前后墙、侧墙水冷壁腐蚀段水冷壁材质由20G提高至15CrMoG。

5 计划采取的措施

（1）对向火面进行防磨防腐喷涂；（2）添加碱金属阻垢剂，抑制低熔点的碱金属氯化物（KCl和NaCl）的生成，形成高熔点的碱金属复合盐，减少碱金属氯化物和碱金属氧化物向烟气中析出；（3）在燃烧室前后墙向火面敷设耐火浇注料，避免高温烟气与水冷壁管直接接触，降低水冷壁管表面温度。

参考文献：

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