600 MW机组锅炉尾部烟道及设备防腐措施分析

2012-06-12沈献平王杰万有胜

综合智慧能源 2012年1期

沈献平，王杰，万有胜

(贵州华电桐梓发电有限公司，贵州遵义 563200)

1 工程概况

贵州华电桐梓发电有限公司(以下简称桐电公司)2×600 MW机组工程锅炉采用东方锅炉股份有限公司生产的600 MW超临界变压直流炉，型号为DG1900/25.4－II6，锅炉形式为单炉膛、W形火焰燃烧、一次再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、∏形露天布置。汽轮机采用哈尔滨汽轮机有限公司生产的超临界、中间一次再热、三缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式汽轮机。发电机采用哈尔滨发电机有限公司生产的QFSN－600－2型水氢氢冷却发电机。机组同步上脱硝、脱硫装置。

该工程为贵州华电遵义发电有限公司拆迁后的新建项目，机组燃用煤种为贵州北部高硫无烟煤，煤质大致情况见表1。

表1 煤质情况

机组燃用煤种的全硫、灰分与低位发热量变化较大，对锅炉及尾部烟道、设备的腐蚀危害较大。因此，本文对桐电公司超临界W形火焰锅炉尾部烟道及设备(不含脱硫系统与烟囱)的防腐进行了较全面的阐述，希望能对国内燃用高硫分无烟煤的同类型机组起到借鉴和参考的作用。

2 低温腐蚀的机制及危害

2.1 低温腐蚀的机制

燃料中的硫分在燃烧时与氧化合形成SO2，其中有小部分再被氧化，生成SO3。烟气中水蒸气的露点温度不高，一般为40.00～60.00℃，但如果烟气中含有SO3，则会与水蒸气形成硫酸蒸汽，使烟气的露点温度大大提高，称为酸露点。烟气中SO2氧化为SO3的转换率与燃烧方式及燃料种类有关，链条炉的转换率为2.0% ～3.0%，煤粉炉的转换率为0.5% ～0.8%。

当锅炉受热面的壁温低于烟气的酸露点温度时，烟气中的硫酸蒸汽就开始凝结，在锅炉受热面上形成酸膜，引起受热面腐蚀;同时，凝结的酸膜黏附飞灰并与受热面上的积灰起化学反应，引起积灰硬化，形成以硫酸钙为基质的水泥状物质。严重的积灰使管壁温度降低，凝结的酸液更多，这样就使受热面的积灰与腐蚀更加严重，直到管子堵塞，造成严重的腐蚀与堵灰，对锅炉工作的影响很大。

2.2 低温腐蚀的危害

(1)传热元件腐蚀损坏严重时，需更换大量受热面，增加金属消耗量。

(2)低温腐蚀会导致回转式空气预热器腐蚀、积灰，增大系统阻力，影响排烟温度的降低。

(3)低温腐蚀常伴随的低温黏结性积灰，不仅影响传热，使排烟温度升高，而且积灰严重时会堵塞烟气通道，烟气的流动阻力增大，风机过载，使锅炉出力下降甚至被迫停炉清灰。产生低温腐蚀时，烟气中的飞灰易黏附在潮湿的受热面及烟道上，形成低温黏结性积灰。此外，腐蚀使受热面表面粗糙不平，也容易积灰。

3 防腐方案分析

3.1 方案1:提高排烟温度

3.1.1 方案简介

由表1可以看出，煤质变化后，东方锅炉股份有限公司计算得出的烟气酸露点温度接近烟气温度，会对空气预热器后的设备及烟道造成酸腐蚀，建议将排烟温度由最初的125℃提高到131℃(2009年12月)。同时，由于硫分与灰分的增加，机械不完全损失q4增加约0.50%，因此，将桐电公司的锅炉保证效率降低为90.58%(原为91.03%)。

西南电力设计院根据锅炉厂提供的最终煤质修改后的性能数据，经过燃烧、热力计算，发现空气预热器出口烟道及设备(除尘器、引风机)处的烟气温度偏低，接近烟气酸露点温度。表2是排烟温度为1250℃时烟温与烟气酸露点数据，表3是排烟温度为1310℃时烟温与烟气酸露点数据，表4是排烟温度为1390℃时烟温与烟气酸露点数据。

表2 排烟温度为125℃时烟温与烟气酸露点数据 ℃

表3 排烟温度为131℃时烟温与烟气酸露点数据 ℃

表4 排烟温度为139℃时烟温与烟气酸露点数据 ℃

根据以上计算结果，西南电力设计院技术人员认为:由于该工程低负荷运行时间较长，在低负荷时，烟气温度与酸露点更接近，甚至低于酸露点温度，因此，建议将排烟温度提高8℃，以避免此类现象的发生。

从表2～表4可以看出，排烟温度为139℃，机组在75%负荷以上运行时，尾部设备进口烟温略高于酸露点，基本不会发生腐蚀现象。但负荷低于75%时，仍然存在烟气温度与酸露点温度接近或低于酸露点温度的现象。

3.1.2 方案分析

3.1.2.1 经济分析

若提高排烟温度至131℃或139℃，则在低负荷时仍存在烟气温度与酸露点温度接近或低于酸露点温度的现象，由于排烟温度的提高，使得锅炉效率下降。锅炉制造厂家提供的资料表明，锅炉排烟温度每增加1℃，锅炉效率约降低0.05%。如果排烟温度提高至 131℃，则标煤耗约增加 0.95 g/(kW·h)，按标煤价443元/t计算，每年每台机组约多花费139万元;如果排烟温度提高至139℃，则标煤耗约增加2.21 g/(kW·h)，按标煤价443元/t计算，每年每台机组约多花费324万元。

3.1.2.2 腐蚀速度分析

腐蚀速度与凝结的酸量、硫酸的质量分数以及管壁温度等因素有关。凝结酸量越多，腐蚀速度越快，但当凝结酸量大到一定程度时，对腐蚀的影响减弱。硫酸的质量分数增大，腐蚀速度先是增加，当硫酸的质量分数为56%时腐蚀速度达到最大值，随后急剧下降，硫酸的质量分数为60%以上时，腐蚀速度基本不变并保持在一个相当低的数值。腐蚀速度与管壁温度的关系如图1所示。在壁温达到酸露点A时，硫酸蒸汽开始凝结，腐蚀随之发生，但由于此时硫酸的质量分数极高(80%以上)且凝结酸量少，虽然壁温较高，腐蚀速度却并不高。沿着烟气流向，金属壁温逐渐降低，凝结酸量逐渐增多，其影响超过温度降低的影响，因而腐蚀速度很快上升，到B点达到最大值。之后壁温继续降低，凝结酸量减少且硫酸的质量分数仍处于较弱腐蚀区，因而腐蚀速度随壁温下降而逐渐减小，至C点达到最低值。以后虽然壁温已经降到更低的数值，但因硫酸的质量分数也在下降并逐渐接近56%，因此，腐蚀速度再次上升。到D点时壁温达到水蒸气露点(简称水露点)，大量水蒸气会凝结在管壁上并与烟气中的SO3结合，生成亚硫酸溶液，严重腐蚀金属管壁，烟气中的HCl也会溶于水并对金属起腐蚀作用，故壁温下降到水露点D点以后，腐蚀速度急剧上升。

相关资料显示，随锅炉尾部烟气温度的降低，存在2个腐蚀强烈区:一个是在低于酸露点温度(DT)20～30℃的区域(即最大凝结率温度(PRT)，该工程引风机入口处DT为123.30℃，则PRT为93.30～103.30℃)，一个是在水蒸气露点以后。在2个腐蚀强烈区之间存在一个腐蚀轻微区，其腐蚀速度通常小于0.2 mm/a，这样的腐蚀速度在工作中是允许的。而实际运行中，尾部温度不可能处于水露点温度之下，并且实际排烟温度根据已投运机组经验可能升高10℃左右，因此，需防止烟气温度低于最大凝结率温度(PRT)，即温度必须大于100℃。

图1 腐蚀速度与管壁温度关系

由表2～表4可以看出，即使在低负荷区域，尾部烟道及设备也未处于强烈腐蚀区，表2中烟温最

(2)引风机的防腐。经咨询国内各风机制造厂家了解到，未发生过因为腐蚀而造成的事故，风机最大的故障源为转子的磨损。据某合资品牌风机生产厂家介绍，国外技术支持方回复为:引风机入口烟温比水露点高25℃，即超过90℃就满足风机设计要求;据某国内大型风机厂家介绍，对于防腐问题，可以将叶片材质及与烟气接触的部分进行加强，但同时也认为，即使采用防腐措施，风机的寿命还是会降低，只是多少而已，而这个腐蚀速度差量无法量化。基于以上原因，作者认为可对引低温度为111.61℃，查得该温度下腐蚀速度低于0.35 mm/a，是可以接受的腐蚀速度。

3.1.3 分析结果

结合以上分析可知，排烟温度保持不变时，虽然金属年腐蚀速度稍快于提高排烟温度后，但具有锅炉效率高、降低标煤耗的优势，并且实际排烟温度根据已投运机组经验可能升高10℃左右。因此，建议该工程不提高排烟温度。

3.2 方案2:对尾部烟道及设备采取专门防腐措施

因为桐电公司锅炉尾部烟道及设备处烟气温度偏低，接近烟气酸露点温度，因此，采取了一些防护措施。

(1)除尘器的防腐。除尘器厂家要求除尘器入口烟气温度至少要高于烟气露点温度5℃以上，否则可能因烟气积露并腐蚀电除尘器壳体等金属构件，电瓷件(瓷套、瓷轴)积露爬电而被放电击碎，影响电除尘器的安全运行和寿命。

该工程在除尘器招标阶段已就此问题要求厂家提出相应措施，但国内厂商尚无此类电除尘器的设计经验，其所提供措施的目的均是减少除尘器本体漏风率。风机做一些防腐、抗磨处理，如桐电公司的引风机招标文件中要求叶片采用复合涂层方式，即叶片整体喷焊镍基合金，重点磨损区域再喷焊硬质合金粉末形成复合涂层，具有较好的防腐、抗磨效果。

(3)西南电力设计院建议其设计范围内的除尘器出口烟道需全部按脱硫净烟道模式进行防腐处理。至于除尘器出口烟道是否需按脱硫净烟道模式进行防腐处理，则需对其防腐材料进行比较后确定。若采用玻璃鳞片的防腐方式，由于有机材料与金属材料热膨胀系数不同，在启、停炉过程中(由于冷热变化)易发生脱落。因此，桐电公司与华电电力科学研究院联合调研，认为某纯无机水溶性纳米陶瓷涂料的防腐抗磨性能较好，热膨胀系数接近金属材料，可用于尾部烟道的防腐，将其列为一项科研项目在桐电公司加以实施。

(4)空气预热器的低温腐蚀。考虑到遵义地区高硫分无烟煤的实际情况，桐电公司在签订锅炉合同时即明确表示:锅炉配套空气预热器必须采取相应的防腐措施，冷端必须镀进口搪瓷，该技术在国内采用较多且防腐效果明显。