生物质直燃锅炉空气预热器腐蚀研究

2014-10-20贾少刚王定才丁恒郭俊海

综合智慧能源 2014年8期

贾少刚，王定才，丁恒，郭俊海

(1.湖州职业技术学院，浙江湖州 313000;2.华电宿州生物质能发电有限公司，安徽宿州 234000;3.安徽华电宿州发电有限公司，安徽宿州 234000)

1 机组概况

安徽华电宿州生物质能发电有限公司一期2台12.5 MW生物质直燃发电机组分别于2008年7月和12月投入运行。锅炉由无锡华光锅炉股份有限公司生产制造，型号为UG－75/3.82，是燃用生物质燃料的75t/h的中温中压锅炉，其空气预热器(以下简称空预器)为卧式管箱式，分高、低温段2组管箱，顺列布置在尾部烟道内。高温段换热管材质为Q215－A.F钢，其中有4023根ø 40mm ×1.5mm 的管子，有180根ø 40 mm×2 mm的管子;低温段换热管材质为进口耐酸、耐碱腐蚀的S－TEN1钢，管子总数为3108根，管子规格为ø 38.1 mm×2 mm。额定工况下空预器参数为:进口烟温，226℃;出口烟温，142℃;进口风温，20℃;出口风温，131℃;漏风率，≤5%。

2 空预器检修情况

该公司#1，#2机组投产1年后，检查发现2台锅炉空预器换热管腐蚀非常严重，尤其是低温段冷风进口端处更甚，其腐蚀部位主要靠近管板处，如图1所示。2009年8月#1锅炉进行第1次检查性大修，低温段3108根管子全部更换;2009年10月#2锅炉进行检修时低温段更换2400根管子;2011年5月#1锅炉小修时低温段更换了1987根管子，高温段更换了80根管子，封堵57根管子;2011年6月#2锅炉小修期间低温段管子全部更换。

3 空预器腐蚀研究

图1 腐蚀的管子

该公司锅炉的燃料以玉米、小麦秸秆和豆秸为主，其干燥样本的元素分析和工业分析［1］见表1。实际入炉燃料水分为40%～45%，入炉热值为7.5～8.5 MJ/kg。

对锅炉沉降灰和空预器锈垢进行了X射线衍射成分分析(XRD)，结果见表2。XRD对24种元素进行了定性半定量分析，从试验结果可知，锅炉的沉积灰中主要是 Si，Fe，Al，Ca，K，Cl元素，而空预器管锈垢中含量最高的为Fe元素。S－TEN管材的主要添加成分有 Mn，Cu，Si，Ni，Sb，P，除去上述几种元素外，在锈垢中有 K，Mg，Cl，S等元素，这说明空预器的腐蚀现象与这几种元素紧密相关，正是K，Mg，Cl，S等元素对生物质锅炉的过热器产生了严重腐蚀［2］。空预器的低温露点硫酸腐蚀肯定是存在的［3］，由表1可知秸秆类农作物的w(S)较低，是燃煤的20%～25%，因此除低温腐蚀外应该同时存在其他的腐蚀，否则空预器的腐蚀不会如此快速和严重。

由文献［4］可知，沉积在金属表面的碱金属氯化物可与烟气中的SO2和SO3反应，析出Cl2和HCl。

表1 生物质燃料与煤的基本分析

表2 XRD分析

烟气中硫的氧化物大部分是SO2，但是钢管表层中的Fe2O3对SO3的生成具有催化作用，SO3的生成会加快反应速度，而大部分硫酸盐化则发生在积灰的内部，反应产生的Cl2和HCl接近金属表面，导致金属表面腐蚀。碱金属硫酸盐的沉积可以引起钢铁的腐蚀［5］，同时碱金属硫酸盐还能与金属氧化膜反应，形成熔融的复式硫酸盐，导致钢管致表面的氧化膜被破坏，如式(3)所示。

灰分中碱金属化合物在受热面的沉积为受热面金属的腐蚀创造了条件，在碱金属、氯元素、硫元素的共同作用下，金属壁面不断被腐蚀;金属氧化层的不断剥落则加剧了腐蚀的进程，导致管子完全腐蚀。

由此可见，空预器的腐蚀一方面是低温硫酸、HCl腐蚀，另一方面是碱金属盐类物质的沉积腐蚀，在这两种腐蚀的共同作用下，生物质锅炉空预器换热管腐蚀情况十分严重。

4 空预器改造及效果

燃煤、燃油和燃气锅炉空预器均存在较严重的低温腐蚀现象［6－8］，针对空预器的低温腐蚀现象，除调整运行方式外，诸多锅炉使用单位均将空预器钢管改造为搪瓷管，改造后效果良好［9－11］。

搪瓷管是在钢管的表面涂覆一层或数层瓷釉，通过烧结使两者牢固结合。搪瓷管不但具有原钢管的机械强度，还具有搪瓷涂层良好的耐酸腐蚀、耐磨和耐热性能［12］，并且其传热性与钢管基本相同［13－14］。

通过调研同类型锅炉的情况并与锅炉生产厂家技术人员探讨后，确定了将原锅炉空预器管箱整体改造为搪瓷管箱的方案。#1机组于2012年3月24日完成改造工作，#2机组于2013年4月底完成改造工作。搪瓷管由山东恒涛节能环保有限公司生产制造，搪瓷管母管材质为Q195，瓷釉为高强耐腐蚀瓷釉 HTB －02，搪瓷厚度为(0.34 ±0.06)mm，具有极强的耐腐蚀、耐磨损特性，表面光滑不易积灰，其制造符合Q/GHT 001—2006《搪瓷钢管式空气预热器》标准。

#1锅炉空预器改造前、后的参数见表3，由表3可知:空预器出口风温达到了158℃，远高于设计值131℃，证明搪瓷管的传热性能要优于原钢管。#1锅炉自改造后已运行近2年，期间停炉检修时对空预器进行检查，搪瓷管表面光洁，无瓷釉脱落现象，如图2所示。

表3 #1锅炉空预器改造前、后参数

图2 改造后的空预器

按改造前热风温度108℃、改造后热风温度158℃、额定工况下送风量86569 m2/h、空气比热容1.004kJ/(kg·K)、空气密度1.17kg/m3、燃料入炉热值8.0 MJ/kg、机组年利用小时数7200 h、燃料单价300元/t计算，改造后每年可节约燃料量

86569×1.17×(158－108)×1.004×1000×7200/(8.0×106×1000)=4576(t)，

每年可节约燃料费用

4576×300/10000=137(万元)。

5 结论

生物质锅炉空预器的严重腐蚀是低温露点腐蚀和碱金属沉积腐蚀共同作用的结果，将空预器换热管改造为搪瓷管后，空预器运行状况良好，腐蚀基本消除，搪瓷管传热状况良好，漏风率达到设计要求，搪瓷管的使用寿命远高于原钢管。空预器改造后经济效益良好，#1锅炉改造后每年可节约燃料费用130余万元。搪瓷管空预器适宜在现有运行的生物质直燃锅炉中推广，最好在锅炉制造安装阶段就使用搪瓷管。

［1］马洪儒，苏宜虎.生物质直接燃烧技术研究探讨［J］.农机化研究，2007(8):155－158.

［2］刘蕊，岳增武.燃用生物质锅炉末级过热器管腐蚀原因分析［J］.热力发电，2013，42(2):98－100.

［3］万思本，蔡文钢，王智微.燃烧生物质水冷振动炉排锅炉的研发及应用［J］.热力发电，2010，39(9):8 －11.

［4］马孝琴.秸秆燃烧过程中碱金属问题研究的新进展［J］.水利电力机械，2006，28(12):29 －34.

［5］张允书，史良权，李选明，等.碱金属硫酸盐沉积引起的铁基合金在中温下的热腐蚀［J］.腐蚀科学与防护技术，1992，4(4):250 －257.

［6］张向东.130 t/h燃油锅炉空气预热器腐蚀原因探讨及预防对策［J］.石油化工设备技术，2002，23(4):42－45.

［7］孙伟，丛培振，徐国良，等.电厂空气预热器的搪瓷防腐［J］.全面腐蚀控制，2004，18(6):38 －39.

［8］高德顺，宫家宏.回转式空气预热器的改进措施［J］.热力发电，2011，40(3):55 －57.

［9］刘广阳.考登钢表面涂搪瓷的研究［J］.玻璃与搪瓷，2006，34(4):34 －37.

［10］张金库.耐硫酸露点腐蚀的导热搪瓷技术［J］.石油化工腐蚀与防护，2007，24(3):16 －17.

［11］顾雪梅，臻昌忠.搪瓷管空气预热器的应用［J］.发电设备，2003(4):54－57.

［12］何立波，陈恩鉴，林伯川.搪瓷热管的耐腐蚀实验研究［J］.玻璃与搪瓷，2002，30(3):29 －31.