燃气锅炉节能器异常结垢原因分析及预防措施

刘志坚(曲靖市质量技术监督综合检测中心，云南 曲靖 655000)

0 引言

近年来，出于国家对于环境保护的要求，越来越多的燃煤、燃材锅炉被淘汰，而燃气锅炉正逐步取代燃煤、燃材锅炉被投入到工业生产中。燃气锅炉结构较一般锅炉而言，其结构更为紧凑和复杂，自动化程度高，其对使用单位最大的影响在于，采用燃气作为燃料，其运行成本将会大幅提高。因此，为了最大限度的提高热效率，燃气锅炉一般都会增加余热回收节能技术装置-节能器[1]。本文作者在对一台燃气锅炉定期检验的过程中，发生节能器的管子外壁存在大量异常结垢，而且布满整个节能器所有管子外壁，颜色程棕黄色，见图1。为分析其成因，消除事故隐患，对杜绝事故的发生，本文对该锅炉的结垢原因进行探讨。

图1 检验中发现的节能器异常结垢

1 锅炉概况

该锅炉型号为UL-S 6000，制造单位为LOOS(德国劳斯)/Bosch Group(博世集团)，是一台进口锅炉，其结构类似于国产的WNS锅炉结构。额定出力为6t/h，额定压力为1.6MPa，工作压力为1.6MPa，2013年投入使用，已连续运行6年多，在2020年7月进行停炉内部检验，检验过程中发现在尾部节能器处发现大量异常结垢。

2 结垢的原因分析

2.1 垢样表观及其化验产物

因结垢部位为锅炉尾部烟道内的节能器，此部位是锅炉燃料燃烧后烟气流转经过的部位，图片所见部分为管子的鳍片，管子内部为水。整个管子的鳍片都被棕黄色的垢所遮盖，管子略见有腐蚀的迹象。从这些方面，可以考虑可能是低温腐蚀引起的反应物堆积。为得出垢样的主要成分，采用能谱分析(EDX)法对该垢样进行分析[2]，发现其主要成分为Fe，55.63%；S，16.39%；O，27.02%等元素，其余元素含量不足1%，因此初步得出其主要成分应是硫酸亚铁、硫酸铁、亚硫酸铁等成分的一种或几种成分组合的混合物。

2.2 形成机理

燃气锅炉由于其燃料较为昂贵，在锅炉结构设计上，最大限度的提高其热效率是设计人员遵循的准则之一。对于燃气锅炉的来说，造成其热效率高低的最主要因素是其排烟温度，它所排放的烟气的温度是锅炉总的热损失的主要部分。节能器大量运用于燃气锅炉中正是出于降低排烟温度、提高热效率这个原因。节能器中流动的是从水处理设备流出的常温的水，其管子外壁设置的大量鳍片为管子和烟气的热交换提供了最有效的结构条件。但是，这其中存在的问题是，当烟气的排烟温度低于烟气露点温度时，容易在管子表面产生冷凝水。

单有冷凝水的存在也不能构成低温腐蚀的条件，此时还需要另外一种元素-硫元素的存在。采用天然气作为燃料燃烧时，由于天然气中的大量碳氢化合物的存在，导致其燃烧后产生的烟气中水蒸气的含量远高于空气中水蒸气的含量，蒸气的露点温度范围在30～60℃之间。

当烟气中水蒸气含量特别大时，节能器上更容易产生冷凝水。现在城市生活和工业生产中所使用的天然气，大部分含有硫元素，而且有的燃气硫含量还不低，此时，由于硫元素的介入，燃气的露点温度会上升，露点温度上升后，更容易发生结露现象，其后果是产生的大量冷凝水会顺着水平或者竖直烟道回流，在烟气流程内的水平最低位置聚集，从而为腐蚀的发生提供了条件[3]。

不断聚集的冷凝水中，如果有硫元素的加入，则在损伤模式的概念上上，对腐蚀具有加成和促进作用。现在燃气公司提供的天然气，都难以避免的含有H2S杂质，H2S参与燃烧过程后，使得烟气中产生SO2，而烟气温度往往较高，至少300～400℃，再加上氧的存在，SO2极易发生氧化反应生成SO3，SO2、SO3的和水蒸气共同存在的环境下，可以生成H2SO3、H2SO4，这将导致化学腐蚀的发生。特别是随着锅炉运行时间的不断延长，H2SO3、H2SO4的浓度不断上升，当浓度上升到一定的数值时，节能器的表面将迅速腐蚀，其腐蚀产物硫酸亚铁、硫酸铁、亚硫酸铁等成分的一种或几种成分组合的混合物，最终形成上述图片中的棕黄色垢样的产物。

在检验过程中，经查询该锅炉的运行记录，发现该锅炉因生产原因，每天白天满负荷运行，而一到晚上，就低负荷运行。而长时间夜晚低负荷运行造成其排烟温度更低，给冷凝水的汇集又提供了一个条件，冷凝水和不断浓缩的H2SO3、H2SO4，造成了节能器的腐蚀。

3 处理及预防措施

通过前述对节能器上的垢样分析及其产生机理的分析，结合平时检验的工作经验，本文作者认为，可以从以下几个方面针对此现象进行预防。

尽量减少燃料中S元素的含量。现在提供给居民生活和工业生产中的天然气，应符合国家标准中，天然气总硫含量的要求为：1 类≤60mg/m3；2 类≤200mg/m3；3 类≤350mg/m3。如果作为民用燃料，天然气总硫含量应符合1类气或2类气的标准。在本台锅炉的燃气供应方面，经咨询燃气供应公司，其提供的天然气元素含量表是在国家标准以内，但是作为企业，没有能力去验证其真实性。

(2)控制排烟温度。排烟温度过低是造成烟气露点的根本原因，因此可以通过适当的提高排烟温度来避免烟气露点的发生，此举可以通过在节能器附近安置温度计来控制，一旦低于某一限定的温度值，就发出警报。本方法通过避免冷凝水的产生来防止或者减缓腐蚀，但是提高排烟温度可能会降低锅炉的能效值[4]。

(3)更换节能器的材料。节能器的主要作用就是热交换，一般采用金属在制造换热器，通常采用的金属材料有铜、不锈钢、金属铝等，这些材料的导热性能较高，主要适应于低温余热回收，但是耐腐蚀性较差，如不锈钢换热器材质易在含有氯离子的冷凝水中发生腐蚀。为了防止腐蚀，可以换用耐高温、耐腐蚀的陶瓷和塑料换热器，实现燃气锅炉烟气冷凝水对节能器的腐蚀[4]。

(4)对节能器管表面进行防腐处理。有时，出于价格、强度或者焊接性能的考虑，无法更换换热管材质。在这种情况下，可以对节能器中的换热管进行防腐表面处理，如可以采用二次钝化、电镀、化学镀、聚合物涂层、CVD和扩散涂层、加入合金成分等方法。这些方法各有优缺点，如聚合物涂层的缺点是极易老化且热阻大；CVD和扩散层最大的弊端是的成本太高，无法进行工业化生产；加入合金成分抑制冷凝液中的腐蚀成为较为困难；与化学镀相比，电镀在耐腐蚀性能方面差距较大。从防腐效果及经济性方面综合考虑，最适宜的方法就是化学镀方法[4]。

在对本文的锅炉处理中，采取了如下措施：(1)要求使用单位对已产生的大量垢样进行机械清理，以保证其原有的换热效果；(2)清理后对换热管进行测厚，看腐蚀严重情况；(3)进行强度校核；(4)强度校核合格的前提下，提出尽量在夜晚运行时，也避免低负荷运行的情况，以保证排烟温度尽量在较高的水平。

4 结语

今后，将越来越多的燃气锅炉运用于生活和工业生产中，由于其燃料、结构特点，我们检验时可能会遇到与平常所见锅炉不一样的问题。本文通过对一台锅炉节能器上的大量异常垢样，采取了成分化验和其机理分析的方法，对其成因进行了细致分析，最后针对这种情况，提出了相应的解决和预防措施。这对使用燃气锅炉的使用单位和从事锅炉检验的检验人员都具有一定的借鉴意义。