锅炉水冷壁腐蚀防治技术的应用探讨

王鑫威 大唐三门峡发电有限责任公司

在我国的工业生产领域，锅炉是必不可少的重要设施，但锅炉水冷壁的腐蚀却是一个无法忽视的问题。水冷壁的腐蚀，会导致锅炉运行过程中无法得到有效冷却，进而引发锅炉过热烧毁，严重时会引发锅炉爆炸等安全事故，为工业生产带来巨大的安全隐患。因此，要对锅炉水冷壁的腐蚀有着清晰的认知，并提出防治措施，保障锅炉运行过程中的稳定性和安全性。

一、锅炉水冷壁的腐蚀

（一）腐蚀机理

在锅炉设备中，锅炉水冷壁的腐蚀过程是持续动态进行的变化，其主要腐蚀物质分为硫盐酸、氯化物和硫化物三种，其中硫盐酸是最为重要的腐蚀物质之一，尤其是在高温状况下。一般状况下，水冷壁的腐蚀是硫盐酸与其他两种物质交叉复合共同作用的结果[1]。

锅炉设施所使用的燃料普遍含有硫，煤粉通过气流输送至锅炉炉膛中，并在水冷壁附近区域燃烧，在其过程中包括二硫化铁（FeS2）在内的各种硫化物，在经过燃烧、分解与氧化后，因水冷壁附近气体中的氧含量会快速减少，而产生还原性气体。随着还原性气体的不断增加，硫化氢（H2S）和一氧化碳（CO）等作为还原剂的物质含量也在不断升高，此时自由态的硫（S）会与水冷壁表面的铁（Fe）发生直接反应形成硫化亚铁（FeS），造成水冷壁的腐蚀。而随着硫化氢含量的增加，加剧了水冷壁表面内的氧化亚铁（FeO）等物质的腐蚀反应，不稳定的硫化亚铁在持续不断的高温氧化作用下变为四氧化三铁（Fe3O4），水冷壁的表面腐蚀也在持续进行[2]。

（二）腐蚀原因

锅炉设备中水冷壁的腐蚀主要发生在燃烧无烟煤和贫煤时，其原因主要有五点。

第一，是稳燃装置的布置问题。在部分四角切圆的锅炉中，燃烧器的喷口处通常会布置各种稳燃装置，尽管能够提升燃烧效果，却也导致了单次风送煤粉的效率降低，造成煤粉刷墙的现象。

第二，劣质的贫煤锅炉在点火时存在一定延迟，燃烧器喷口处附近没有得到充分燃烧的煤粉颗粒数量增多，导致氧含量下降，进而导致还原性和腐蚀性物质的增加。

第三，许多锅炉机组为了减少有害气体的排放，进行低氮燃烧器的改造，通过加装分级送风装置的方式，降低炉膛中下部的风量，却导致了燃烧器区域的热负荷增加，使水冷壁附近还原性和腐蚀性物质含量的增加。

第四，在燃烧硫含量较高的贫煤时，回转式空预器易发生低温腐蚀，导致漏风和堵灰等状况的发生，使得送风机和引风机的功率无法充分发挥，进而造成炉膛的缺氧。

第五，锅炉在运作过程中的变负荷运行，也会加剧锅炉内部水冷壁的腐蚀状况，使得水冷壁的腐蚀进一步加快。

此外，水冷壁的温度也是一大关键因素。在低于300℃时，腐蚀反应速度较慢或不发生反应；若在400-500℃区间时，温度越高，腐蚀速度越快，在加剧腐蚀的同时还引起水冷壁结垢，造成换热热阻的增大，使得温度进一步升高，从而加速水冷壁的腐蚀[3]。

二、锅炉水冷壁的腐蚀防治技术

（一）严格控制水质

在锅炉的运作过程中，锅炉水的水质对水冷壁的腐蚀有着至关重要的作用，其溶解的氧气会与锅炉发生电化学反应，引起锅炉的腐蚀，因此，锅炉水水质需要进行严格控制。

锅炉水冷壁的材质通常为碳钢，其在锅炉水中通过钢中的碳与铁形成了阳极和阴极，在锅炉水中大量盐分的作用下，产生了原电池反应。一般而言，锅炉水要维持在微碱性，因为氧元素是原电池反应中的重要条件，能够形成氢氧化亚铁，若无氧气接收阳极释放的电子，则该反应将会达到平衡，腐蚀不再继续进行。

然而实际情况下，锅炉水中溶解有大量氧气，且氧气含量随着未经处理的锅炉水而不断补充，使得电化学腐蚀仍旧在不断进行，进而影响到锅炉的使用寿命和运行的安全稳定性，为锅炉设备的安全运行埋下了隐患。因此，将水中的氧气去除，是防止锅炉水冷壁发生腐蚀的一大关键。

去除水中氧气主要有两种方法，一种是物理方法，另一种是化学方法。

物理方法是将水进行加热沸腾，其原理是当水在沸腾时，蒸气随着压力迅速增加，使得氧气在水上部空间所占比例迅速减少，水中的氧气含量趋向于零，进而实现对锅炉水的物理去氧。但如果温度过低，则会起不到去氧的效果，温度过高又会造成水汽流失，因此需要将温度控制在合适的范围，最好控制在当前气压下沸点温度的2-3 度。但是，该方法所起到的效果取决于设备的结构与运行状态，如果设备不佳则会使得除氧效果无法达到预期。

而化学方法则是通过化学药剂除去水中所含有的氧气。通常，联氨药剂是最为广泛使用的化学除氧方法，然而其具有毒性，锅炉产汽需要考虑到生产和生活的用途，因此使用诸如二甲基酮肟进行化学除氧。二甲基酮肟在常温下是一种无色液体，不具有毒性，不会对环境造成污染，也因为其水溶性呈中性而不会对锅炉水的酸碱性造成影响，且最后的反应生成产物为氮气和水，对热力系统的运行不会造成有害影响，因此二甲基酮肟是锅炉水化学除氧最为合适的药剂。

（二）监控温度变化

由于温度也是水冷壁腐蚀的一大重要因素，温度的高低决定了腐蚀的速度，温度越高则腐蚀越快，同时引发锅炉运转过热的问题，为锅炉系统的运转造成了一定的安全隐患。因此，温度变化的控制在对水冷壁的腐蚀进行防治过程中显得尤为关键。

在锅炉运行过程中，过热器出口蒸汽温度偏差控制在5℃以内，屏式过热器出口蒸汽温度偏差控制在10℃以内，且在运行过程中按照温度高点对蒸汽温度进行控制，避免炉膛发生过热现象。由于在锅炉运行时受热面和蒸汽的温度会不可避免地发生偏差，因此需要对停机温度和热启动的过程进行控制，同时还要保证对氧气和尾气的控制，确保受热面温度与炉膛温度达成一致。

在锅炉停机时，炉膛中的停风需要在十分钟内停止运转，同时将包含引风口、出风口和送风口在内的通风渠道关闭，防止受热温度的降低，确保闷炉的效率；而在停炉后，需要对包含屏式过热器、高温再热器等炉内多个元件的温度进行控制，以有效控制降温速度。

而在锅炉的热启动过程中，所有温度控制必须在不同的温度控制标准下进行，并且将蒸汽的温度控制在合理范围内。热启动状态下，需要注意金属受热面温度的控制，同时还要保证通风系统与其他系统之间的同步性，在初期启动的状态下要将炉内通过量控制在35%，并在5 分钟的通风时间内完成点火操作，确保温度能够以一个稳定的速度保持上升，避免发生降温现象。

（三）停机维护保养

如果要进行长时间的停机，则需先将锅炉水进行完全排放，并将炉内污垢进行清理，将纯度大于99%的氮气压入锅炉，将压力控制在0.02-0.049MPa 的范围内，防止掺入空气。之后，在检查气体含量时，如果氧气含量为0.2%左右时，则检测合格。此外，在锅炉烟道内还应放置干燥剂，以防烟道和受热面因受潮而造成腐蚀。在停机保养期间，要对压力变化进行实时监控，并定期取样分析，一旦压力不足则需要进行及时补压，确保锅炉内压力的稳定。

（四）其他防治措施

除了对水质进行控制和温度变化的监控以及锅炉的停机保养外，水冷壁腐蚀的防治还需要加强对燃煤的管理、科学组织燃烧、控制煤粉细度等方面的内容，以保证锅炉设施能够安全稳定的运行。

为提高锅炉设备的稳定性，如果条件允许，可使用低硫煤，以在燃烧阶段避免高温腐蚀的发生，其折算后的含硫量不大于1%。同时，还要注意对各个锅炉系统的设备检修，以保证锅炉设备运行的可靠性，避免设备状况异常而导致锅炉腐蚀的加剧，进而造成安全隐患。

而煤的燃烧过程也要进行科学组织，将入炉风量和风速控制在合理的范围。控制锅炉燃烧运行的氧气含量和入炉风量，避免风粉分离和局部还原性气体含量较高等现象的发生。将一次风的风速降低，有诸如炉内煤粉的稳定燃烧，同时也能够将煤粉气流对水冷壁的腐蚀进行缓解，但无法从根本上解决锅炉的高温腐蚀；而增加炉内二次风的风速虽然有利于煤粉气流的预混合，实现燃料的提前点火和稳定燃烧，但会导致点火推迟，并降低煤粉的燃烧效率。因此，需要根据实际情况，对风量进行控制。

煤粉的制粉系统的选型由煤的种类决定，如果燃烧的是劣质煤炭，则会增加制粉系统的工作负担，使得系统效率下降，煤粉颗粒也无法控制在合适的细度范围。最为关键的一点，就是煤粉细度对于锅炉的高温腐蚀有着至关重要的影响，当煤粉颗粒过粗则会对燃烧效率造成影响，未燃烧的煤粉聚集在水冷壁附近，从而加剧了高温腐蚀。因此，需要根据锅炉设备的实际状况，将煤粉细度控制在合适的范围内。

此外，如果有必要性的话，还可对锅炉设备进行优化改造，在设备角度上解决水冷壁的腐蚀问题，同时也是最为根本的解决方法。

锅炉炉膛内的高温区和水冷壁近壁区域气流中含氧量较小，当还原性物质的含量较大时则会发生较为严重的高温腐蚀现象。因此，通过对锅炉设备的改造，以提高水冷壁附近区域中的氧含量，从而抑制还原性物质的产生，能够缓解甚至从根本上解决水冷壁的腐蚀问题。

设备的改造主要针对燃烧器进行改造，通过对主燃烧区的空气系数进行重新分布，以多喷口小流量的布置方式，实现精准控制锅炉的燃烧过程，将燃料和空气的分级进行有机结合，降低主燃烧区域的热负荷，并能够防止锅炉结渣和抑制炉内有害气体的生成。

主燃烧区域上部的燃尽风和高位燃尽风的合理布置，能够实现对燃烧过程的调节控制，在保证煤粉燃烧效率的同时还能大幅减少尾气中有害气体的排放。在改造的过程中，不可改变原主燃烧器框体的结构形式和切圆，高位燃尽风喷嘴应采用四角布置，对圆锅炉热效不产生影响，保持原有热工电桥电缆桥架走向，在改造之后燃烧系统能够与其他锅炉设备完全适配，并且做出的改动要尽可能少，投资尽可能要节省，施工尽量不要过于复杂，并在降低有害气体排放的前提下，确保设备能够安全且经济的运行，且炉内还原性气体含量能控制在合适的范围内，实现对高温腐蚀的可控性，确保锅炉运行时的效率和稳定性。

在对锅炉进行改造时，先将5 层一次风喷口进行更换，以调整周围风率；再将一次风喷口加装钝体，更换5 层一次封嘴喷体；一二次风的布置要呈大小切圆的形式；将8层二次风喷口进行更换，重新分配各层二次风率，以便增加3 层燃尽风的风率；增加1层高位燃尽风，将风道隔板进行调整，以适应燃尽风的风率；最后，将四角喷口和水冷壁管屏全部更换为燃尽风。

锅炉设备进行改造后，需要使用空气动力场冷态烟花进行测试，以检验改造成果是否符合预期。在经过改造后，提高了锅炉对煤的适应性，同时燃烧稳定和防结渣能力也得到了提升，燃烧效率和输出功率也得到了提升。

三、结论

为维护锅炉设施的正常运行，同时也为了保障生产工作的安全，需要对锅炉水冷壁的腐蚀的防治工作有着足够的重视。在防治前，要对锅炉水冷壁的腐蚀机理和腐蚀原因进行分析，并对锅炉水质进行严格控制，留意锅炉的温度变化，并注意停机时的维护保养，同时还要注意燃煤管理、煤炭燃烧、煤粉细度等方面的问题，若有必要还可对锅炉设施进行改造，进行设备优化。