生物质锅炉空预器低温腐蚀研究及优化改造

董启盛 李定青 陈洪世

广东粤电湛江生物质发电有限公司 广东 湛江 524033

引言

实现碳达峰碳中和是国家重大战略决策，对推进我国的生态文明建设、引领全球气候治理、实现国家“两个一百年”奋斗目标具有重大意义。生物质能源作为可再生能源的重要组成部分，合理高效开发生物质能源是解决能源和环境的重要途径之一，然而在生物质直燃发电中，锅炉运行过程中仍存在不少问题，制约锅炉的长期稳定运行。其中，生物质燃料的富含碱金属、氯元素等无机组分造成的受热面积灰和腐蚀问题尤为突出[1-3]。本文以220t/h生物质循环流化床锅炉空预器低温腐蚀为例，对空预器出现的腐蚀问题进行分析，并探讨原因和改造措施。

1 设备概况

图1 空预器结构示意图

表1 锅炉主要技术参数

该电厂配备220t/h生物质循环流化床（CFB）锅炉，型号为HX220/9.8-Ⅳ1，主要参数如表1所示，为高温高压参数、自然循环、单炉膛、平衡通风、露天布置、钢架双排柱悬吊结构、固态排渣循环流化床锅炉。空预器分为一次风空预器和二次风空预器，布置在尾部烟道后竖井下部，如图1所示，烟气向下流动，冲刷空气预热器受热管，将热量传递给一、二次风。烟道计算截面为9000×3500,分二组管箱，为顺列沿烟道高度方向依次布置，二次风空预器上管箱材质Q215-A，下管箱采用考登钢（又名耐候钢）,二次风空预器管径为：每个回程大管箱上部两排和左右两侧两排管子使用规格为42.3×3.25，其余管子均使用规格为φ40×1.5, 横向节距S1=65，纵向节距S2=60，横向排数138，纵向排数40排，烟风二次交叉。该空预器为本文主要研究对象。

2 空预器腐蚀情况

该厂锅炉停运后对现场进行详细检查，发现空预器腐蚀部位主要发生在空预器二次风冷端（进风）约200mm左右的长度范围内，在进风处约200mm的管子大部分已腐蚀失效，整个二次风进口部位，除了少数顶部两层的管子之外，2760根管子的大部分都发生了腐蚀现象，有超过400根管子已经断裂，剩余的管子大部分已经腐蚀到接近穿孔的程度，腐蚀形态类似海水腐蚀，如图2所示。

图2 空预器积灰和腐蚀现场图片

另外，二次风空预器正下方存在烟道向内凸起台阶，台阶与水平成20°角，如图3所示。台阶高度约250mm左右，导致从台阶往上形成了底边约为200mm，斜向上的梯形积灰区域，在这个区域内所有空预器管子全部被埋在灰里面，靠近二次风进口端积灰非常潮湿，靠近出口端的积灰相对干燥。

图3 空预器积灰和腐蚀区域图

二次风空预器下部一次风空预器也有一层为考登钢，且该区域在二次空预器下游（烟气流向），但是该区域管子没有发现腐蚀问题（也没有台阶形成积灰）。而更下游的两层一次风空预器，管材为搪瓷管，有一层也存在积灰，但是未出现腐蚀现象。在二次风出口端也存在台阶，有积灰，干燥，未发现腐蚀。

3 结果分析与讨论

为研究空预器腐蚀原因，采集二次风空预器管材及入口积灰样品进行分析探讨，利用能量弥散X射线荧光法（energydispersive X-ray fluorescence，EDXRF），对二次风空预器管材和入口积灰进行元素分析，结果如图4、图5所示。由图4可知，积灰中含有较高含量的氯离子，通过复杂的化学反应造成管壁发生晶间腐蚀，因此该氯离子是造成腐蚀的主要原因，由图5可知，氯离子是主要的腐蚀产物之一，切好验证图4推测存在氯离子腐蚀的过程。此外，Ca2+和K+是除Fe以外的两种主要的阳离子，碱金属沉积也是造成空预器低温腐蚀的重要原因。

根据现场情况，腐蚀主要发生在积灰多且潮湿的区域，距离外护板约200mm的范围内是空预器台阶积灰严重区域，引起二次风空预器管离入口端面约30mm左右发生腐蚀断口，管子呈现沿着外径均匀腐蚀。锅炉运行期间，该位置的二次风温度约为35℃，烟气温度210℃，二者都是流动的气体介质。由于该管子的壁厚为1.5mm，很难从采用超声波测厚的方法进行检验，因此宏观检验监控方法无法实现。此外，由于积灰热阻非常高，当积灰导致整个空预器管子完全埋在灰里面时，积灰区域管子表面温度将远远低于烟气温度，甚至接近空预器管内风温。因此，在积灰区域，管子内外壁温度与进口端二次风温度接近，表面积灰温度也将大大低于烟气温度，空预器二次风进口端风温低（冷风温度），积灰的温度也低，生物质燃烧后烟气（含HCl）与积灰接触后结露，并逐步渗透到管子表面，导致该区域管子长期处于腐蚀环境下，即使锅炉停运，腐蚀仍在进行，导致该区域管子短期腐蚀失效。

同样积灰的二次风出口端，由于管内二次风温度经过加热已经升高至酸露点以上，从而积灰温度也在酸露点温度以上，即使表面有积灰，由于积灰温度高，不会引起烟气（含HCl）结露，也难于发生腐蚀。至于一次风空预器，同样材料的地方由于没有积灰也就不存在腐蚀，而用搪瓷管的一次风空预器，虽然存在与二次风空预器入口腐蚀区域同样的积灰台阶，但由于搪瓷管耐腐蚀性好，也未发生腐蚀。

通过以上分析，可以认为空预器腐蚀主要原因为设计缺陷导致积灰引起，当积灰发生在二次风冷风入口端时，管壁温度低，积灰温度低，烟气结露后，逐步渗透到管壁，由于灰中氯离子含量较高，对金属管道造成（晶间）腐蚀，随后发生电化学腐蚀，造成金属管道整体腐蚀穿孔。而搪瓷管耐腐蚀性较强，可以防止烟气和积灰腐蚀。

图4 二次风空预器入口积灰EDXRF结果

图5 二次风空预器管材腐蚀产物EDXRF结果

4 改造及评价

根据结果分析和讨论，采取升级空预器管材和消除积灰死角的改造优化方案，具体如下：①将二次风空预器入口管材更换为搪瓷管。②增加空预器区域吹灰装置，清除积灰。③通过空预器边板改造，消除积灰台阶，彻底消除积灰死角。

通过以上优化改造，空预器积灰和腐蚀问题基本得到解决，锅炉连续运行周期变长。

表2 空预器漏风试验结果

通过对一二次风空预器进行漏风试验，试验结果如表2所示，空预器漏风率由试验前的28.46%降至7.97%，下降20.49个百分点。空预器漏风率降低后，烟气侧额冷风走廊减少，积灰台阶消除，有效避免了烟气灰颗粒沉积，锅炉效率明显提高。