锅炉烟气低温腐蚀的理论研究和工程实践

张基标, 郝 卫, 赵之军, 胡兴胜, 殷国强

(1.浙江浙能中煤舟山煤电有限责任公司,舟山316135;2.神华国华(北京)电力研究院有限公司,北京100069;3.上海发电设备成套设计研究院,上海200240)

锅炉烟气的低温腐蚀是一个长期存在亟待解决的问题,国内外许多专家做了大量的技术研究和理论分析,因各自研究的侧重点不同,所以得出的结论差别很大.

例如目前我国锅炉行业应用比较广泛的一个烟气酸露点温度计算公式就是前苏联1973年版锅炉热力计算标准中的公式,但这个公式在我国出版的许多教科书、论文和设计规范中有3个版本.贾明生等[1]认为有些文献在应用此公式时出现了书写错误,所以特别予以说明并列出正确公式:

式中:t1d为烟气酸露点温度,℃;w(S)为煤种折算硫含量,%;αfh为飞灰份额,%;w(A)为煤种折算灰含量,%;tsld为烟气水露点温度,℃.

蒋安众等[2]认为文献[1]以及其他一些文献列出的酸露点温度公式(式(1))是错误的,给出了另一个计算公式:

同时还针对某锅炉厂设计的300 MW CFB锅炉的设计煤种、校核煤种1、校核煤种2,用式(2)进行计算得到烟气的酸露点温度计算结果是:109.4℃,94.9℃,114℃;用式(1)进行计算得到烟气的酸露点温度计算结果是:124.8℃,123.3℃,114.8℃.认为式(1)虽然算法不对,结果却是偏于安全.

严宏强等[3]认为烟气露点温度是衡量低温腐蚀的重要依据,列举出了目前锅炉行业常用的苏联《锅炉热力计算标准》(1973年版)计算方法:

式(3)漏掉了水露点温度tsld应该是笔误,但在分母项的表达中,飞灰份额与1.05是指数关系,折算灰份与1.05是乘积关系,这与式(1)、式(2)都不同.其实上述3个公式都来源于苏联《锅炉热力计算标准》(1973年版),但各人理解不同,就出现了结果相差悬殊的3种表达方式.

李钧等[4]在列举计算公式和计算结果的同时,给出了实测结果,见表1.

从上述列举的计算公式和烟气酸露点温度计算或实测数据可见,大家对烟气露点温度的计算非常重视,但计算结果相差比较大.

众所周知,目前国内外燃煤电站锅炉的设计排烟温度一般为120～140℃,实际运行的排烟温度一般为120～150℃.上海某电厂2台1 000 MW 机组排烟温度的实际运行值2年多来一直维持在85～98℃,这些锅炉宏观上都没有发生电厂不能接受的烟气低温腐蚀现象.

表1 实测烟气酸露点温度Tab.1 Actual measurements of flue gas dew point℃

随着低碳经济要求的不断提高和煤价不断攀升,全社会都着重于进一步降低锅炉排烟温度的研究上,并且从运行实践看,将锅炉排烟温度降低到80～98℃的确切实可行,只要设计正确,运行得当,不会发生严重烟气低温腐蚀现象.

但是,从上述烟气露点温度的计算结果看,将锅炉运行排烟温度降低到80～98℃却是低于这些烟气露点温度计算数值,理论上是要发生严重低温腐蚀的.所以上述烟气露点温度的计算公式纷争其实影响到了工程实践,没有起到理论指导实践的作用,反过来阻碍着将锅炉排烟温度有效降低到80～98℃的工程实践,同时这些计算结果比表1所列实测数据一般高出20 K以上.

笔者试图从实际工程应用出发,论述烟气低温腐蚀的实质和现状,讨论烟气酸露点温度的理论计算,从理论上提出控制烟气低温腐蚀的措施,以利于目前越来越多的锅炉烟气余热回收利用,供将锅炉排烟温度降低到80～98℃的工程实践参考.

1 烟气低温腐蚀的机理

烟气低温腐蚀是指锅炉低温烟气中的水蒸气、硫酸蒸气凝结到锅炉低温受热面上,与传热管金属发生化学反应,造成传热管壁厚腐蚀减薄失效损坏.

当水蒸气凝结到传热管金属壁面上时,将会生成大量的氧化铁(腐蚀产物);当硫酸蒸气凝结到传热管金属壁面上时,将会生成大量浅黄色的腐蚀产物FeSO4◦H2O.这就是锅炉烟气的低温腐蚀现象.

2 烟气低温腐蚀模拟试验

为了微观分析锅炉烟气的低温腐蚀情况,上海发电设备成套设计研究院于2006年曾委托中科院金属研究所进行了为期60天的锅炉烟气低温腐蚀模拟试验,试验选用5种金属管材:316L、304、ND钢、考顿钢和20钢(分别记作A 、B、C、D 和E),采用60℃、65℃和70℃3个温度等级进行.

试验结束后,排气管几乎被浅黄色腐蚀产物(FeSO4◦H2O)所填满,换热器壳体内底层除靠近进气侧附近外也有大量的这种腐蚀产物.排气管用石棉保温,实际管壁温度不到40℃,运行过程中发生了硫酸(露点)腐蚀.因此,在试验条件下,低于40℃运行时腐蚀非常快.

5种金属管显微形貌和相应的能谱分析结果,结合XRD分析结果,可认定形成的腐蚀产物是硫酸亚铁.对比分析了挂片腐蚀的增重和去除腐蚀产物后的失重数据.比较三个温度的数据,可认为60℃腐蚀最严重,70℃最轻,65℃时居中.比较5种材料70℃腐蚀质量递减数据,材料A、B和C的腐蚀速率高于材料D和E.将腐蚀速率换算成年腐蚀率,可得年腐蚀量在0.11～0.25 mm之间.

3 锅炉部件烟气低温腐蚀现状

锅炉烟气的低温腐蚀发生在锅炉低温受热面上,锅炉的低温受热面目前有2类:第一类是空气预热器(分管式空气预热器和回转式空气预热器),用烟气加热空气,一般烟气出口温度为130℃左右;第二类是烟气余热回收装置(也叫做烟气冷却器或烟水换热器,GWD),烟气加热水,一般烟气出口温度为85～100℃.

3.1 锅炉空气预热器的低温腐蚀现状

以前,锅炉烟气的低温腐蚀一般发生在空气预热器上.20世纪70年代,我国锅炉运行中几乎普遍发生了严重的低温腐蚀现象,空气预热器冷端腐蚀损坏、堵灰等严重影响到锅炉设备的安全运行.经广大科技人员的攻关,基本确认为是冬季和低负荷运行时锅炉空气预热器冷端壁温低于烟气酸露点温度,造成烟气中酸性介质在空气预热器冷端金属壁面上结露,发生烟气低温腐蚀.最后提出了加装暖风器、采用热风再循环等措施,控制冬季或者低负荷工况时的锅炉空气预热器冷端壁温使之高于烟气酸露点温度,防止结露,基本解决了烟气低温腐蚀问题.

目前一般烟煤锅炉的排烟温度在130℃左右,空气预热器进风温度20℃左右,由此推算出空气预热器冷端壁温在75℃左右.从电厂运行实践看,只要锅炉空气预热器冷端壁温高于75℃,就不会发生烟气低温腐蚀.赵之军等[5]列举了江苏利港发电厂2台600 MW机组锅炉空气预热器的运行数据:360 MW负荷工况,锅炉排烟温度116℃,左侧暖风器出风温度32℃,右侧暖风器出风温度36℃,锅炉空气预热器的实际运行冷端最低壁温75℃,机组运行4年多来,没有发生烟气低温腐蚀现象.

由此可见,一般烟煤的烟气酸露点温度低于75℃.这与文献[3]列举的实测烟气酸露点温度数值(见表1)比较吻合.

3.2 GWD的低温腐蚀现状

近年来随着节能降耗技术的发展,锅炉GWD应用逐渐增多.我国某发电厂2台1 000 MW 机组[6]于2009年3月投运锅炉GWD,烟气出口温度93℃,水进口温度81℃,传热管冷端最低金属壁温82℃左右,运行将近2年来,没有发生宏观烟气低温腐蚀现象,传热管壁厚基本没有减薄.

为了准确评估烟气低温腐蚀情况,截取2段运行于最低壁温区段的传热管试样委托有关单位进行了实验室微观分析评估,评估结论如下:从两段钢管横截面附着层能谱分析结果可以看出,附着物主要由氧化铁组成,但两种材料的附着物中均含有一定量的硫.由于现代冶金技术的提高,钢中原有的含硫量是较低的(按照GB 3087—2008:硫质量分数小于0.035%).能谱分析结果,附着物中含硫量显著高于标准要求,可以肯定,钢管表面已受到硫的腐蚀.

钢管表面已经受到硫的腐蚀,但宏观没有发现烟气低温腐蚀现象,说明硫酸蒸气结露不会对传热管造成破坏性的低温腐蚀现象.

从上述锅炉空气预热器和锅炉GWD的运行情况分析,目前锅炉低温受热面实际运行壁温75℃左右,没有发生烟气低温腐蚀现象,一般烟煤的烟气酸露点温度低于75℃.

4 烟气露点温度的定义和计算公式

4.1 烟气露点温度的定义

烟气中含有大量的水蒸气(体积分数约为8%)、硫酸蒸气和SO2气体等.

烟气中的水蒸气按照其含量不同,具有对应的饱和温度。当传热管壁温等于烟气中的水蒸气饱和温度时,烟气中的水蒸气凝结到传热管壁面上形成结露,这个温度定义为水露点温度.这里,烟气的水露点温度不是指烟气温度,而是指传热管壁面温度.一旦水蒸气凝结,对传热管造成的腐蚀是非常快速、非常严重的,模拟试验证明了这一点,所以在燃煤锅炉受热面上绝对不允许出现水结露现象.

烟气中的硫酸蒸气由于受水蒸气影响,其结露温度不能简单地按硫酸蒸气含量或者SO3气体含量以化学方式确定,但关于烟气酸露点温度的计算公式却是很多,一般计算结果均高于100℃.低温烟气流经受热面,当传热管壁温等于烟气中的硫酸蒸气露点温度时,烟气中的硫酸蒸气凝结到传热管壁面上形成酸结露,这个温度定义为酸露点温度.这里,烟气的酸露点温度不只是指烟气温度,也是指传热管壁面温度.但是硫酸蒸气凝结到传热管壁面上并不一定造成严重的低温腐蚀现象,因为浓硫酸溶液是不会腐蚀金属的,只有稀硫酸才会造成严重的低温腐蚀,所以在锅炉受热面上若只有浓硫酸结露并不可怕.

从上述分析可知,锅炉受热面壁温低于烟气的水露点温度是绝对不允许的,而锅炉受热面壁温低于烟气酸露点温度是可以接受的.安全运行要求的锅炉低温受热面壁温应该是一个介于烟气水露点温度和酸露点温度之间的温度,就称作烟气露点温度.

同样,烟气结露取决于锅炉低温受热面金属壁温.当锅炉低温受热面金属壁温等于或者低于烟气露点温度时,会在传热管金属壁面上形成烟气结露,造成不能接受的严重的低温腐蚀.

4.2 烟气露点温度计算公式

从我国目前锅炉低温受热面实际运行低温腐蚀现状分析,一般烟煤锅炉烟气的露点温度低于75℃,但根据现有各种文献列举的计算公式的计算结果基本都高于90℃,一般达到100℃左右,显然不符合实际情况.

经过多年的研究,并总结了锅炉暖风器及锅炉GWD的运行经验,汇总得出了烟气露点温度 tld经验公式:

式中:Ah为管壁积灰系数,除尘器前取值3,除尘器后取值1.

在任何工况下,尤其是冬季工况和低负荷工况,锅炉低温受热面传热管最低金属壁温高于式(4)计算得到的烟气露点温度,宏观上就不会发生烟气低温腐蚀现象,能保证锅炉低温受热面安全可靠运行.

5 控制烟气低温腐蚀的措施

锅炉低温受热面的烟气腐蚀由烟气中的硫酸蒸气和水蒸气在传热管金属壁面上形成结露而引起,此时存在2个温度:烟气温度和传热管壁温.虽然烟气温度可能高出烟气露点温度很多,但如果传热管壁温低于或者等于烟气露点温度,照样形成结露,引起低温腐蚀.所以,控制烟气结露或者说控制烟气低温腐蚀,就是要控制传热管金属壁温高于烟气露点温度,而不是控制烟气温度高于或者等于烟气露点温度.

对于锅炉空气预热器,传热模式是烟气加热空气,由于烟气和空气冲刷传热面的对流传热系数在数量级上是相等的,所以传热面壁温简单地用冷端烟气温度和空气温度的平均值计算得到,例如:烟气温度130℃,空气温度20℃,传热面壁温近似等于75℃.对于锅炉GWD,传热模式是烟气加热水,由于水在传热管内冲刷内壁的对流传热系数比烟气在传热管外冲刷外壁时的对流传热系数大2个数量级,所以传热面壁温简单地用冷端水温计算已经足够准确,例如:烟气温度90℃,水温度80℃,传热管金属壁温近似等于80℃.如果水温度30℃,即使烟气温度200℃,传热管金属壁温仍然不会超过40℃,照样发生严重的烟气结露、受热面低温腐蚀现象.

从这2类锅炉低温受热面金属壁温数值分析可见,锅炉低温受热面的金属壁温与烟气温度关系不是太大,简单地讲“为了防止烟气低温腐蚀,锅炉烟气温度不能低于某某数值”是不科学的.控制锅炉烟气低温腐蚀的理论措施就是控制锅炉低温受热面金属壁温高于烟气露点温度,尤其是冬季工况和机组低负荷工况,低温受热面金属壁温会显著下降,此时在系统设计方面必须采取技术措施保证受热面金属壁温高于烟气露点温度,不发生结露现象,才能不发生低温腐蚀现象.

对于锅炉空气预热器,在系统设计时可以采用暖风器,在冬季工况由暖风器将锅炉进风温度提高到20℃;在机组低负荷工况,由暖风器将锅炉进风温度提高到适当温度,某些进口机组的设计就要求机组启动期间由暖风器将进风加热到70℃.

基于以上理论,对于锅炉烟气余热回收装置,上海发电设备成套设计研究院投入研发并获得了专利技术,此项技术可以自动控制加热器冷端进水温度高于烟气露点温度,防止烟气结露,确保在宏观上不发生烟气低温腐蚀现象.

6 结 论

(1)从国内外实际运行的锅炉低温受热面低温腐蚀现状分析,一般烟煤(含硫量小于1%)的锅炉烟气露点温度不高于75℃.采用式(4)计算得到的烟气露点温度经多个工程实践验证,能比较准确地判断烟气结露和低温腐蚀情况。

(2)控制锅炉烟气低温腐蚀,就是要控制锅炉低温受热面金属壁温在任何工况下(尤其是冬季和低负荷工况)都高于式(4)计算得到的烟气露点温度,而不是控制烟气温度高于烟气露点温度.

(3)工程实践证明:只要能保证锅炉低温受热面金属壁温高于烟气露点温度,烟气温度降低到80～98℃是完全可行的,理论和实践上都为火电行业有效回收锅炉烟气余热、节煤节水减排提高经济效益提供了技术保障.

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