生物质锅炉高温过热器腐蚀原因分析及对策

朱邦同

安徽省特种设备检测院 安徽合肥 230051

1 背景概述

秸秆是生物质锅炉应用之初的应用对象，最广泛的类型设备是75t/h 联合炉排蒸汽锅炉，该类锅炉的生物能加工应用方式是炉前强制给料的燃烧方式。炉体主要由往复炉排、链条炉排、风室及支撑件几个主要部分组成。其中往复炉排作用是充当整个系统变频提速装置，为达成变频效果，往复炉排配备有摇臂进行连接和做功。链条炉排配置变频调速的J300型齿轮减速箱。往复炉排通风率5%，链条炉排通风率6.5%，外部空气首先会进入炉底风室，经过炉排间隙进入燃料层充当助燃气体[1]。燃料由上方被送进炉膛，在燃烧室内，高温辐射环境让空气逐步预热，使环境内的燃料干燥易燃，在燃料燃烧条件逐步完成后燃料着火燃烧提供生物质能，在往复机作用下，燃料在燃烧过程中一直处于位移状态，朝炉体后半部分移动，到达链条炉排后燃烧剩余的灰渣会落入到炉体除渣口内完成残渣回收整理。在以上阶段内送进锅炉系统的空气统称为一次风，与其对应的还有二次风，所谓二次风是指在除了炉底部进风口外，在炉体前后墙和左右两侧墙还额外布置多个风口，这些风口进风统称为二次风，而这部分风量在整个锅炉燃烧过程所需要的总风量中占据的三层的比例，是完成燃烧全过程不可或缺的空气补充。具体的使用过程是，二次风进入到搅拌炉内，与其中的燃烧气体混合，在气流流动方向的作用下会让炉内的烟气产生旋涡，这样以来就可以让飞灰以及部分可燃物的悬浮时间延长，而且对悬浮可燃物进行适当空气供给之后，使它能充分燃烧，提高生物质能提取效率，提高了锅炉热使用效率，由于燃烧物燃烧时间被延长，燃烧效果更加彻底，废气量减少，锅炉排出的烟浓度也会随之降低。

2 高温腐蚀的原理

2.1 过热器管外壁腐蚀减薄过程

在生物中普遍含有大量的碱金属，在草质类燃料中除了大量的碱金属以外还有一部分氯元素，这两类元素在经过了燃烧过程中，大量的氯元素与锅炉环境内充斥的挥发性碱金属元素会以气态的形式存在于烟气中，通过均相反应形成微米级颗粒的KCl 和NaCl，这些颗粒在高温环境中四处飘散，悬于空中只有在接触到稳定相对更低的管壁后才会附着降温。在处于燃烧漂浮的过程中，碱金属氯化物与烟气中的二氧化硫发生硫酸盐化反应生成氯气。氯气与金属管道反应的过程中会置换出金属单质，单质在高温环境下立即发生反应，形成了金属氧化物[2]。铁元素与氯气在高温环境反应生成氯化铁，而氯化铁在高温高压的环境下则会进一步与锅炉内的氧气发生反应，置换出氯气，在一系列化学反应的影响下，以铁作为主要元素的金属管材料会被不断的腐蚀，产生越来越多的腐蚀产物，该类型产物的不断增加会导致腐蚀产物厚度的增加，附着在膜层的物质增加，内应力也会随之增大，最终在长时间的作用下，膜层物资会出现开裂、脱落的情况，虽然在整个过程中因为开裂脱落而导致的物质丢失数量不多，但是整个锅炉内部环境不会发生改变，同类的化学反应会一直发生，最终造成效果累加，导致管壁凹凸，壁厚变薄。在壁厚薄到一定程度后其强度就无法满足使用需求，导致应力失效。

2.2 腐蚀的温度区间

不同的温度对于氯气活性的影响也有很大的区别，根据对比数据测算，当锅炉内部温度为490℃以内时，此时锅炉内部氯气对于金属材料的腐蚀速度还处于较慢的状态。当温度超过550℃后氯气的活性会增加，整个反应过程会变得剧烈，造成实际的腐蚀速度加快。经过具体的测算，当温度达到600℃后，腐蚀速度为1.5-2.0mm/a。同时，实际运行过程中，处于高温过热器后段蒸汽流程（温度较高）的管子较前段蒸汽流程（温度较低）的腐蚀严重，处于温度环境的水冷壁管子腐蚀非常轻微。

3 预防高温腐蚀的措施

3.1 三级过热器温度的控制优化

针对在高温环境下，氯气汇率金属材料进行不间断腐蚀的情况，可通过增加三级过热器温度告警系统将锅炉内部温度进行主动式报警，帮助操作人员更好的了解到当前锅炉内温度，同时将温度控制系统与内部操作系统进行结合，保证内部温度达到规定限额后，会主动干预温度的继续上升，确保炉内温度能够始终处于一个不利于氯气高速反应的状态。

3.2 吹灰汽源改造

采用供热母管过热器蒸汽（0.85MPa，280℃）代替原来汽包减压后的饱和蒸汽，降低了吹灰蒸汽温度与三级过热器管壁的温差；对吹灰器自动工作流程中疏水的时间作了调整，由时间控制改为温度控制，保证蒸汽的过热度，过热器蒸汽带水情况明显改善；调整吹灰频率，由原来每班吹灰1次调整为每天吹灰1次[3]。实际运行中，尾部排烟温度和各受热面积灰情况没有发生明显变化，同时也降低了吹灰对三级高温过热器的不利影响。

3.3 燃料含水量控制

生物质燃料内部含水量较高，如果不对其提前进行脱水处理，内部较高的水分会降低燃烧效率，同时也会导致更多杂质的出现。例如秸秆类的材料，他们在进入锅炉前内部的含水量约达到30%-50%，如果将这种状态的材料直接投放到锅炉内部，那么会对整个燃烧效果造成影响，同时也会造成着火相应延迟。要使锅炉安全稳定运行，必须控制入炉燃料的水分在合理范围内，首先应控制收购的燃料含水率，杜绝人为加水，其次生物质流化床锅炉应建立足够的防雨料库，从源头上控制燃料入炉含水率。

4 结语

将生物能提炼出来用于能源供应，是未来能源供应行业的改革方向，目前由于生物质功能的技术问题导致在设备运行过程中，容易出现机械设备老化，严重磨损腐蚀较快，无法保持稳定安全运行状态等因素。要解决这些问题，必须从腐蚀老化的原因本质进行分析，寻找相应的措施，减少相应的影响程度，达到确保设施设备稳定运行的目的。