论火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀及防护

焦英智

摘要：锅炉水冷壁高温腐蚀是火电厂比较常见的问题，许多火电站都存在不同程度的锅炉水冷壁高温腐蚀情况，这给电厂安全生产也带来了一定影响。本文主要是对火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀及其防护措施的探究，详细阐述了水冷壁高温腐蚀机理、腐蚀的原因，进而就水冷壁高温腐蚀的防护提出几条对策，希望通过本文能为火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀问题解决提供一些助益。

关键词：火电厂;锅炉水冷壁;高温腐蚀;防护对策

引言

電力能源在社会生产以及人们日常生活中扮演着重要角色。近些年，随着社会发展步伐的进一步加快，社会对电力需求量也在快速增长，这大大地增加电力工业的生产负荷。因此，火电厂锅炉容量也相应增加以满足生产需求。而锅炉水冷壁高温腐蚀是当前许多火电厂需要面对的一个常见问题，影响了火电厂的安全生产。所以，对水冷壁高温腐蚀进行研究，并找出有效的防护策略具有重要意义。下文讲究火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀及其防护进行探讨。

一、水冷壁高温腐蚀机理

在锅炉燃烧器高度范围即标高11m至18m的区域内，水冷壁管外壁表面因腐蚀损耗减薄。这种腐蚀为还原气氛腐蚀。

电厂锅炉所使用的燃煤通常含有Na、K、S等，燃烧后产生这些元素的氧化物。锅炉运行时水冷壁首先发生氧化，在其表面形成Fe2O3。从中升华的Na2O和K2O凝结在管壁上，与烟气中的SO3化合成硫酸盐M2SO4。M2SO4有粘性，可捕捉飞灰，形成结渣。烟气中的SO3穿过灰渣层与M2SO4及Fe2O3发生反应，生成具有低熔点的复合硫酸盐，可引起管道的热腐蚀。

锅炉水冷壁壁面的烟温高达1000℃，管内水的工作温度在360℃以上，管壁存在温度梯度，其最表层温度在（450～650）℃之间。当覆盖于管壁外表面的硫酸盐与管材氧化后生成的氧化物形成低熔点液态共晶时，就会构成基体金属-氧化膜-熔盐层-含硫烟气的4相3界面系统，导致基体金属发生电化学过程的低温热腐蚀。锅炉水冷壁管高温腐蚀有以下2种型式。

（1）硫化物型腐蚀燃煤中的硫铁矿FeS2随着煤粒和灰粒粘着在水冷壁上，受热后发生分解：FeS2→FeS+S，而后，S又与管壁金属化合生成FeS，FeS再继续氧化成Fe2SO4，使管壁受到腐蚀。实验证明，这种腐蚀过程在温度≥350℃时进行得非常迅速。350℃是高压锅炉水冷壁管壁温范围，因此相当数量的高压锅炉都会发生水冷壁高温腐蚀。同样的燃煤对中压锅炉的水冷壁管均无损伤，因为它们的水冷壁管壁温在255℃左右。

（2）硫酸盐型腐蚀存在于结积物中的FeS2可产生SO2和SO3。水冷壁管温度在（310～420）℃情况下，管壁表面能形成正常的Fe2O3层。煤燃烧时升华出来的碱性金属氧化物Na2O及K2O凝结在管壁上，它们与烟气中的SO3化合成NaSO4和M2SO4（即K2SO4），M2SO4有粘性，它可捕集灰粒粘结成灰层，于是灰表面温度上升，外面形成渣层和流渣。烟气中的SO2穿透上述灰渣层，在灰层内发生下列反应：3M2SO4+Fe2O3+3SO3→2M3Fe（SO4）3灰渣层脱落后，管壁上产生新的Fe2O3层，于是再度发生上述反应，形成循环腐蚀过程。

二、水冷壁高温腐蚀的原因

（一）高温

高温火焰的冲刷加剧了水冷壁管的高温腐蚀，一方面，高温使得硫酸盐分解过程得以加快，提高了腐蚀速度;另一方面，没有充分燃尽的煤粉冲刷水冷壁，加快了壁管保护膜的破坏速度，提高了腐蚀速度。此外，水冷壁管的壁管局部温度过高，尤其是达到350℃的强烈腐蚀温度，一些粘附于管壁的腐蚀性的化合物会诱发高温腐蚀。

（二）存在还原性气体

没有燃尽的煤粉进一步燃烧时会发生不完全燃烧，使得烟气中存在CO、H2等还原性气体以及H2S等腐蚀性气体，因此产生的游离硫和硫化物会与管壁的金属反应而腐蚀管壁。相关研究表明，高温腐蚀随着烟气中CO浓度的增加而加重;当H2S的浓度>0.01%时则会强烈腐蚀水冷壁金属。

（三）燃煤品质不佳

燃煤中含有较多的氧化物、硫以及碱金属等物质，会增加水冷壁腐蚀性介质的浓度，进而增加水冷壁高温腐蚀的风险。如含硫量高的燃煤会产生较多的硫化物，使得管壁的氧化保护膜被破坏，降低金属管壁的厚度和强度。此外，燃煤颗粒越大，完全燃烧越不容易，不仅容易产生还原性气氛，还会增加管壁的磨损程度，使得氧化膜被破坏，加剧高温腐蚀。

（四）运行不当

在锅炉负荷改变时，如果出现火嘴投停不当等运行不当情况，则可能会影响燃烧的稳定性，引发还原性气氛，从而造成高温腐蚀。

三、水冷壁高温腐蚀的防护对策

（一）应用热喷涂

采用热喷涂防护水冷管壁，在预防水冷壁高温腐蚀方面效果较为突出。其中，等离子喷涂与电弧喷涂的热喷涂方式可在水冷管壁上形成具低孔隙率、高结合强度以及少氧化物的保护涂层，而火焰喷涂并不具备这些优势，如等离子喷涂孔隙率为3%～8%，火焰喷涂孔隙率高达10%～20%，而电弧喷涂孔隙率为5%～15%。此外，电弧喷涂还具有低成本、高安全性以及高能源利用率的优势，如能源利用率可达到60%～70%。因此，综合考虑，电弧喷涂技术更优，在喷涂防护方面的应用也越来越多，在恶劣环境中的应用效果也更佳。

（二）改善还原性气氛

改善还原性气氛的措施包括：（1）在四面水冷壁上增设烟气取样监测点，并且加装两级具有调控功能的贴壁风，确保配风状况符合要求;（2）根据锅炉负荷的变化，对腰部风进行及时适当的调整，如负荷高时调大腰部风;（3）改进双通道燃烧器，如增加双通道燃烧器背火侧腰部风宽度，以改善还原性气氛。

（三）强化给水控制

根据实际情况，将水冷壁壁管内部水流速适度提高，从而使管壁温度降低。同时进一步提升给水品质，以免水在水冷壁内形成结垢降低换热效果，提高水冷壁管温度。

（四）应用热渗铝法

热渗铝法其实质是采用热处理技术，使得一定浓度的铝原子渗入到钢件表面形成铝铁合金保护层。对水冷壁应用热渗铝防护，则主要针对水冷壁外管壁进行防护，防护处理后水冷壁管则在金属基层之上增加了氧化铝硬壳层与铝铁合金层，有效地增强了管壁的耐磨、耐高温氧化以及耐腐蚀性能。此外，渗铝防护在处理过程中产生的氧化皮很容易使水冷壁管产生结垢甚至爆管，而使用常温盐酸浸泡法就能较好地解决该问题。

（五）加强燃料的控制

控制燃料从这两方面入手：（1）降低燃料含硫量：在燃烧前采用微波法、强磁分离法以及机械悬浮选法等物理化学方法将原煤清洗干净，其中机械悬浮方式是应用最广的一种燃烧前降低原煤含硫量的方法;燃烧中则将除硫剂（如石灰石）等加入炉内与燃煤相混合，从而使降低硫含量与腐蚀性物质浓度，从而减少高温腐蚀的发生。（2）控制煤粉颗粒大小：煤粉的细度与均匀性都应严格控制，如对粗粉分离器挡板开度、磨煤机以及回粉阀等进行调整，使得煤粉细度符合生产要求。

结束语

总而言之，火电厂锅炉燃烧过程是一个复杂的动态过程，锅炉水冷壁很容易发生高温腐蚀问题，该问题得不到解决则会对火电厂安全生产造成较大的影响。在应对锅炉水冷壁高温腐蚀问题时，应根据高温腐蚀机理、高温腐蚀发生的原因，有针对性地制定防护策略，从而有效减少或防范锅炉水冷壁受热面高温腐蚀问题多的发生。

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