垃圾焚烧发电锅炉爆管分析及对策

文_周建富 贝邦兰 光大环保能源（苏州）有限公司

近10年来，垃圾焚烧发电如雨后春笋般在国内快速建设投产，但是对垃圾焚烧发电锅炉运行与维护方面缺乏系统的经验借鉴，各公司都是在传统燃煤发电锅炉行业经验上的沿用。基于此，对实际运行中垃圾焚烧发电锅炉爆管原因进行分析并制定对策，减少因爆管造成非计划停炉、延长锅炉运行周期显得更有意义。

1 锅炉爆管情况

1.1 锅炉爆管频次

垃圾焚烧发电的余热锅炉与燃煤电厂的锅炉原理相同，但是由于运行工况的不同，烟气成分不同，造成的爆管导致的非计划停炉的频次却完全不具备可比性。以某垃圾焚烧发电项目为例，分别抽取不同年代投产的350t/d、500t/d的3台炉子为研究对象，统计自2017～2020年间非计划停炉的发生频次，统计水冷壁、蒸发器、过热器、省煤器爆管频次，见表1所示。

表1 3台不同规模锅炉爆管发生的频次统计

通过表1可以看出，垃圾焚烧发电锅炉各个换热面在连续四年内都出现了爆管现象，甚至个别锅炉泄漏频次达到了6次之多，而传统行业的燃煤电厂，每台锅炉出现爆管的频率每年最多1～2次，因此需分析锅炉爆管的原因，并采取相应对策，减少爆管引发的非计划停运。

1.2 锅炉爆管影响

表1统计了4年内随机抽选的三台炉的停炉次数，通过统计，每台炉全年因设备故障非计划停运约7～9次，但是受热面爆管次数就达到了3～5次，占了总故障率的近50%。爆管一次，抢修最快需要48～72h，以500t/d锅炉计算，1d的直接经济损失约20万元。

2 锅炉爆管原因分析

2.1 化学腐蚀

化学腐蚀指锅炉管壁与内外部介质发生的物理-化学反应造成管壁金属成分发生变化从而表现出麻点、变色、减薄等现象。内部腐蚀即水汽侧腐蚀，主要从内部溶解氧腐蚀、碱腐蚀和结垢电化学腐蚀进行反应。通过调研该项目的水质指标，水质指标未曾出现一段时间的溶氧超标，符合国家规范和电厂行业要求。通过锅炉内检，检查锅筒内未发现盐类结晶等现象，锅筒内壁金属色分布均匀，表面光滑。通过爆管的管壁断面检查，内壁光滑均匀，无结晶结垢，主要表现在外壁减薄、外壁呈现层状脱落。由此可以判断，锅炉的腐蚀主要还是发生在外部腐蚀。

2.2 管材组分不当

锅炉主流为中温中压参数，主蒸汽压力3.8～4.2MPa，过热器温度在400～420℃之间，配套的汽包压力在4.6MPa左右，对应的饱和蒸汽温度约260℃，对应的该参数的水冷壁和省煤器选用的材质为20G钢，过热器选用15CrMoG合金钢。随着垃圾焚烧锅炉的容量增大，为了追求更高的经济性，目前出现了中温高压和中温超高压参数的锅炉，主蒸汽压力13MPa，过热器温度420～435℃之间，配套汽包压力14.2MPa，对应的饱和蒸汽温度338℃。对应该参数的水冷壁和省煤器选用的材质为20G钢，过热器选用了12Cr1MoVG合金钢。上述三种钢材的成分通过查GB/5310-2017得知，C元素和Si元素含量基本相同，区别主要体现在Mn、Cr、Mo和V的含量上。

锰元素Mn，增加钢的强度和硬度，具有良好的强度和硬度，主要性能体现在耐磨性。铬元素Cr，主要性能体现在抗腐蚀性。钼元素Mo，在高温时能保持抗蠕变性能，主要体现在抗高温性能上。矾元素V，是良好的脱氧剂，体现在抗高温抗腐蚀性能。可以看出，锅炉管排的寿命与材质中所含的元素有重大关系。另外，在上述元素相同的条件下，杂质元素越多，钢材的性能也越弱，因此通过对金属材质进行监督检验，选择各牌号内各成分含量相对较高的更能提高寿命。

2.3 运行工况不良

三种不同的牌号的钢材物理性质：①20G钢用于工质温度在450℃以下的换热面管子，如水冷壁或省煤器。②15CrMoG是GB5310-95钢号，在500～550℃具有较高的耐热性。当温度超过550℃时，其耐热性显著降低，在450℃时抗松驰性能好。③12Cr1MoVG较15CrMoG加入了V元素，抗热性能较之增强，主要用于金属主要用于壁温不超过580℃的锅炉过热器、再热器等高温高压部位，经过查询HGJ15-89曾发布的钢材允许使用温度对照如表2所示。

表2 钢材使用温度范围

以锅炉参数为例，蒸汽侧中温中压锅炉水冷壁内温度260℃，过热器温度内410℃，中温超高压锅炉水冷壁温度内340℃，过热器温度内430℃；烟气侧水冷壁一烟道1000℃，过热器入口烟温650℃，各牌号管壁厚度均为5mm，计算此温度场下，锅炉的三种牌号的管材发生组织破坏爆管时的管壁厚度。利用传热学知识，通过管壁的导热接近线性，我们计算当管壁温度达到所能承受的极限温度时所在位置，利用公式（极限温度-内壁温度）×总厚度/（外壁温度-内壁温度）=极限厚度，计算极限点所在管壁厚度如表3所示。

表3 不同牌号钢材所在温度场极限温度下的壁厚

通过表3可以看出，水冷壁管发生爆管时，爆管位置测量壁厚应该接近1.5mm,中压锅炉过热器爆管时，爆管位置壁厚接近3.1mm，超高压锅炉爆管时，过热器壁厚接近3.4mm。经过实际检验，每次爆管时，都会对附近的管壁进行壁厚测量，2021年4月8日，2#炉水冷壁爆管停炉，经测量爆管位置壁厚1.21mm， 同时测量与之附近相邻的管壁2.11mm、2.65mm、2.24mm，管壁切口端面如图1左图所示。2021年5月7日，4#炉过热器15CrMoG爆管，测量爆管位置厚度2.92mm，同时测量与之相邻的管壁厚度分别为3.0mm、3.4mm、3.5mm，管壁测量壁厚实测值如图1右图所示。

图1 水冷壁减薄切面图及过热器测厚图

通过理论计算，水冷壁与过热器发生爆管时的临界值与实际经验相匹配，从实践上验证了基本规律，基于此的分析结果可以为后续解决方案提供依据。

2.4 烟气机械磨损

经过统计，实际发生爆管的概率，爆管发生的主要部位也是有规律可循的。水冷壁发生概率的部位大多是一烟道顶棚转角附近，一二烟道中间墙转角附近，过热器高温段入口附近。经过分析，判断原因：①一烟道水冷壁顶棚处温度最高，达到1000℃，且无浇注料防护，烟气在此进行转弯，烟气中的大量粉尘对管壁进行摩擦冲刷，造成管壁机械磨损；②烟气进入二烟道，在一二烟道中隔墙处转弯向下流向，转弯过程中会在此形成内部斡旋，涡流携带着烟气对二烟道中隔墙进行再次发生机械磨损；③烟气进入三烟道后，与过热器形成对流换热，烟气直接冲刷过热器表面，且此处温度最高，高温失效机理夹杂着机械磨损，加速着过热器管排的磨损。针对这三个部位要采取相应的手段来减少磨损。

3 减少锅炉爆管采取对策

3.1 针对化学腐蚀的对策

做好垃圾仓的渗滤液倒排工作，保证垃圾内含PH值的水分含量尽量低位，减少燃烧时严重的酸性水分含量。同时垃圾仓的液位控制在低位，可以保证垃圾的发酵效果，使得垃圾焚烧反应更充分，降低各种气体含量。保证SNCR系统的稳定高效运行，定期对系统进行检查，保证喷枪的良好雾化提高反应效率。加强日常吹灰，减少受热面积灰，减少飞灰中的硫化物酸性腐蚀和氯化物高温酸性腐蚀。针对不同垃圾，及时调整焚烧状态，选择适当的空气系数，控制含氧量，避免过度氧化反应。与政府相关部门结合，高标准执行源头垃圾分类，做好含氟含氯等塑料、橡胶等物品的可回收率，减少炉膛内酸性腐蚀。

3.2 针对元素组分不当的对策

对于换热面等管材，做好金属监督工作，及时掌握金属的材质变化趋势， 便于合理提前安排大修、定修计划，或者有针对性的提前进行局部更换工作。在大修更换管排时，明确提出材质要求及成分要求，调研不同钢材生产商的管材，进行材质检验分析，对Mn、Cr、Mo三个元素含量相对较高的钢材供应商优先首选，或者在采购要求中明确管材成分要求。调研不同品牌的生成工艺，优先考虑国内大型钢铁企业的产品、如宝钢、鞍钢、凌钢等央企国企品牌。

3.3 针对运行工况不良的对策

在保证燃烧的前提下，控制燃烧工况，在达到环保要求的炉膛850℃燃烧工况的前提下，尽量降低炉膛出口温度，降低管壁内外温差。利用停炉检修积灰，对炉膛内的结焦进行清理，争取提高焚烧炉出口、余热锅炉进口处的吸热能力，使得温度场前移，降低无浇注料防护部位的管壁温度，使得管壁热传导的温降梯度降低。对锅炉进行必要的技术改造。生活垃圾的热值随城市化进程发展也在逐渐升高，已经超过了设计值，因此造成各换热面的入口温度超过设计值。以过热器12Cr1MoVG材质为例，抗氧化的温度上限是650℃，如果烟气温度超过此值，通过增加蒸发器的技改，提高前段吸热量，保证过热器入口温度在设计值内，延长使用寿命。该垃圾发电项目在后来的扩建项目中已经采取了此方案，将过热器入口烟温由700℃降低至620℃，经过半年的检验，发现明显有腐蚀减缓效果。

鉴于上述经验，对于高参数锅炉，从设计之初应尽量按高温过热器进口烟温600℃设计，实际运行中高过入口烟温尽可能通过燃烧调整控制在600℃以下，以削弱高温腐蚀。高过材料可选用SA213TP347H。该材料是一种特种不锈钢材料，在耐腐蚀耐高温方面性能良好。该垃圾发电项目在后来扩建项目中，高温过热器采用了12Cr1MoVG+SA213TP347H的组合方式，一半用前者，一半用后者，但是在运行中发现了弊端，两种材质的焊接口处容易泄露，但相比之下，SA213TP347H磨损腐蚀程度更小，后续制定方案，在下个大修周期时，将材质统一为SA213TP347H。

3.4 针对烟气的机械磨损的对策

对水冷壁处转角防磨，目前可采取措施是增加一层厚度50mm的浇注料防磨层，防止机械磨损。对过热器等迎风面增加防磨瓦盖板，防磨瓦采用不锈钢材质，以消耗防磨瓦的方式延缓过热器的机械磨损。目前大多数垃圾焚烧发电锅炉都采用的此种防范。

对水冷壁等温度场高且机械磨损大的工况，采用堆焊工艺，在管材表面对焊一层金属保护层，厚度2mm,增加管排外壁厚度。目前好多厂家还是采用一种国际牌号为SNi6625的镍基焊丝。Ni元素具有耐磨擦、耐腐蚀、耐高温的特性。过热器表面也可以采用堆焊方式进行处理。以6#炉为例，2017年1月份更换水冷壁管排采用了堆焊工艺，运行3年后2020年1月对堆焊区域的管排进行检查，发现堆焊层材料仍存在，未伤及到管排基材，耐磨效果良好。对炉膛高于900℃烟温区也可采用堆焊措施。该垃圾发电项目在后来的扩建中，采用了这一理念，在一烟道顶棚、二烟道顶棚及水冷壁、三烟道顶棚及水冷壁都进行了镍基材料堆焊，堆焊厚度2mm，其中一烟道顶棚运行温度在900℃～950℃之间，二烟道运行出口温度在700～750℃之间，经过近2年的运行摸索，2021年6月停炉机会进行检查发现，堆焊的基层损耗在0.2mm左右，损耗10%～20%之间，抗磨损效果良好。

3.5 小结

通过对锅炉爆管的不同因素进行分析，定期对锅炉管材进行金属监督和金相分析，查找各个换热面的磨损规律，为后续减少爆管情况，提供技术支持。

4 结语

通过研究锅炉爆管发生的机理，从几个方面进行了专项分析，并以实践检验理论分析结果，对指导锅炉大修技改工作提供了方向，也为正在研究垃圾焚烧锅炉新生企业提供技借鉴意义。