浅析燃气锅炉空预器低温腐蚀原因及预防措施

陈令章, 张宇航, 冉燊铭, 曾 洁通信作者

1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室, 四川 成都 611731

2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司, 四川 自贡 643001

0 引言

随着国家对环保的重视,钢铁企业对气体污染物的改造治理需求变得十分迫切。钢铁企业在生产过程中会产生大量可燃废气,主要有高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、焦化尾气、兰炭尾气,部分废气还掺杂有高浓度酸性气体,钢铁企业通过自备燃气锅炉可有效利用可燃废气进行发电,废气经锅炉燃烧和工艺处理后达到排放标准,由于钢铁企业生产过程的特殊性,自备燃气锅炉能否长期稳定运行对钢铁企业安全生产十分重要。

空气预热器(以下简称空预器)作为燃气锅炉的重要设备之一,对锅炉的稳定运行至关重要。空预器一般布置在锅炉尾部烟道,处于锅炉烟气低温区域,若烟气中含S等酸性元素,锅炉长期低负荷运行,很容易发生低温腐蚀。

本文对某钢铁企业燃气锅炉管式空预器产生低温腐蚀的原因进行了分析,并给出预防措施,对钢铁行业的安全生产及节能减排具有重要意义。

1 锅炉低温腐蚀及原因分析

1.1 锅炉基本参数

燃气锅炉为超高温亚临界参数、自然循环、平衡通风、单炉膛锅炉,燃料为焦化尾气,燃料参数如表1所示,燃料中掺有高浓度酸性气体。由于本项目烟气中粉尘含量极少,空预器采用管式预热器,错列、卧式布置,管子采用螺旋槽管,管内为空气流通通道,烟气经管外流通并换热,空预器具体布置形式如图1所示。

图1 空预器布置图

表1 燃料参数

空预器采用上、下级分级布置,因燃料成分中含S,为防止低温腐蚀,上级空预器换热管采用ND钢,下级空预器采用碳钢外镀搪瓷。

1.2 空预器运行现状

锅炉在投运一段时间后,发现炉膛内含氧量低,排烟温度低,无法满负荷运行。在停炉检修期间经锅炉检修人员检查后,确认下部空预器靠近冷风端入口处泄露(见图1空预器布置图左下方标注处)、腐蚀严重,用户将腐蚀严重的管子取样并进行了试验分析。试验样管为同一根管道的冷端、热端各取一截。

1.3 试验内容及分析结果

1.3.1 样品宏观外貌

如图2所示,未被腐蚀搪瓷管表面无穿孔、腐蚀坑,整体色泽均匀,但有较多白点,判断搪瓷管表面可能存在杂质或孔隙。同时在光照条件下,可以观察到明显的针孔存在。所测搪瓷层厚度均大于300 μm,满足NB/T 47049要求。

图2 未腐蚀搪瓷管外貌

如图3～4所示,受腐蚀搪瓷管表面有较多大小不一的圆形穿孔及圆形腐蚀坑,其中较大口径穿孔主要集中在管子冷风入口端一侧。结合受腐蚀搪瓷管表面形态及锅炉燃料含S的特点,判断受腐蚀管道表面存在低温露点腐蚀现象。搪瓷管表面温度越低的区域,越易发生凝露现象,也越容易发生硫酸露点腐蚀。

图3 腐蚀搪瓷管表面清灰后外貌

图4 受腐蚀搪瓷管外貌

沿着冷风入口方向,越进入空预器内,搪瓷管内的空气温度越高,对应的搪瓷管壁面温度也越高,发生露点腐蚀概率逐渐降低,所以发生腐蚀的区域主要集中在靠近冷风端进口下部区域(壁面温度最低区域),详见图1标注区域,而同一根管子的出口端区域(壁面温度高)表面则相对良好。

1.3.2 样品化学成分分析

搪瓷管材料为Q215A,从现场取回的样管基材化学成分如表2所示,化学成分满足GB/T 700规定的Q215A要求。

表2 样管化学成分 单位:%

图5为区域取环状管样(带搪瓷)及灰样。

图5 取样区域

如图6所示,环状管样(带搪瓷)搪瓷层截面有大量气孔和一些球状物,推测搪瓷存在气孔及搪瓷粉未融合烧结缺陷。部分气孔或未熔合区域尺寸极大,最高的大于351 μm,这种缺陷严重降低搪瓷层质量。

图6 搪瓷层表面形貌

如图7所示,灰样表面不规则,整体较为松散。检测结果显示灰样表面成分主要为C、O、S、Fe,成分含量如表3所示。结合锅炉燃料特点,判断灰中存在硫酸盐腐蚀产物,判断样管腐蚀形式主要为硫酸露点腐蚀[1-3]。烟气硫含量较高,是导致管子腐蚀的主要因素之一。

图7 灰样表面形貌

表3 灰样主要成分分析结果 单位:%

1.3.3 结果分析

1)燃料中的硫含量影响。该项目设计工况为100%焦化尾气和高浓度酸性气体(主要为H2S,98.6 mol%)。其中的硫化物燃烧后会转化成SO2,氧气充足时又部分转化为SO3,烟气中SO3浓度越高则烟气中酸的露点温度越高。当烟气温度低于酸露点温度时,SO3即会结合H2O在搪瓷管上凝结形成硫酸,硫酸与金属基体及烟气中飞灰反应,导致发生腐蚀和沾污,这个过程即低温硫腐蚀和低温沾污[4-6]。

Fe3O4+4H2SO4→FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2O

3Fe+4H2SO4+2O2→FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2O

低温腐蚀的程度取决于燃气中硫含量的高低,SO3浓度高,酸露点也高,空预器冷端搪瓷管上凝结的H2SO4也多。此外,烟气露点也受烟气中水分含量的一定影响,其趋势是呈随水分含量增大而有所提高[7-8]。

2)空预器不同区域腐蚀差异。空预器管泄漏点主要集中在下级空预器搪瓷管下半部分靠近冷风入口区域,此区域是冷空气刚进入空预器的地方。根据该项目烟气成分计算出酸露点温度约为135 ℃,锅炉在50%负荷以下运行时,空预器出口排烟温度低于135 ℃,若长期低负荷运行,在空预器下部靠近出口处区域会存在烟气温度低于酸露点温度的情况,进而产生了低温硫腐蚀,而空气出口端区域附近烟气温度高,基本未发生明显腐蚀,说明环境条件尤其是温度对空预器管腐蚀的影响较大。

3)低温积灰的影响。除低温硫腐蚀外,该项目下级空预器搪瓷管发生了轻微的低温积灰现象,是因为烟气中飞灰除形成松散堆积外,还会受到H2SO4、H2O 的凝结作用。当H2SO4凝结在搪瓷管表面时,一方面渗入搪瓷表面,溶解搪瓷管基材(Fe),另一方面在毛细管效应、惯性效应和拦截效应等作用下不断捕捉飞灰颗粒并与其某些成分发生化学反应,最终生成酸性粘结灰,而灰垢的松散结构又易吸附H2SO4、H2O,这样不断沉积蔓延。由于堆积的灰垢导热差,被积灰覆盖处温度就相对更低,进而加速搪瓷的腐蚀穿孔[9-10]。

4)搪瓷管穿孔的影响。下级空预器搪瓷管发生穿孔后,管内较低温度的空气会与管外的烟气直接交互,进一步降低穿孔附近管子壁温,此时如果部分壁温介于低酸露点30～50 ℃范围内,将加剧管子露点腐蚀,形成更多新的穿孔。

5)搪瓷管表面质量的影响。搪瓷的腐蚀速率在稀硫酸中最大,随着硫酸浓度增加,浸析度反而减少,浓硫酸对搪瓷的浸蚀作用很弱。一般电站锅炉预热器长时间接触的硫酸浓度在70%～85%,搪瓷热管工作于这种环境下的优越耐酸腐蚀性能是显而易见的。但是当钢管表面搪瓷层存在较多气孔或未熔合时,会降低搪瓷的有效厚度,当搪瓷存在较多不连续性区域时,则会无法阻挡烟气与管子基体接触,无法起到保护作用,使管道不能按照预期正常运行。

本次分析得出因搪瓷管表面灰垢中硫含量较常规灰高,结合其腐蚀形貌和垢层成分分析,判断造成搪瓷管泄露的主要原因是硫酸露点腐蚀。此外,搪瓷层表面存在气孔,同时截面检查搪瓷层发现靠近金属侧有未熔合的搪瓷粉颗粒,这可能是导致空预器管道在短期内腐蚀穿孔的重要因素之一。

2 预防措施

通过以上分析,为提高燃气锅炉管式空预器的使用寿命,可以采取以下预防措施。①在空预器入口加装暖风器,提高冷风入口温度,降低低温腐蚀概率。②锅炉低负荷运行时排烟温度相应降低,在空预器低温区域烟气温度可能低于酸漏点,造成低温硫腐蚀,因此锅炉尽量避免长期低负荷运行。③在综合成本考虑的情况下,空预器低温易腐蚀区域基管材料采用不锈钢或不锈钢镀搪瓷,提高抗腐蚀能力。④搪瓷管质量严格按照行业标准检测,保证管子镀搪瓷质量满足标准要求。⑤可安装吹灰装置,定期对管式空预器受热面进行吹扫。

该项目管式空预器按照以上预防措施进行了改造,易腐蚀区域基管全部换成不锈钢管,空预器进口端加装暖风器以便提高空预器冷风端入口温度,并让用户注意锅炉尽量避免长期低负荷运行。该项目在改造完成投运一段时间后,停炉期间经检查空预器易腐蚀区域管子无明显腐蚀,实施效果良好,大大提高了空预器寿命。

3 结束语

燃气锅炉空预器腐蚀是由多种原因造成的,本文分析及验证了燃气锅炉空预器腐蚀原因及预防措施是否有效,及时发现空预器运行过程中出现的异常现象并提前做好预防措施,提高空预器使用寿命,降低自备燃气锅炉的事故率,对钢铁行业废气利用及安全生产具有重要意义,对降低环境污染具有积极作用。