摘要:文章通过低温腐蚀的机理的分析,探讨了大型机组锅炉低温腐蚀发生的因素,并提出了降低腐蚀的可行预防措施。
关键词:锅炉低温腐蚀;硫酸腐蚀;烟气露点
中图分类号:TK22文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0049-02
低温腐蚀是指硫酸蒸汽凝结在尾部受热面上而发生的腐蚀,这种腐蚀也称硫酸腐蚀。它一般出现在低温级空气预热器的冷端。一旦受热面发生低温腐蚀,可能导致受热面泄漏,致使大量空气漏入烟气中,既增大排烟热损失,降低锅炉效率,又加大引风机负荷,增大风机电耗;同时还会出现低温积灰,降低锅炉出力;腐蚀严重时,可能导致大量受热面更换,造成具大的经济损失。
一、低温腐蚀的机理
锅炉燃用的燃料中都含有一定的硫,燃烧时会生成SO2,其中一部分SO2进一步被氧化成SO3,当带有SO3的烟气流经尾部受热面时,如果尾部受热面的壁温低于酸露点,烟气中的水蒸气即在管壁上凝结成水,烟气中的SO3气体溶于水中,形成H2SO4溶液,从而腐蚀管壁金属,这种腐蚀即为低温腐蚀。
二、影响低温腐蚀的因素
(一)烟气露点
烟气对受热面的低温腐蚀程度常用酸露点的高低来确定。烟气中硫酸蒸汽的凝结温度被称为酸露点。酸露点越高,腐蚀范围愈广,腐蚀也越严重。通常用经验公式(1)来确定烟气的酸露点:
(1)
其中:tl——烟气的酸露点,℃;tsl——按烟气中水蒸气的分压力计算的水露点,即烟气中水蒸气分压力下所对应的饱和温度,℃;syzs、Ayzs:应用基燃料的折算硫分和折算灰分;∝fh——飞灰系数。
从上式可以看出,酸露点随燃料中硫的含量提高而增大。常压下燃用固体燃料的烟气中,水蒸汽的分压力P水=0.01-0.015,在此压力下,水露点低至45℃～54℃,随着烟气中SO3含量的提高,酸露点提高。燃用高硫煤时,酸露点可达140℃～160℃甚至更高。这样,一旦受热面壁温低于酸露点温度,低温腐蚀就形成了。
(二)烟气中SO3的含量
烟气中SO3的含量是影响低温腐蚀的主要因素。这是因为随着烟气中SO3含量的增加,一方面会使烟气露点上升,另一方面会使硫酸蒸汽含量增加。前者使受热面容易结露引起腐蚀,后者使腐蚀程度加剧。烟气中SO3的形成有以下三种途径:第一,在炉膛高温作用下,部分氧分子分解离散成原子状态,原子氧将SO2氧化成SO3;第二,烟气流过对流受热面时,烟气中的SO2在钢管表面的氧化铁膜Fe2O3的催化作用下,与烟气中的剩余氧结合成SO3;第三,燃煤中的硫酸盐在燃烧时会分解出一部分SO3。同时,影响SO3生成量的因素如下:
1.过量空气系数。过量氧的存在是SO2氧化为SO3的基本条件。所以,过量空气系数越大,过剩氧越多,SO3也越多。当过量空气系数降到1.05时,烟气中SO3生成量显著减少,其含量接近或小于危害浓度。
2.燃烧工况。燃烧工况会影响火焰中心和火焰末端温度。如果中心温度高,原子氧的含量就高,因此生成的SO3多;相反,如果火焰末端温度高,此时生成的SO3又分解了。因此,为了降低SO3的生成量,火焰中心温度不宜过高,同时火焰不宜拖的太长。
3.燃烧方式。在燃料含硫量相同的情况下,燃油炉的烟气露点要比煤炉高。
(三)硫酸浓度、管壁上凝结的酸量以及管壁温度
据研究表明,管壁上凝结下来的硫酸浓度、酸量以及管壁温度与低温腐蚀的速度有关。凝结酸量越多,腐蚀速度越快,但当凝结酸量大到一定程度时,再增加凝结酸量也不会影响腐蚀速度;金属壁温越高,腐蚀速度也越快;硫酸浓度与腐蚀速度不是成正比关系,当硫酸浓度较低时,碳钢的腐蚀速度随酸浓度增大而上升,到浓度为56%时,腐蚀速度最高,此时再增加硫酸浓度,腐蚀速度基本不变并保持一个非常低的数值。原因是硫酸的浓度达到56%以上时,在碳钢表面形成了一层钝化膜,从而使腐蚀速度大大降低。
三、防止和减轻低温腐蚀的方法
(一)提高受热面壁温,使壁温在酸露点以上
为了保证锅炉的经济运行,排烟温度的提高受到限制。提高壁温最常用的方法是提高入口空气温度,通常在燃用高硫燃料的锅炉中加装暖风器或采用热风再循环。但是进风温度越高,排烟温度也会越高,排烟热损失就越大;还可能会增加送风机的电耗。为了提高进风温度,又让排烟温度控制在经济范围内,提出了新的空气预热器系统——多级加热空气预热器(如图1所示)。它与暖风器的不同之处在于,风机送入的冷空气并不全部通过暖风器,而是部分通过,加热后进入第一级空气预热器,其余的风则进入旁路,在第一级空预器后的混合器中与热空气混合,混合后一起进入二级空预器。多级加热空预器的特点是使冷空气逐步与主流热空气混合,并且混合比是可以调节的,综合考虑运行能耗及投资,一般建议系统不宜超过三级。相对于暖风器而言,多级加热空气预热器受热面积减少,耗汽量降低,体积缩小近一倍。
1送风机2暖风器3空预器4混合器
图1 多级加热空预器
(二)低温受热面采用耐腐蚀材料
为了解决低温腐蚀问题,燃用高硫燃料的锅炉中,低温段的管式空预器常采用耐腐蚀的玻璃管;回转式空气预热器采用耐腐蚀的搪瓷波形板或用搪瓷材料制造冷端受热面。由于抗腐蚀材料不能防止低温粘结积灰,因此必须加强吹灰。
(三)采用降低露点或抑制腐蚀的添加剂(石灰石或白云石)
将添加剂混入燃料或直接吹入炉膛或过热器后的烟道中,添加剂会分解生成CaO,CaO与烟气中的SO3发生作用生成硫酸钙,从而降低烟气中SO3分压力,减轻低温腐蚀。
(四)降低过量空气系数和减少漏风
烟气中的过量氧会增大SO3的生成量。无论是送入炉膛的助燃空气还是烟道的漏风,对SO3的生成量都有影响。因为在烟气流程中,只要有过剩氧的存在,SO2仍能继续变为SO3。因此,为防止低温腐蚀尽可能采用较低的过量空气系数和减少烟道的漏风,降低过量空气系数还可以提高锅炉效率,但前提应保证燃料的完全燃烧。
(五)可以加氨中和SO3,降低烟气露点
由于氨是气体,在烟气中的扩散和化学反应很快,所以它的用量小,且注入装置简单。但要注意喷射地点的选择,以免尾部受热面积灰。因为氨在600℃以上开始分解,在150℃以上才和SO2发生反应,所以氨喷射点的温度应在200℃～600℃之间。同时,NH4HSO4与活性强,它能在壁温高于露点的情况下腐蚀金属。所以,采用加氨中和SO3,应该提高加氨量,以免形成NH4HSO4。
四、结语
总之,当锅炉燃用含硫量低的燃料时,可以适当提高排烟温度;随着燃料含硫量提高,在排烟温度提高的同时,应进行低氧燃烧,将过量空气系数控制在1.1以下,最好是1.05,还可以使用耐蚀材料,提高空气预热器入口风温;当锅炉燃用高含硫燃料时,还应考虑使用添加剂防止低温腐蚀。