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      鍋爐水冷壁腐蝕防治技術(shù)的應(yīng)用探討

      2021-01-16 06:18:58王鑫威大唐三門峽發(fā)電有限責(zé)任公司
      環(huán)球市場 2021年29期
      關(guān)鍵詞:還原性水冷壁煤粉

      王鑫威 大唐三門峽發(fā)電有限責(zé)任公司

      在我國的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,鍋爐是必不可少的重要設(shè)施,但鍋爐水冷壁的腐蝕卻是一個無法忽視的問題。水冷壁的腐蝕,會導(dǎo)致鍋爐運行過程中無法得到有效冷卻,進而引發(fā)鍋爐過熱燒毀,嚴重時會引發(fā)鍋爐爆炸等安全事故,為工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患。因此,要對鍋爐水冷壁的腐蝕有著清晰的認知,并提出防治措施,保障鍋爐運行過程中的穩(wěn)定性和安全性。

      一、鍋爐水冷壁的腐蝕

      (一)腐蝕機理

      在鍋爐設(shè)備中,鍋爐水冷壁的腐蝕過程是持續(xù)動態(tài)進行的變化,其主要腐蝕物質(zhì)分為硫鹽酸、氯化物和硫化物三種,其中硫鹽酸是最為重要的腐蝕物質(zhì)之一,尤其是在高溫狀況下。一般狀況下,水冷壁的腐蝕是硫鹽酸與其他兩種物質(zhì)交叉復(fù)合共同作用的結(jié)果[1]。

      鍋爐設(shè)施所使用的燃料普遍含有硫,煤粉通過氣流輸送至鍋爐爐膛中,并在水冷壁附近區(qū)域燃燒,在其過程中包括二硫化鐵(FeS2)在內(nèi)的各種硫化物,在經(jīng)過燃燒、分解與氧化后,因水冷壁附近氣體中的氧含量會快速減少,而產(chǎn)生還原性氣體。隨著還原性氣體的不斷增加,硫化氫(H2S)和一氧化碳(CO)等作為還原劑的物質(zhì)含量也在不斷升高,此時自由態(tài)的硫(S)會與水冷壁表面的鐵(Fe)發(fā)生直接反應(yīng)形成硫化亞鐵(FeS),造成水冷壁的腐蝕。而隨著硫化氫含量的增加,加劇了水冷壁表面內(nèi)的氧化亞鐵(FeO)等物質(zhì)的腐蝕反應(yīng),不穩(wěn)定的硫化亞鐵在持續(xù)不斷的高溫氧化作用下變?yōu)樗难趸F(Fe3O4),水冷壁的表面腐蝕也在持續(xù)進行[2]。

      (二)腐蝕原因

      鍋爐設(shè)備中水冷壁的腐蝕主要發(fā)生在燃燒無煙煤和貧煤時,其原因主要有五點。

      第一,是穩(wěn)燃裝置的布置問題。在部分四角切圓的鍋爐中,燃燒器的噴口處通常會布置各種穩(wěn)燃裝置,盡管能夠提升燃燒效果,卻也導(dǎo)致了單次風(fēng)送煤粉的效率降低,造成煤粉刷墻的現(xiàn)象。

      第二,劣質(zhì)的貧煤鍋爐在點火時存在一定延遲,燃燒器噴口處附近沒有得到充分燃燒的煤粉顆粒數(shù)量增多,導(dǎo)致氧含量下降,進而導(dǎo)致還原性和腐蝕性物質(zhì)的增加。

      第三,許多鍋爐機組為了減少有害氣體的排放,進行低氮燃燒器的改造,通過加裝分級送風(fēng)裝置的方式,降低爐膛中下部的風(fēng)量,卻導(dǎo)致了燃燒器區(qū)域的熱負荷增加,使水冷壁附近還原性和腐蝕性物質(zhì)含量的增加。

      第四,在燃燒硫含量較高的貧煤時,回轉(zhuǎn)式空預(yù)器易發(fā)生低溫腐蝕,導(dǎo)致漏風(fēng)和堵灰等狀況的發(fā)生,使得送風(fēng)機和引風(fēng)機的功率無法充分發(fā)揮,進而造成爐膛的缺氧。

      第五,鍋爐在運作過程中的變負荷運行,也會加劇鍋爐內(nèi)部水冷壁的腐蝕狀況,使得水冷壁的腐蝕進一步加快。

      此外,水冷壁的溫度也是一大關(guān)鍵因素。在低于300℃時,腐蝕反應(yīng)速度較慢或不發(fā)生反應(yīng);若在400-500℃區(qū)間時,溫度越高,腐蝕速度越快,在加劇腐蝕的同時還引起水冷壁結(jié)垢,造成換熱熱阻的增大,使得溫度進一步升高,從而加速水冷壁的腐蝕[3]。

      二、鍋爐水冷壁的腐蝕防治技術(shù)

      (一)嚴格控制水質(zhì)

      在鍋爐的運作過程中,鍋爐水的水質(zhì)對水冷壁的腐蝕有著至關(guān)重要的作用,其溶解的氧氣會與鍋爐發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),引起鍋爐的腐蝕,因此,鍋爐水水質(zhì)需要進行嚴格控制。

      鍋爐水冷壁的材質(zhì)通常為碳鋼,其在鍋爐水中通過鋼中的碳與鐵形成了陽極和陰極,在鍋爐水中大量鹽分的作用下,產(chǎn)生了原電池反應(yīng)。一般而言,鍋爐水要維持在微堿性,因為氧元素是原電池反應(yīng)中的重要條件,能夠形成氫氧化亞鐵,若無氧氣接收陽極釋放的電子,則該反應(yīng)將會達到平衡,腐蝕不再繼續(xù)進行。

      然而實際情況下,鍋爐水中溶解有大量氧氣,且氧氣含量隨著未經(jīng)處理的鍋爐水而不斷補充,使得電化學(xué)腐蝕仍舊在不斷進行,進而影響到鍋爐的使用壽命和運行的安全穩(wěn)定性,為鍋爐設(shè)備的安全運行埋下了隱患。因此,將水中的氧氣去除,是防止鍋爐水冷壁發(fā)生腐蝕的一大關(guān)鍵。

      去除水中氧氣主要有兩種方法,一種是物理方法,另一種是化學(xué)方法。

      物理方法是將水進行加熱沸騰,其原理是當(dāng)水在沸騰時,蒸氣隨著壓力迅速增加,使得氧氣在水上部空間所占比例迅速減少,水中的氧氣含量趨向于零,進而實現(xiàn)對鍋爐水的物理去氧。但如果溫度過低,則會起不到去氧的效果,溫度過高又會造成水汽流失,因此需要將溫度控制在合適的范圍,最好控制在當(dāng)前氣壓下沸點溫度的2-3 度。但是,該方法所起到的效果取決于設(shè)備的結(jié)構(gòu)與運行狀態(tài),如果設(shè)備不佳則會使得除氧效果無法達到預(yù)期。

      而化學(xué)方法則是通過化學(xué)藥劑除去水中所含有的氧氣。通常,聯(lián)氨藥劑是最為廣泛使用的化學(xué)除氧方法,然而其具有毒性,鍋爐產(chǎn)汽需要考慮到生產(chǎn)和生活的用途,因此使用諸如二甲基酮肟進行化學(xué)除氧。二甲基酮肟在常溫下是一種無色液體,不具有毒性,不會對環(huán)境造成污染,也因為其水溶性呈中性而不會對鍋爐水的酸堿性造成影響,且最后的反應(yīng)生成產(chǎn)物為氮氣和水,對熱力系統(tǒng)的運行不會造成有害影響,因此二甲基酮肟是鍋爐水化學(xué)除氧最為合適的藥劑。

      (二)監(jiān)控溫度變化

      由于溫度也是水冷壁腐蝕的一大重要因素,溫度的高低決定了腐蝕的速度,溫度越高則腐蝕越快,同時引發(fā)鍋爐運轉(zhuǎn)過熱的問題,為鍋爐系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)造成了一定的安全隱患。因此,溫度變化的控制在對水冷壁的腐蝕進行防治過程中顯得尤為關(guān)鍵。

      在鍋爐運行過程中,過熱器出口蒸汽溫度偏差控制在5℃以內(nèi),屏式過熱器出口蒸汽溫度偏差控制在10℃以內(nèi),且在運行過程中按照溫度高點對蒸汽溫度進行控制,避免爐膛發(fā)生過熱現(xiàn)象。由于在鍋爐運行時受熱面和蒸汽的溫度會不可避免地發(fā)生偏差,因此需要對停機溫度和熱啟動的過程進行控制,同時還要保證對氧氣和尾氣的控制,確保受熱面溫度與爐膛溫度達成一致。

      在鍋爐停機時,爐膛中的停風(fēng)需要在十分鐘內(nèi)停止運轉(zhuǎn),同時將包含引風(fēng)口、出風(fēng)口和送風(fēng)口在內(nèi)的通風(fēng)渠道關(guān)閉,防止受熱溫度的降低,確保悶爐的效率;而在停爐后,需要對包含屏式過熱器、高溫再熱器等爐內(nèi)多個元件的溫度進行控制,以有效控制降溫速度。

      而在鍋爐的熱啟動過程中,所有溫度控制必須在不同的溫度控制標準下進行,并且將蒸汽的溫度控制在合理范圍內(nèi)。熱啟動狀態(tài)下,需要注意金屬受熱面溫度的控制,同時還要保證通風(fēng)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的同步性,在初期啟動的狀態(tài)下要將爐內(nèi)通過量控制在35%,并在5 分鐘的通風(fēng)時間內(nèi)完成點火操作,確保溫度能夠以一個穩(wěn)定的速度保持上升,避免發(fā)生降溫現(xiàn)象。

      (三)停機維護保養(yǎng)

      如果要進行長時間的停機,則需先將鍋爐水進行完全排放,并將爐內(nèi)污垢進行清理,將純度大于99%的氮氣壓入鍋爐,將壓力控制在0.02-0.049MPa 的范圍內(nèi),防止摻入空氣。之后,在檢查氣體含量時,如果氧氣含量為0.2%左右時,則檢測合格。此外,在鍋爐煙道內(nèi)還應(yīng)放置干燥劑,以防煙道和受熱面因受潮而造成腐蝕。在停機保養(yǎng)期間,要對壓力變化進行實時監(jiān)控,并定期取樣分析,一旦壓力不足則需要進行及時補壓,確保鍋爐內(nèi)壓力的穩(wěn)定。

      (四)其他防治措施

      除了對水質(zhì)進行控制和溫度變化的監(jiān)控以及鍋爐的停機保養(yǎng)外,水冷壁腐蝕的防治還需要加強對燃煤的管理、科學(xué)組織燃燒、控制煤粉細度等方面的內(nèi)容,以保證鍋爐設(shè)施能夠安全穩(wěn)定的運行。

      為提高鍋爐設(shè)備的穩(wěn)定性,如果條件允許,可使用低硫煤,以在燃燒階段避免高溫腐蝕的發(fā)生,其折算后的含硫量不大于1%。同時,還要注意對各個鍋爐系統(tǒng)的設(shè)備檢修,以保證鍋爐設(shè)備運行的可靠性,避免設(shè)備狀況異常而導(dǎo)致鍋爐腐蝕的加劇,進而造成安全隱患。

      而煤的燃燒過程也要進行科學(xué)組織,將入爐風(fēng)量和風(fēng)速控制在合理的范圍。控制鍋爐燃燒運行的氧氣含量和入爐風(fēng)量,避免風(fēng)粉分離和局部還原性氣體含量較高等現(xiàn)象的發(fā)生。將一次風(fēng)的風(fēng)速降低,有諸如爐內(nèi)煤粉的穩(wěn)定燃燒,同時也能夠?qū)⒚悍蹥饬鲗λ浔诘母g進行緩解,但無法從根本上解決鍋爐的高溫腐蝕;而增加爐內(nèi)二次風(fēng)的風(fēng)速雖然有利于煤粉氣流的預(yù)混合,實現(xiàn)燃料的提前點火和穩(wěn)定燃燒,但會導(dǎo)致點火推遲,并降低煤粉的燃燒效率。因此,需要根據(jù)實際情況,對風(fēng)量進行控制。

      煤粉的制粉系統(tǒng)的選型由煤的種類決定,如果燃燒的是劣質(zhì)煤炭,則會增加制粉系統(tǒng)的工作負擔(dān),使得系統(tǒng)效率下降,煤粉顆粒也無法控制在合適的細度范圍。最為關(guān)鍵的一點,就是煤粉細度對于鍋爐的高溫腐蝕有著至關(guān)重要的影響,當(dāng)煤粉顆粒過粗則會對燃燒效率造成影響,未燃燒的煤粉聚集在水冷壁附近,從而加劇了高溫腐蝕。因此,需要根據(jù)鍋爐設(shè)備的實際狀況,將煤粉細度控制在合適的范圍內(nèi)。

      此外,如果有必要性的話,還可對鍋爐設(shè)備進行優(yōu)化改造,在設(shè)備角度上解決水冷壁的腐蝕問題,同時也是最為根本的解決方法。

      鍋爐爐膛內(nèi)的高溫區(qū)和水冷壁近壁區(qū)域氣流中含氧量較小,當(dāng)還原性物質(zhì)的含量較大時則會發(fā)生較為嚴重的高溫腐蝕現(xiàn)象。因此,通過對鍋爐設(shè)備的改造,以提高水冷壁附近區(qū)域中的氧含量,從而抑制還原性物質(zhì)的產(chǎn)生,能夠緩解甚至從根本上解決水冷壁的腐蝕問題。

      設(shè)備的改造主要針對燃燒器進行改造,通過對主燃燒區(qū)的空氣系數(shù)進行重新分布,以多噴口小流量的布置方式,實現(xiàn)精準控制鍋爐的燃燒過程,將燃料和空氣的分級進行有機結(jié)合,降低主燃燒區(qū)域的熱負荷,并能夠防止鍋爐結(jié)渣和抑制爐內(nèi)有害氣體的生成。

      主燃燒區(qū)域上部的燃盡風(fēng)和高位燃盡風(fēng)的合理布置,能夠?qū)崿F(xiàn)對燃燒過程的調(diào)節(jié)控制,在保證煤粉燃燒效率的同時還能大幅減少尾氣中有害氣體的排放。在改造的過程中,不可改變原主燃燒器框體的結(jié)構(gòu)形式和切圓,高位燃盡風(fēng)噴嘴應(yīng)采用四角布置,對圓鍋爐熱效不產(chǎn)生影響,保持原有熱工電橋電纜橋架走向,在改造之后燃燒系統(tǒng)能夠與其他鍋爐設(shè)備完全適配,并且做出的改動要盡可能少,投資盡可能要節(jié)省,施工盡量不要過于復(fù)雜,并在降低有害氣體排放的前提下,確保設(shè)備能夠安全且經(jīng)濟的運行,且爐內(nèi)還原性氣體含量能控制在合適的范圍內(nèi),實現(xiàn)對高溫腐蝕的可控性,確保鍋爐運行時的效率和穩(wěn)定性。

      在對鍋爐進行改造時,先將5 層一次風(fēng)噴口進行更換,以調(diào)整周圍風(fēng)率;再將一次風(fēng)噴口加裝鈍體,更換5 層一次封嘴噴體;一二次風(fēng)的布置要呈大小切圓的形式;將8層二次風(fēng)噴口進行更換,重新分配各層二次風(fēng)率,以便增加3 層燃盡風(fēng)的風(fēng)率;增加1層高位燃盡風(fēng),將風(fēng)道隔板進行調(diào)整,以適應(yīng)燃盡風(fēng)的風(fēng)率;最后,將四角噴口和水冷壁管屏全部更換為燃盡風(fēng)。

      鍋爐設(shè)備進行改造后,需要使用空氣動力場冷態(tài)煙花進行測試,以檢驗改造成果是否符合預(yù)期。在經(jīng)過改造后,提高了鍋爐對煤的適應(yīng)性,同時燃燒穩(wěn)定和防結(jié)渣能力也得到了提升,燃燒效率和輸出功率也得到了提升。

      三、結(jié)論

      為維護鍋爐設(shè)施的正常運行,同時也為了保障生產(chǎn)工作的安全,需要對鍋爐水冷壁的腐蝕的防治工作有著足夠的重視。在防治前,要對鍋爐水冷壁的腐蝕機理和腐蝕原因進行分析,并對鍋爐水質(zhì)進行嚴格控制,留意鍋爐的溫度變化,并注意停機時的維護保養(yǎng),同時還要注意燃煤管理、煤炭燃燒、煤粉細度等方面的問題,若有必要還可對鍋爐設(shè)施進行改造,進行設(shè)備優(yōu)化。

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