锅炉尾部受热面低温腐蚀分析及预防.doc

锅炉尾部受热面低温露点腐蚀分析及预防
徐州天能姚庄煤矸石热电有限公司 孙乐场
[摘要] 借徐州天能姚庄热电公司锅炉尾部受热面腐蚀一事，分析了烟气中SO3的形成和硫酸蒸汽的凝结是工业锅炉运行时低温段受热面管道腐蚀发生的根本原因。介绍了低温受热面管道的腐蚀过程 ，并对降低腐蚀提出了可行的预防措施
[关键词] 省煤器 空预器 腐蚀 露点 措施
0引言
响应节能减排、资源综合利用号召，徐州天能姚庄热电公司3台SHF20-2.45/400-SⅡ型燃煤锅炉技改为SHS20-2.45/400-QJ型燃焦炉煤气锅炉。运行一年后，3台炉空预器、省煤器出现不同程度的损坏。经检查分析省煤器、空气预热器的损坏，低温露点腐蚀是主要原因，在受热面的温度低于烟气的露点时，烟气中的水蒸气和硫燃烧后生成的三氧化硫结合成的硫酸会凝结在受热面上，严重地腐蚀受热面。
1低温腐蚀机理
1.1三氧化硫及硫酸的生成
焦炉煤气中含有硫，硫与空气中的氧气作用生成SO2，在炉膛内SO2继续被氧化，生成SO3，SO3与水蒸气结合生成硫酸蒸气的概率很大，硫酸蒸气将在温度比较低的空气预热器上凝结。硫酸浓度为零时，纯水沸点为45.45℃，随浓度增高，沸点也随之升高。烟气中只要含有少量硫酸蒸气，就会使露点大大超过纯水的露点；当硫酸蒸气的浓度为10%时，露点可达190℃左右。尽管烟气中硫酸蒸气的浓度很低，凝结下来的液体中的硫酸浓度却可以很高。因此，必须严格控制烟气中SO3含量，即控制燃料中的硫含量。
1.2　三氧化硫的生成及转化率的确定
　　烟气中三氧化硫生成的机理极其复杂。一般以为一部分是在工艺生产过程中产生的，一部分是在尾部烟道中产生的。
　　在工艺生产过程中，主要是原子氧的作用而生成三氧化硫，而原子氧主要是在燃烧反应中形成的。如：
CO＋O2→CO2＋O
H＋O2→OH＋O
这些原子氧很活泼，容易将二氧化硫转化成三氧化硫。另外，氧分子、二氧化碳等氧化物在炉子高温辐射下，其中一部分也会分解原子氧而使二氧化硫转化成三氧化硫。
　　当压力一定时，二氧化硫转化成三氧化硫的平衡曲线如图1所示。从该图可以看出低温时对转化成三氧化硫有利。在850℃以上的高温下，三氧化硫几乎不产生。在温度相同时，压力升高会增加向三氧化硫方面的转化。　　

图1　SO2、SO3平衡状态
1.3硫酸蒸汽的酸露点温度的计算
　　烟气中不但有三氧化硫，而且有水蒸汽，它们相互作用而生成硫酸蒸汽。如果管壁温度低于某一数值，硫酸蒸汽就会在管壁上凝结并产生腐蚀。这一数值就称为硫酸蒸汽的酸露点温度。硫酸蒸汽的酸露点温度主要取决于烟气中三氧化硫和水蒸汽的含量，一般可按下述方法确定。
　　烟气中硫酸的质量浓度按下式计算：
C=98×VSO3/(80×VSO3＋18×VH2O) (1)
VSO3＝K×VSO2 (2)
式中：VSO3—烟气中SO3的容积份额，%；
VH2O—烟气中H2O的容积份额，%；
VSO2—烟气中SO2的容积份额，%；
K—烟气中SO2转化为SO3的转化率，%；
C—烟气中硫酸的质量浓度，%。
烟气中水蒸汽和三氧化硫分压之和按下式计算：
PH2O＋SO3＝（B－P／13.6)(VSO3＋VH2O）／100 (3)
式中：B—锅炉安装处大气压力，Pa；
P—锅炉入口处烟气负压，Pa；
PH2O＋SO3—烟气中水蒸汽和三氧化硫分压之和，Pa。
　　根据C及PH2O＋SO3之值可从图2查出酸露点温度。

图2　在汽相中硫酸浓度和露点之间的关系
1.4腐蚀速率和低温腐蚀规律
影响金属腐蚀速度主要有凝结的酸量、酸露的浓度和金属壁温三个因素。当壁温较高，稍低于露点时，壁面凝结的酸量很少，腐蚀速度很慢。随着壁温降低，凝结酸量增加，腐蚀速度显著增加。通常最大腐蚀点的壁温比露点约低20～45℃。当壁温进一步降低时，凝结的酸量已足够，此时腐蚀速度与酸浓度几乎无关，而仅仅取决于壁温。随着壁温的降低，酸露中酸浓度也随之降低。虽然酸露中酸浓度的降低使腐蚀速度增加，但壁温对腐蚀速度的影响大于酸浓度对腐蚀速度的影响，因此腐蚀速度下降。下降至一定程度后，由于浓度的影响超过了壁温的影响，随着壁温的降低，腐蚀速度又加快。
2影响低温腐蚀的因素
上面的分析可看出，低温腐蚀的根本原因是烟气中含有SO3。据低温露点腐蚀机理，影响SO3生成的因素主要有：燃料中的硫含量、过剩空气系数、金属管壁温度、燃烧工况及水蒸气含量等。
2.1燃料中的硫含量
燃料中含硫越多，生成的SO3也越多，露点就越高，当燃料的硫含量为1%时，SO3浓度已超过腐蚀危险浓度的下限，与此相应，露点则提高到130℃左右。当硫含量为0.2%～0.5%时，露点温度接近水蒸气的凝结温度，增大了换热器表面积灰及硫酸生成的概率。
2.2尾气中的氧含量
过剩氧的存在是使SO2氧化成SO3的基本条件。空气过剩系数越大，过剩氧越多，SO3也越多。随着空气过剩系数的降低，烟气中的SO3浓度显著减少，接近或小于腐蚀危险浓度，同时露点也随之降低。当空气过剩系数小于1.1(含氧量小于2%)时，露点急剧下降。
2.3换热器金属壁温
换热器金属壁温逐步降低会使水蒸气大量凝结，加快腐蚀。
2.4燃烧工况
燃烧越剧烈，火焰中心温度越高，则火焰中原子氧的浓度就越大，所形成的SO3也越多。同时，SO3浓度还和火焰末端的温度有关。火焰末端的温度越低，烟气中SO3的浓度就越高。如果火焰中心温度较高，而火焰温度也很高，即使在火焰中心形成了较多的SO3，其中很大一部分在炉膛内又将分解掉，不至于对低温露点腐蚀造成很大影响。所以，从防止低温露点腐蚀角度来看，是不希望火焰中心温度过高的，特别是不希望火焰拖得很长，延伸到炉膛出口，以致火焰末端的温度很低。这时，在火焰中心形成的SO3将较多的保存下来，使低温腐蚀加剧。
2.5其他因素
尾气中水蒸气含量也对SO3及硫酸的生成具有很大的影响。水蒸气的分压力越大，表示烟气中的水蒸气量越多。在同样温度和SO3含量的条件下，水蒸气压力越大，所形成的硫酸蒸气越多。
3预防措施
3.1低氧燃烧
氧是促进SO2转化为SO3的一个主要因素，只有严格控制烟气中的含氧量，才能阻止SO3的生成，即降低空气过剩系数。
3.2提高排烟温度
虽然将过高的烟温排掉，可降低锅炉的热效率，但为保证空气预热器不发生腐蚀，必须将烟温提高到硫酸蒸气的露点以上。
3.3严格控制燃料指标,煤气脱硫
降低燃料含硫量，从根本上解决就是加装炉前脱硫装置，除去煤气中的硫，减少SO2、SO3生成。
3.4使用添加剂
所使用的添加剂首先必须能够中和、吸附SO3，从而减少SO3，降低露点和腐蚀速度。其次，必须能够降低燃料的粘度，且能够消除不燃烧的杂质在各受热面上的积灰。
3.5提高受热面的壁温使它超过露点
3.5.1热风再循环
利用预热器出口风道与送风机入口之间的压差进行热风再循环，也可利用再循环风机。前一种方法维护简单投资少，但运行不经济，因为这时送风机额外增加的耗电量通常大于再循环风机的耗电量。
3.5.2采用暖风器
暖风器是一种热交换器，一般由翅片铝制成。采用暖风器可提高预热器入口风温，从而提高空气预热器的壁温。
6低温段空气预热器采用耐腐蚀材料
通过各种试验和实践证明，搪瓷管空气预热器对防止低温腐蚀和积灰是有效的。采用搪瓷管预热器可使排烟温度降低，锅炉效率提高。
7在锅炉水冷壁低部设未燃带
设未燃带，减小水冷壁吸热量，相应提高排烟温度，躲过烟气露点。
8省煤器进水改烟气高温段（小容量锅炉适合）
通过省煤器进水从烟气高温段入从低温段出进汽包，从而提高末级省煤器壁温。
4结束语
解决锅炉尾部受热面低温腐蚀问题，首先需控制燃料含硫量，此为根本问题，是内因。从运行调整角度考虑，采用低氧燃烧控制方式，合理控制烟气含氧量，维持排烟温度不低于烟气漏点温度。同时利用停炉机会对锅炉炉墙、炉门、尾部烟道彻底密封，减少漏风量。
[作者简介]
孙乐场（1976—），男，工程师，注册安全工程师，南京工程学院热能动力工程本科毕业。现工作于徐州天能姚庄煤矸石热电有限公司，从事生产管理。