張基標(biāo), 郝 衛(wèi), 趙之軍, 胡興勝, 殷國(guó)強(qiáng)

(1.浙江浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司,舟山316135;2.神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司,北京100069;3.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海200240)

鍋爐煙氣的低溫腐蝕是一個(gè)長(zhǎng)期存在亟待解決的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外許多專家做了大量的技術(shù)研究和理論分析,因各自研究的側(cè)重點(diǎn)不同,所以得出的結(jié)論差別很大.

例如目前我國(guó)鍋爐行業(yè)應(yīng)用比較廣泛的一個(gè)煙氣酸露點(diǎn)溫度計(jì)算公式就是前蘇聯(lián)1973年版鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中的公式,但這個(gè)公式在我國(guó)出版的許多教科書、論文和設(shè)計(jì)規(guī)范中有3個(gè)版本.賈明生等[1]認(rèn)為有些文獻(xiàn)在應(yīng)用此公式時(shí)出現(xiàn)了書寫錯(cuò)誤,所以特別予以說(shuō)明并列出正確公式:

式中:t1d為煙氣酸露點(diǎn)溫度,℃;w(S)為煤種折算硫含量,%;αfh為飛灰份額,%;w(A)為煤種折算灰含量,%;tsld為煙氣水露點(diǎn)溫度,℃.

蔣安眾等[2]認(rèn)為文獻(xiàn)[1]以及其他一些文獻(xiàn)列出的酸露點(diǎn)溫度公式(式(1))是錯(cuò)誤的,給出了另一個(gè)計(jì)算公式:

同時(shí)還針對(duì)某鍋爐廠設(shè)計(jì)的300 MW CFB鍋爐的設(shè)計(jì)煤種、校核煤種1、校核煤種2,用式(2)進(jìn)行計(jì)算得到煙氣的酸露點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果是:109.4℃,94.9℃,114℃;用式(1)進(jìn)行計(jì)算得到煙氣的酸露點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果是:124.8℃,123.3℃,114.8℃.認(rèn)為式(1)雖然算法不對(duì),結(jié)果卻是偏于安全.

嚴(yán)宏強(qiáng)等[3]認(rèn)為煙氣露點(diǎn)溫度是衡量低溫腐蝕的重要依據(jù),列舉出了目前鍋爐行業(yè)常用的蘇聯(lián)《鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(1973年版)計(jì)算方法:

式(3)漏掉了水露點(diǎn)溫度tsld應(yīng)該是筆誤,但在分母項(xiàng)的表達(dá)中,飛灰份額與1.05是指數(shù)關(guān)系,折算灰份與1.05是乘積關(guān)系,這與式(1)、式(2)都不同.其實(shí)上述3個(gè)公式都來(lái)源于蘇聯(lián)《鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(1973年版),但各人理解不同,就出現(xiàn)了結(jié)果相差懸殊的3種表達(dá)方式.

李鈞等[4]在列舉計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果的同時(shí),給出了實(shí)測(cè)結(jié)果,見表1.

從上述列舉的計(jì)算公式和煙氣酸露點(diǎn)溫度計(jì)算或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)可見,大家對(duì)煙氣露點(diǎn)溫度的計(jì)算非常重視,但計(jì)算結(jié)果相差比較大.

眾所周知,目前國(guó)內(nèi)外燃煤電站鍋爐的設(shè)計(jì)排煙溫度一般為120～140℃,實(shí)際運(yùn)行的排煙溫度一般為120～150℃.上海某電廠2臺(tái)1 000 MW 機(jī)組排煙溫度的實(shí)際運(yùn)行值2年多來(lái)一直維持在85～98℃,這些鍋爐宏觀上都沒(méi)有發(fā)生電廠不能接受的煙氣低溫腐蝕現(xiàn)象.

表1 實(shí)測(cè)煙氣酸露點(diǎn)溫度Tab.1 Actual measurements of flue gas dew point℃

隨著低碳經(jīng)濟(jì)要求的不斷提高和煤價(jià)不斷攀升,全社會(huì)都著重于進(jìn)一步降低鍋爐排煙溫度的研究上,并且從運(yùn)行實(shí)踐看,將鍋爐排煙溫度降低到80～98℃的確切實(shí)可行,只要設(shè)計(jì)正確,運(yùn)行得當(dāng),不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?zé)煔獾蜏馗g現(xiàn)象.

但是,從上述煙氣露點(diǎn)溫度的計(jì)算結(jié)果看,將鍋爐運(yùn)行排煙溫度降低到80～98℃卻是低于這些煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算數(shù)值,理論上是要發(fā)生嚴(yán)重低溫腐蝕的.所以上述煙氣露點(diǎn)溫度的計(jì)算公式紛爭(zhēng)其實(shí)影響到了工程實(shí)踐,沒(méi)有起到理論指導(dǎo)實(shí)踐的作用,反過(guò)來(lái)阻礙著將鍋爐排煙溫度有效降低到80～98℃的工程實(shí)踐,同時(shí)這些計(jì)算結(jié)果比表1所列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一般高出20 K以上.

筆者試圖從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā),論述煙氣低溫腐蝕的實(shí)質(zhì)和現(xiàn)狀,討論煙氣酸露點(diǎn)溫度的理論計(jì)算,從理論上提出控制煙氣低溫腐蝕的措施,以利于目前越來(lái)越多的鍋爐煙氣余熱回收利用,供將鍋爐排煙溫度降低到80～98℃的工程實(shí)踐參考.

1 煙氣低溫腐蝕的機(jī)理

煙氣低溫腐蝕是指鍋爐低溫?zé)煔庵械乃魵?、硫酸蒸氣凝結(jié)到鍋爐低溫受熱面上,與傳熱管金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng),造成傳熱管壁厚腐蝕減薄失效損壞.

當(dāng)水蒸氣凝結(jié)到傳熱管金屬壁面上時(shí),將會(huì)生成大量的氧化鐵(腐蝕產(chǎn)物);當(dāng)硫酸蒸氣凝結(jié)到傳熱管金屬壁面上時(shí),將會(huì)生成大量淺黃色的腐蝕產(chǎn)物FeSO4?H2O.這就是鍋爐煙氣的低溫腐蝕現(xiàn)象.

2 煙氣低溫腐蝕模擬試驗(yàn)

為了微觀分析鍋爐煙氣的低溫腐蝕情況,上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院于2006年曾委托中科院金屬研究所進(jìn)行了為期60天的鍋爐煙氣低溫腐蝕模擬試驗(yàn),試驗(yàn)選用5種金屬管材:316L、304、ND鋼、考頓鋼和20鋼(分別記作A 、B、C、D 和E),采用60℃、65℃和70℃3個(gè)溫度等級(jí)進(jìn)行.

試驗(yàn)結(jié)束后,排氣管幾乎被淺黃色腐蝕產(chǎn)物(FeSO4?H2O)所填滿,換熱器殼體內(nèi)底層除靠近進(jìn)氣側(cè)附近外也有大量的這種腐蝕產(chǎn)物.排氣管用石棉保溫,實(shí)際管壁溫度不到40℃,運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了硫酸(露點(diǎn))腐蝕.因此,在試驗(yàn)條件下,低于40℃運(yùn)行時(shí)腐蝕非?？?

5種金屬管顯微形貌和相應(yīng)的能譜分析結(jié)果,結(jié)合XRD分析結(jié)果,可認(rèn)定形成的腐蝕產(chǎn)物是硫酸亞鐵.對(duì)比分析了掛片腐蝕的增重和去除腐蝕產(chǎn)物后的失重?cái)?shù)據(jù).比較三個(gè)溫度的數(shù)據(jù),可認(rèn)為60℃腐蝕最嚴(yán)重,70℃最輕,65℃時(shí)居中.比較5種材料70℃腐蝕質(zhì)量遞減數(shù)據(jù),材料A、B和C的腐蝕速率高于材料D和E.將腐蝕速率換算成年腐蝕率,可得年腐蝕量在0.11～0.25 mm之間.

3 鍋爐部件煙氣低溫腐蝕現(xiàn)狀

鍋爐煙氣的低溫腐蝕發(fā)生在鍋爐低溫受熱面上,鍋爐的低溫受熱面目前有2類:第一類是空氣預(yù)熱器(分管式空氣預(yù)熱器和回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器),用煙氣加熱空氣,一般煙氣出口溫度為130℃左右;第二類是煙氣余熱回收裝置(也叫做煙氣冷卻器或煙水換熱器,GWD),煙氣加熱水,一般煙氣出口溫度為85～100℃.

3.1 鍋爐空氣預(yù)熱器的低溫腐蝕現(xiàn)狀

以前,鍋爐煙氣的低溫腐蝕一般發(fā)生在空氣預(yù)熱器上.20世紀(jì)70年代,我國(guó)鍋爐運(yùn)行中幾乎普遍發(fā)生了嚴(yán)重的低溫腐蝕現(xiàn)象,空氣預(yù)熱器冷端腐蝕損壞、堵灰等嚴(yán)重影響到鍋爐設(shè)備的安全運(yùn)行.經(jīng)廣大科技人員的攻關(guān),基本確認(rèn)為是冬季和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)鍋爐空氣預(yù)熱器冷端壁溫低于煙氣酸露點(diǎn)溫度,造成煙氣中酸性介質(zhì)在空氣預(yù)熱器冷端金屬壁面上結(jié)露,發(fā)生煙氣低溫腐蝕.最后提出了加裝暖風(fēng)器、采用熱風(fēng)再循環(huán)等措施,控制冬季或者低負(fù)荷工況時(shí)的鍋爐空氣預(yù)熱器冷端壁溫使之高于煙氣酸露點(diǎn)溫度,防止結(jié)露,基本解決了煙氣低溫腐蝕問(wèn)題.

目前一般煙煤鍋爐的排煙溫度在130℃左右,空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度20℃左右,由此推算出空氣預(yù)熱器冷端壁溫在75℃左右.從電廠運(yùn)行實(shí)踐看,只要鍋爐空氣預(yù)熱器冷端壁溫高于75℃,就不會(huì)發(fā)生煙氣低溫腐蝕.趙之軍等[5]列舉了江蘇利港發(fā)電廠2臺(tái)600 MW機(jī)組鍋爐空氣預(yù)熱器的運(yùn)行數(shù)據(jù):360 MW負(fù)荷工況,鍋爐排煙溫度116℃,左側(cè)暖風(fēng)器出風(fēng)溫度32℃,右側(cè)暖風(fēng)器出風(fēng)溫度36℃,鍋爐空氣預(yù)熱器的實(shí)際運(yùn)行冷端最低壁溫75℃,機(jī)組運(yùn)行4年多來(lái),沒(méi)有發(fā)生煙氣低溫腐蝕現(xiàn)象.

由此可見,一般煙煤的煙氣酸露點(diǎn)溫度低于75℃.這與文獻(xiàn)[3]列舉的實(shí)測(cè)煙氣酸露點(diǎn)溫度數(shù)值(見表1)比較吻合.

3.2 GWD的低溫腐蝕現(xiàn)狀

近年來(lái)隨著節(jié)能降耗技術(shù)的發(fā)展,鍋爐GWD應(yīng)用逐漸增多.我國(guó)某發(fā)電廠2臺(tái)1 000 MW 機(jī)組[6]于2009年3月投運(yùn)鍋爐GWD,煙氣出口溫度93℃,水進(jìn)口溫度81℃,傳熱管冷端最低金屬壁溫82℃左右,運(yùn)行將近2年來(lái),沒(méi)有發(fā)生宏觀煙氣低溫腐蝕現(xiàn)象,傳熱管壁厚基本沒(méi)有減薄.

為了準(zhǔn)確評(píng)估煙氣低溫腐蝕情況,截取2段運(yùn)行于最低壁溫區(qū)段的傳熱管試樣委托有關(guān)單位進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室微觀分析評(píng)估,評(píng)估結(jié)論如下:從兩段鋼管橫截面附著層能譜分析結(jié)果可以看出,附著物主要由氧化鐵組成,但兩種材料的附著物中均含有一定量的硫.由于現(xiàn)代冶金技術(shù)的提高,鋼中原有的含硫量是較低的(按照GB 3087—2008:硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.035%).能譜分析結(jié)果,附著物中含硫量顯著高于標(biāo)準(zhǔn)要求,可以肯定,鋼管表面已受到硫的腐蝕.

鋼管表面已經(jīng)受到硫的腐蝕,但宏觀沒(méi)有發(fā)現(xiàn)煙氣低溫腐蝕現(xiàn)象,說(shuō)明硫酸蒸氣結(jié)露不會(huì)對(duì)傳熱管造成破壞性的低溫腐蝕現(xiàn)象.

從上述鍋爐空氣預(yù)熱器和鍋爐GWD的運(yùn)行情況分析,目前鍋爐低溫受熱面實(shí)際運(yùn)行壁溫75℃左右,沒(méi)有發(fā)生煙氣低溫腐蝕現(xiàn)象,一般煙煤的煙氣酸露點(diǎn)溫度低于75℃.

4 煙氣露點(diǎn)溫度的定義和計(jì)算公式

4.1 煙氣露點(diǎn)溫度的定義

煙氣中含有大量的水蒸氣(體積分?jǐn)?shù)約為8%)、硫酸蒸氣和SO2氣體等.

煙氣中的水蒸氣按照其含量不同,具有對(duì)應(yīng)的飽和溫度。當(dāng)傳熱管壁溫等于煙氣中的水蒸氣飽和溫度時(shí),煙氣中的水蒸氣凝結(jié)到傳熱管壁面上形成結(jié)露,這個(gè)溫度定義為水露點(diǎn)溫度.這里,煙氣的水露點(diǎn)溫度不是指煙氣溫度,而是指?jìng)鳠峁鼙诿鏈囟?一旦水蒸氣凝結(jié),對(duì)傳熱管造成的腐蝕是非?？焖?、非常嚴(yán)重的,模擬試驗(yàn)證明了這一點(diǎn),所以在燃煤鍋爐受熱面上絕對(duì)不允許出現(xiàn)水結(jié)露現(xiàn)象.

煙氣中的硫酸蒸氣由于受水蒸氣影響,其結(jié)露溫度不能簡(jiǎn)單地按硫酸蒸氣含量或者SO3氣體含量以化學(xué)方式確定,但關(guān)于煙氣酸露點(diǎn)溫度的計(jì)算公式卻是很多,一般計(jì)算結(jié)果均高于100℃.低溫?zé)煔饬鹘?jīng)受熱面,當(dāng)傳熱管壁溫等于煙氣中的硫酸蒸氣露點(diǎn)溫度時(shí),煙氣中的硫酸蒸氣凝結(jié)到傳熱管壁面上形成酸結(jié)露,這個(gè)溫度定義為酸露點(diǎn)溫度.這里,煙氣的酸露點(diǎn)溫度不只是指煙氣溫度,也是指?jìng)鳠峁鼙诿鏈囟?但是硫酸蒸氣凝結(jié)到傳熱管壁面上并不一定造成嚴(yán)重的低溫腐蝕現(xiàn)象,因?yàn)闈饬蛩崛芤菏遣粫?huì)腐蝕金屬的,只有稀硫酸才會(huì)造成嚴(yán)重的低溫腐蝕,所以在鍋爐受熱面上若只有濃硫酸結(jié)露并不可怕.

從上述分析可知,鍋爐受熱面壁溫低于煙氣的水露點(diǎn)溫度是絕對(duì)不允許的,而鍋爐受熱面壁溫低于煙氣酸露點(diǎn)溫度是可以接受的.安全運(yùn)行要求的鍋爐低溫受熱面壁溫應(yīng)該是一個(gè)介于煙氣水露點(diǎn)溫度和酸露點(diǎn)溫度之間的溫度,就稱作煙氣露點(diǎn)溫度.

同樣,煙氣結(jié)露取決于鍋爐低溫受熱面金屬壁溫.當(dāng)鍋爐低溫受熱面金屬壁溫等于或者低于煙氣露點(diǎn)溫度時(shí),會(huì)在傳熱管金屬壁面上形成煙氣結(jié)露,造成不能接受的嚴(yán)重的低溫腐蝕.

4.2 煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算公式

從我國(guó)目前鍋爐低溫受熱面實(shí)際運(yùn)行低溫腐蝕現(xiàn)狀分析,一般煙煤鍋爐煙氣的露點(diǎn)溫度低于75℃,但根據(jù)現(xiàn)有各種文獻(xiàn)列舉的計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果基本都高于90℃,一般達(dá)到100℃左右,顯然不符合實(shí)際情況.

經(jīng)過(guò)多年的研究,并總結(jié)了鍋爐暖風(fēng)器及鍋爐GWD的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),匯總得出了煙氣露點(diǎn)溫度 tld經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:Ah為管壁積灰系數(shù),除塵器前取值3,除塵器后取值1.

在任何工況下,尤其是冬季工況和低負(fù)荷工況,鍋爐低溫受熱面?zhèn)鳠峁茏畹徒饘俦跍馗哂谑?4)計(jì)算得到的煙氣露點(diǎn)溫度,宏觀上就不會(huì)發(fā)生煙氣低溫腐蝕現(xiàn)象,能保證鍋爐低溫受熱面安全可靠運(yùn)行.

5 控制煙氣低溫腐蝕的措施

鍋爐低溫受熱面的煙氣腐蝕由煙氣中的硫酸蒸氣和水蒸氣在傳熱管金屬壁面上形成結(jié)露而引起,此時(shí)存在2個(gè)溫度:煙氣溫度和傳熱管壁溫.雖然煙氣溫度可能高出煙氣露點(diǎn)溫度很多,但如果傳熱管壁溫低于或者等于煙氣露點(diǎn)溫度,照樣形成結(jié)露,引起低溫腐蝕.所以,控制煙氣結(jié)露或者說(shuō)控制煙氣低溫腐蝕,就是要控制傳熱管金屬壁溫高于煙氣露點(diǎn)溫度,而不是控制煙氣溫度高于或者等于煙氣露點(diǎn)溫度.

對(duì)于鍋爐空氣預(yù)熱器,傳熱模式是煙氣加熱空氣,由于煙氣和空氣沖刷傳熱面的對(duì)流傳熱系數(shù)在數(shù)量級(jí)上是相等的,所以傳熱面壁溫簡(jiǎn)單地用冷端煙氣溫度和空氣溫度的平均值計(jì)算得到,例如:煙氣溫度130℃,空氣溫度20℃,傳熱面壁溫近似等于75℃.對(duì)于鍋爐GWD,傳熱模式是煙氣加熱水,由于水在傳熱管內(nèi)沖刷內(nèi)壁的對(duì)流傳熱系數(shù)比煙氣在傳熱管外沖刷外壁時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)大2個(gè)數(shù)量級(jí),所以傳熱面壁溫簡(jiǎn)單地用冷端水溫計(jì)算已經(jīng)足夠準(zhǔn)確,例如:煙氣溫度90℃,水溫度80℃,傳熱管金屬壁溫近似等于80℃.如果水溫度30℃,即使煙氣溫度200℃,傳熱管金屬壁溫仍然不會(huì)超過(guò)40℃,照樣發(fā)生嚴(yán)重的煙氣結(jié)露、受熱面低溫腐蝕現(xiàn)象.

從這2類鍋爐低溫受熱面金屬壁溫?cái)?shù)值分析可見,鍋爐低溫受熱面的金屬壁溫與煙氣溫度關(guān)系不是太大,簡(jiǎn)單地講“為了防止煙氣低溫腐蝕,鍋爐煙氣溫度不能低于某某數(shù)值”是不科學(xué)的.控制鍋爐煙氣低溫腐蝕的理論措施就是控制鍋爐低溫受熱面金屬壁溫高于煙氣露點(diǎn)溫度,尤其是冬季工況和機(jī)組低負(fù)荷工況,低溫受熱面金屬壁溫會(huì)顯著下降,此時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面必須采取技術(shù)措施保證受熱面金屬壁溫高于煙氣露點(diǎn)溫度,不發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象,才能不發(fā)生低溫腐蝕現(xiàn)象.

對(duì)于鍋爐空氣預(yù)熱器,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以采用暖風(fēng)器,在冬季工況由暖風(fēng)器將鍋爐進(jìn)風(fēng)溫度提高到20℃;在機(jī)組低負(fù)荷工況,由暖風(fēng)器將鍋爐進(jìn)風(fēng)溫度提高到適當(dāng)溫度,某些進(jìn)口機(jī)組的設(shè)計(jì)就要求機(jī)組啟動(dòng)期間由暖風(fēng)器將進(jìn)風(fēng)加熱到70℃.

基于以上理論,對(duì)于鍋爐煙氣余熱回收裝置,上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院投入研發(fā)并獲得了專利技術(shù),此項(xiàng)技術(shù)可以自動(dòng)控制加熱器冷端進(jìn)水溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度,防止煙氣結(jié)露,確保在宏觀上不發(fā)生煙氣低溫腐蝕現(xiàn)象.

6 結(jié) 論

(1)從國(guó)內(nèi)外實(shí)際運(yùn)行的鍋爐低溫受熱面低溫腐蝕現(xiàn)狀分析,一般煙煤(含硫量小于1%)的鍋爐煙氣露點(diǎn)溫度不高于75℃.采用式(4)計(jì)算得到的煙氣露點(diǎn)溫度經(jīng)多個(gè)工程實(shí)踐驗(yàn)證,能比較準(zhǔn)確地判斷煙氣結(jié)露和低溫腐蝕情況。

(2)控制鍋爐煙氣低溫腐蝕,就是要控制鍋爐低溫受熱面金屬壁溫在任何工況下(尤其是冬季和低負(fù)荷工況)都高于式(4)計(jì)算得到的煙氣露點(diǎn)溫度,而不是控制煙氣溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度.

(3)工程實(shí)踐證明:只要能保證鍋爐低溫受熱面金屬壁溫高于煙氣露點(diǎn)溫度,煙氣溫度降低到80～98℃是完全可行的,理論和實(shí)踐上都為火電行業(yè)有效回收鍋爐煙氣余熱、節(jié)煤節(jié)水減排提高經(jīng)濟(jì)效益提供了技術(shù)保障.

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