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        生物質鍋爐受熱面高溫腐蝕分析及對策

        2022-04-06 07:58:34王浩劉成威覃恩偉吳樹輝陳國星葉林
        熱噴涂技術 2022年4期
        關鍵詞:爐灰鍋爐管爐渣

        王浩,劉成威,覃恩偉,吳樹輝,陳國星,葉林

        (1.江蘇德力化纖有限公司,宿遷 223800;2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004;3.蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院,蘇州 215104)

        0 引言

        隨著煤、石油、天然氣等化石能源的不斷消耗,及其燃燒帶來的環(huán)境、氣候問題日漸突出,在我國綠色可持續(xù)及“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略下,能源的高效利用及尋找新的替代能源是目前解決能源、環(huán)境問題的關鍵。生物質能具有可再生、低污染以及可廣泛獲得等特點,引起了各個國家的廣泛關注。生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體,包含所有的動植物及微生物,生物質能是太陽能以化學能的形式儲存在生物質中的能量形式,是以生物質為載體的能量,它來源于綠色植物的光合作用,可轉化為常規(guī)的能源燃料,是一種可再生能源,一般來講,生物質能是指利用自然界的植物、糞便以及城鄉(xiāng)有機廢物轉化成的能源[1,2]。

        生物質能具備清潔、安全、廣泛存在等特點[3-6],開發(fā)使用生物質能,符合我國“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略,針對能源供應緊張問題,開發(fā)利用生物質能,有助于解決我國的能源問題以及實現(xiàn)能源的多元化。生物質能常見的轉化技術是直接燃燒,其燃料適應性好,只需對原料進行簡單的處理加工,就可進行焚燒處理。目前,最成熟、發(fā)展規(guī)模最大的生物質利用技術是生物質直燃發(fā)電/供汽[7],但隨之而來鍋爐受熱面的腐蝕阻礙了其進一步發(fā)展,生物質鍋爐受熱面高溫腐蝕主要有兩種:(1) 生物質中含有大量的堿金屬,燃燒過程中,堿金屬以氯化物的形式隨煙氣流動凝結于受熱面管壁上,與管壁表面的氧化膜反應,引發(fā)高溫腐蝕;(2) 煙氣中氣態(tài)的HCl、Cl2具有極強的穿透性,可穿透金屬表面的保護膜,與內部金屬直接發(fā)生反應,并且腐蝕速率隨溫度升高而加快[8]。因此,生物質鍋爐受熱面在運行期間遭受到嚴重高溫腐蝕,導致受熱面管腐蝕減薄[9],甚至發(fā)生爆管事故,影響鍋爐機組的正常穩(wěn)定運行。大部分生物質鍋爐采用秸稈類生物質為燃料,由于秸稈富含堿金屬和氯元素,在運行過程中導致鍋爐管嚴重減薄。本文通過對爐灰、爐渣及腐蝕產物進行檢測,分析生物質焚燒環(huán)境下鍋爐管受熱面的腐蝕原因,為后續(xù)鍋爐管防護方案奠定基礎。

        1.試驗材料及檢測方法

        1.1 試驗材料

        在生物質鍋爐停爐時,在爐內取出一些爐灰、爐渣進行成分分析。在受熱面檢修時,對嚴重腐蝕后不滿足使用要求的受熱面管進行換管處理,截取下來的管子通過線切割進行取樣,獲得符合試驗尺寸的樣品10 mm×10 mm。

        1.2 檢測方法

        對受熱面管上截取下來的試樣進行鑲嵌、打磨、拋光。采用Tscan VEGA TS 掃描電子顯微鏡以及配帶的能譜儀(EDS)對試樣截面形貌和成分進行檢測,同時,對爐灰及爐渣進行成分檢測分析。

        2 鍋爐管受熱面腐蝕分析

        2.1 爐灰及爐渣分析

        爐灰整體呈粉末狀,其中少量呈桿狀。對整體進行能譜分析,如圖1 所示,元素含量如表1所示,主要元素為C、Si、O,其中,Cl 含量為0.36 wt.%,S 元素低于檢查限;此外,含有少量堿金屬元素K、Na 等,以及其它金屬元素Ca、Fe、Al 等。在桿狀物中,O、Si含量顯著降低,但Cl增加至1.48 wt.%,檢測到S 含量為0.38 wt.%。

        表1 爐灰主要元素質量分數(shù)(wt.%)Table 1 The element weight percentage in ash (wt.%)

        圖1 爐灰形貌及EDS 分析:(a)宏觀形貌;(b)微觀形貌;(c)整體選區(qū)能量損失譜圖;(d)桿狀物選區(qū)A 能量損失譜圖Fig.1 The ash morphology and EDS analysis: (a) macro morphology; (b) micro topography;(c) corresponding EDS analysis of the whole area; (d) EDS analysis of rod-shaped particles in selected area A

        爐渣呈黑灰色、顆粒狀,大部分直徑在數(shù)毫米量級,部分大顆粒直徑超過10 mm,如圖2(a)所示,掃描電鏡及能譜分析如圖2(b)、圖2(c)所示,對不同尺寸的爐渣進行成分檢測分析,成分檢測結果如表2 所示。從爐渣元素分析結果來看,爐渣主要成分包含Al、Ca、Fe 等堿金屬以及Si、C、O 等元素,都是以氧化物的狀態(tài)存在,其中,大尺寸爐渣顆粒中C 含量較高,主要源于其未充分燃燒,并且,在爐渣中未檢測到Cl 元素存在,說明生物質在燃燒過程中,Cl 元素以氣態(tài)、熔融鹽或飛灰附著于管壁表面。

        表2 爐渣主要元素質量分數(shù)(wt.%)Table 2 The element weight percentage in slug (wt.%)

        圖2 爐渣形貌及EDS 分析:(a)宏觀形貌;(b)微觀形貌;(c)選區(qū)B 處的能量損失譜圖Fig.2 The slag morphology and EDS analysis:(a) macro morphology; (b) micro topography; (c) EDS analysis of the selected B area

        2.2 受熱面管腐蝕層分析

        從取樣管外觀可以看出,鍋爐管外表面包覆有大量腐蝕產物,存在明顯片狀剝落層,從受熱面管上取下少許腐蝕產物,并對取下的腐蝕產物進行成分元素分析。如圖3 所示為受熱面管表面腐蝕產物的宏觀形貌以及元素分析,成分檢測結果如表3 所示。從圖3、表3 中可以看出,腐蝕產物中含有大量氯、硫腐蝕性元素,氯元素含量高達1.27 wt.%,因此,在生物質鍋爐運行時,高溫氯腐蝕是導致鍋爐管腐蝕減薄的主要原因。

        表3 腐蝕產物主要元素分析(wt.%)Table 3 The element weight percentage of the corrosion products in tube surface (wt.%)

        圖3 腐蝕產物形貌及能譜分析:(a)宏觀形貌;(b)微觀形貌;(c)選區(qū)能量損失譜圖Fig.3 Morphology and EDS analysis of corrosion products: (a) macro morphology; (b) micro morphology;(c) EDS analysis of the selected area in (b)

        為進一步研究高溫氯腐蝕對鍋爐管受熱面腐蝕的影響,對腐蝕后的受熱面管進行截面觀察,分析鍋爐管腐蝕層橫截面特征以及成分分布的變化。腐蝕層橫截面低倍及高倍形貌如圖4 所示。從圖4 中可以看出,受熱面管表面存在腐蝕性開裂、脫落,主要原因是管壁的外壁側受到煙氣中腐蝕性元素的侵蝕,在管壁制造階段投入運行前都會在金屬表層自然形成一層氧化膜,該膜是由Fe3O4、Cr2O3組成的一層致密保護膜,具有抗腐蝕作用。然而,鍋爐運行中,煙氣中含有腐蝕性元素的飛灰沉積在氧化層表面,與氧化層發(fā)生浸潤性附著,經過氣相腐蝕、熔鹽腐蝕、局部形成的電化學腐蝕等一系列復雜、持續(xù)的物理化學腐蝕反應,導致Fe3O4、Cr2O3保護膜脫落金屬表面,并且溫度越高,受熱面的腐蝕速度越快[10,11]。所以,腐蝕層與基體存在明顯界面,腐蝕層內部存在大量的橫向和縱向裂紋,導致在沖刷作用下剝落而加速減薄。

        圖4 鍋爐管橫截面腐蝕層:(a)低倍;(b)高倍Fig.4 The cross-sectional morphology of the corrosion layer of boiler tube: (a) low magnification; (b) high magnification

        3 腐蝕機理分析

        鍋爐管受熱面表面腐蝕產物及與爐灰、爐渣的成分對比如表4 所示。從爐灰與爐渣成分分析看,主要腐蝕元素為Cl,其中S 含量較低,此外,Na、K 等堿金屬可形成相應氯化物或硫化物,在高溫下發(fā)生熔融鹽腐蝕。在鍋爐管高溫運行工況下,Cl 元素及堿金屬鹽將加速氧化過程,稱為活性氧化,使得氧化膜失去保護作用。在鍋爐管表面腐蝕物中檢測到高Cl 含量,這是活性氧化的佐證。

        表4 鍋爐管受熱面表面腐蝕產物元素及與爐灰、爐渣成分對比(wt.%)Table 4 The comparison of the element content in the surface, corroded scale of the boiler tubes with ash and slug (wt.%)

        從受熱面外觀狀況看,鍋爐管外層腐蝕物均勻、疏松、易刮落成粉末狀。結合上述對腐蝕產物的元素對比,初步分析,鍋爐管生物質焚燒工況可通過圖5(a)理解,即在高溫、O、Cl 及熔融鹽覆蓋下,同時存在飛灰或硬質顆粒沖刷作用。鍋爐管減薄過程可理解為,在高溫下表層形成氧化物膜,生物質燃料中高Cl 含量,高溫高氯腐蝕使得氧化膜變得疏松,并產生裂紋;高Si、Ca 含量,燃燒形成的爐灰或硬質顆粒高速沖刷疏松腐蝕產物。高氯/熔融鹽腐蝕耦合沖刷磨損,加速管壁減薄,最終形成如圖5(b)的多裂紋腐蝕產物形態(tài)。

        圖5 鍋爐管腐蝕工況示意圖:(a)鍋爐管腐蝕過程;(b)鍋爐管腐蝕狀態(tài)Fig.5 Schematic diagram of boiler tube corrosion condition: (a) boiler tube corrosion process; (b) corrosion state of boiler tube

        4 鍋爐管防腐蝕策略及案例

        溫度是影響腐蝕速率最重要的因素,解決腐蝕問題延長鍋爐管壽命的根本方法即降低鍋爐運行參數(shù)。然而,降低參數(shù)嚴重影響鍋爐熱效率,從而影響電廠效益。因此,鍋爐高參數(shù)運行調節(jié)下,基于延長鍋爐管使用壽命以獲得最佳經濟社會效益,則需要抗腐蝕性能更佳的合金鋼管來代替目前的鍋爐管道用鋼。如果將換熱鋼管整體換材,對電廠則是一項極大的投資。所以,通過犧牲涂層的表面防護是最優(yōu)的策略。通過現(xiàn)場實施的技術手段,對鍋爐管表面進行高抗蝕合金涂層防護,作為犧牲層,該涂層隔絕焚燒腐蝕介質保護鍋爐管本體,在服役過程中逐漸被腐蝕。通過周期性停爐監(jiān)控涂層厚度等腐蝕特征值,周期性噴涂新涂層,實現(xiàn)循環(huán)防護鍋爐管本體的效果。

        此外,還需要考慮如何選擇生物質焚燒環(huán)境下抗蝕合金涂層,從換熱效率角度,涂層只能選擇金屬合金。通常,陶瓷涂層熱導率低、熱膨脹稀釋與鍋爐管基體相差過大。從上述的分析結果來看,生物質焚燒環(huán)境下,鍋爐管減薄主要源于活性高溫氯腐蝕,并耦合飛灰高速沖刷作用。因此,涂層需具備抗高溫氯腐蝕和一定的硬度,兼顧抗蝕和耐磨性。金屬氯化物的蒸汽壓決定了其在氯環(huán)境下的抗蝕性??垢邷芈雀g,可以從金屬氯化物熱力學穩(wěn)定性及飽和蒸汽壓角度出發(fā),鎳和鉻的氯化物比Fe 的氯化物具有更低的揮發(fā)性,故可以減少Cl 循環(huán)中Cl 元素的循環(huán)量,一定程度上減緩了腐蝕。因此,針對該焚燒環(huán)境,涂層材料可以選擇NiCr 為主,輔助于易形成硬質相的金屬或非金屬元素。

        為解決生物質鍋爐受熱面的高溫腐蝕問題,采用耐腐蝕的合金絲材,對腐蝕鍋爐管材表面進行防腐噴涂處理。以電廠鍋爐現(xiàn)場防腐施工為例,鍋爐現(xiàn)場防腐噴涂的基本工序為:噴砂除銹—表面活化—電弧噴涂—封孔處理,其中,封孔處理可解決爐內腐蝕性氣體通過涂層內部孔隙腐蝕基材,導致涂層脫落失效的問題。如圖6(a)所示,噴涂前鍋爐受熱面附著有大量的腐蝕產物,通過表面清理、活化以及噴涂處理,鍋爐管表面涂層連續(xù)無裂紋、無起皮現(xiàn)象,如圖6(b)所示,噴涂完畢后,進行封孔處理,如圖6(c)所示,阻止腐蝕氣氛的擴散路徑,進一步確保涂層的抗腐蝕性能。電弧涂層在生物質實際焚燒環(huán)境下運行一年后,對鍋爐受熱面進行檢測,如圖7 所示,研究發(fā)現(xiàn)受熱面表面的涂層完好,涂層表面附著有熔融鹽及氧化物,說明涂層很好的隔絕了腐蝕性介質對受熱面管材的腐蝕,延長了鍋爐管的使用壽命。

        圖6 鍋爐受熱面防腐處理:(a)腐蝕形貌;(b)涂層形貌;(c)封孔處理Fig.6 Anti-corrosion treatment of boiler heating surface:(a) corrosion morphology; (b) Coating morphology; (c) Hole sealing treatment

        圖7 涂層運行一年后的形貌:(a)局部形貌;(b)爐墻整體形貌;(c)爐角整體形貌Fig.7 Morphology of the coating after one year of operation:(a) local morphology; (b) overall morphology of furnace wall; (c) overall morphology of furnace angle

        5 結論

        (1) 通過對生物質燃燒鍋爐飛灰、爐渣以及管壁表面腐蝕產物進行成分檢測,經分析發(fā)現(xiàn),爐灰及腐蝕產物含有大量的腐蝕性元素,其中爐灰中氯元素含量達1.48 wt.%,腐蝕產物中氯元素含量達1.27 wt.%,在爐渣中未檢測到氯元素,說明生物質在燃燒過程中,氯元素以氣態(tài)、熔融鹽或飛灰附著于管壁表面。因此,在生物質鍋爐運行時,鍋爐管腐蝕減薄的主要原因為高溫氯腐蝕。

        (2) 生物質鍋爐中的氯以及堿金屬等元素在高溫下與受熱面以氣相、固相以及液相形式發(fā)生一系列復雜的物理化學反應,腐蝕鍋爐受熱面管壁。在高溫腐蝕環(huán)境下,腐蝕性元素使得表層的氧化物膜變得疏松,并產生裂紋,在物料沖刷下,表層的氧化物膜脫落,導致管壁減薄,如此反復,在高氯/熔融鹽腐蝕耦合沖刷磨損,進一步加速管壁減薄。

        (3) 考慮到電廠的運行成本以及換熱效率,采用熱噴涂技術,制備耐腐蝕金屬涂層,有望解決鍋爐管受熱面的高溫腐蝕問題,經過一年的實際工況環(huán)境運行,耐腐蝕涂層完好,表面附著有熔融鹽及氧化物,說明了涂層有效隔絕了腐蝕性介質對受熱面管材的腐蝕,延長了鍋爐管的使用壽命。

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