电站锅炉尾部受热面低温腐蚀理论分析及研究

电站锅炉尾部受热面低温腐蚀理论分析及研究

刘福生范艳霞

（中国华电科工集团有限公司（北京），100160）

【摘要】当锅炉尾部受热面(省煤器、空气预热器、烟气余热回收装置等)金属壁温低于烟气露点时，烟气中含有硫酸酐的水蒸气在壁面凝结所造成的腐蚀，由于尾部受热面区段的烟气和管壁温度较低，所以称为低温腐蚀。

当硫酸蒸汽在换热器受热面上凝结后，则会发生腐蚀现象，随着腐蚀的进一步发展，它与受热面上的积灰形成了酸性粘结灰，由于其具有较强的粘结性，一旦形成，比较难以通过吹灰吹掉。在换热器的腐蚀过程中，首先低温段覆盖了粘结灰的受热面变得粗糙，更有利于硫酸的凝结和腐蚀，随着腐蚀的加剧，将进一步向中温段蔓延，最终造成换热器堵灰腐蚀，而且大幅度降低其传热能力。

【关键词】电站锅炉；尾部受热面；低温腐蚀；理论分析

1.1低温腐蚀的机理

燃料中的硫燃烧生成二氧化硫（S+O2=SO2），二氧化硫进一步氧化生成三氧化硫（2SO2+O2=2SO3），当烟气温度降低到400℃以下时，SO3与烟气中的水蒸汽化合生成硫酸蒸汽（SO3+H2O=H2SO4）。硫酸蒸汽的存在使烟气的露点显著升高。由于烟气余热回收装置的凝结水温度较低，而此换热区段的烟气温度不高，当壁温常低于烟气露点时，硫酸蒸汽就会凝结在烟气余热回收装置受热面上，造成硫酸腐蚀。

1.2防止低温腐蚀的理论分析

关于露点低温腐蚀，通过学习和了解国内外在露点腐蚀研究领域的已有成果和最新进展，提出如下理论：

1.2.1金属壁温应高于酸露点温度，并留有适当的温度余量。

一般来说，只要保证低温受热面金属壁温高出烟气酸露点10℃左右，就能避免产生低温腐蚀，也能避免出现换热面粘性积灰。

1.2.2低温省煤器换热管壁温高于酸露点，关键是控制低温省煤器入口冷却水的温度。

在低温省煤器中，烟气侧的换热系数远远小于水侧的换热系数，因此在传递给定热量时水侧与管壁间仅需要较小的温差；而在传递相等热量条件下，烟气侧与管壁则需要较大的温差，所以传热金属壁温十分接近水侧温度。水侧温度高于烟气酸露点，基本可视为低温省煤器换热管壁温高于酸露点。

1.2.3“有限腐蚀速率”的防腐控制理论

受热面金属壁温高出烟气酸露点，就能避免产生低温腐蚀，这种热力防腐方法的优点是防腐效果较佳，缺点是要求进水温度比较高，换热器的平均换热温差将很小，导致换热面积非常大，设备很重，投资巨大,目前在烟气冷却器的设计中提出另一种理论——有限腐蚀速度的余热换热器系统。允许烟气冷却器换热面处在酸露点以下，通过传热管壁温的控制来保证换热面腐蚀处于腐蚀速率低的区域，金属的腐蚀速度≤0.2mm/a。

在锅炉受热面中，沿烟气流程壁温逐渐降低，当受热面壁温降到酸露点，硫酸开始凝结，引起腐蚀。开始时候由于酸浓度很高，处于85%～95%，凝结酸量不多，因此腐蚀速度较低。随壁温降低，凝结酸量增加，因而腐蚀速度增加，腐蚀速度达到最大值点后，对壁温进一步降低，酸浓度降低，达到60%～70%；腐蚀速度亦下降，在此浓度下达到腐蚀最轻点。之后，当金属壁温在继续下降，由于酸液浓度接近20%～40%，同时凝结量更多，因此腐蚀速度又上升。

因此在低温腐蚀的情况下，金属有两个严重腐蚀区，为防止锅炉受热面产生严重腐蚀，必须避开这两个严重腐蚀区，将烟气余热回收装置的防腐移向两个严重腐蚀区域中间的低腐蚀区域。

第一个腐蚀速率峰区在低于酸露点下的几十度，与烟气酸露点温度有关，酸露点越高这一温差越大，酸露点越低这一差距越小。例如，俄罗斯的煤质酸露点一般在150~160℃，其腐蚀速率高峰区在110~120℃之间，前苏联标准推荐换热器受热面冷端壁温控制在高于水蒸气露点25℃和105℃之间。又例如国内烟煤的酸露点若在115℃，其腐蚀速率高峰区在103℃，换热器受热面冷端壁温控制在高于水蒸气露点25℃和90℃之间。

国内燃料的参考准则：

（1）“没有腐蚀危险的下限温度”可按水露点温度+20℃~+25℃取用；

（2）“没有腐蚀危险的上限温度”对一般烟煤可按80℃~90℃取用。

也就是说，对一般烟煤，65℃~85℃是低腐蚀区域，控制低温省煤器进口的冷却水温为65℃，出口冷却水温为85℃，低温省煤器是相对安全的，不易发生腐蚀。

“有限腐蚀速率”的设计理念国内还没有成熟的业绩，因此现阶段不建议采用。

1.2.4“高尘”防腐控制理论

关于烟气温度低于酸露点是否引起腐蚀问题，有日本学者的调查结果显示，合适的入口粉尘浓度可以保证SO3凝聚在粉尘表面，不会发生设备腐蚀。

三菱重工的研究结果显示当粉尘浓度（mg/Nm3）与SO3浓度（mg/Nm3）之比（即灰硫比D/S）大于10时，腐蚀率几乎为0。

美国南方电力公司也通过灰硫比来评价腐蚀程度，当燃煤含硫量≤2.5%时，低温省煤器入口灰硫比要≥50可避免腐蚀，当采用含硫量更高的燃煤时，灰硫比应≥200。

将低温省煤器布置在除尘器前，一般来说，入口烟气灰硫比远大于100，因此一般不会引起腐蚀问题，但具体工程要根据灰硫比计算值来判定是否可能发生低温腐蚀。

1.2.5低低温省煤器出口烟气的温度推荐值

低低温除尘器由于工作在烟气高尘区不会产生低温腐蚀，但是下游的烟道、引风机、增压风机均存在腐蚀的风险。

由于低低温省煤器冷端壁温已经降到露点温度以下，烟气含尘浓度较高，总表面积很大，结露出的SO3液滴在高含尘的环境中会被粉尘吸附包裹，并在电场内荷电，酸性液滴也会与粉尘中的碱性物质部分中和，这些粉尘包裹的液滴最终被除尘器除掉。因此，经过除尘器后除去了大部分的SO3，烟气酸露点温度下降，减小了尾部烟气低温腐蚀。

灰硫比即烟气中的含尘浓度同SO3浓度的比值大于100时，烟气中的SO3去除率可达90%，烟气露点温度下降约25℃。借鉴国内外工程经验，高硫煤（Sar=2.01~3.0），烟气的初始露点不超过110℃的煤质，低低温省煤器出口烟气温度允许降低至90-95℃；对低硫煤（Sar≤1.00），烟气的初始露点不超过100℃的煤质，低低温省煤器出口烟气温度允许降低至80-85℃，此时烟气温度高于酸露点。

1.2.6选用耐腐蚀材料抗低温腐蚀理论

当低温省煤器的进水和出水温度都比较低，低温省煤器处于酸腐蚀的条件下长期工作时，为了避免低温省煤器换热管腐蚀或降低其腐蚀速率从而延长低温省煤器使用寿命，选用耐腐蚀材料是抗低温腐蚀的常用方法。抗腐蚀材料分为金属材料和非金属材料。

（1）非金属材料

玻璃管虽然防腐性能好，但易碎，不是理想材料。

搪瓷管是较理想的抗腐蚀材料，但搪瓷管难加工，只能做成光管的形式，难以翅片化。

氟塑料材质可有效解决烟气腐蚀问题，对烟气组分、壁温、酸露点无特殊要求，可以超低温运行，使用寿命长达15年。但材料依赖进口，价格昂贵，且换热效率低、面积较大，布置要求高。

（2）金属材料

西安交大在低温省煤器试验台上对不同金属材料进行了水温对露点腐蚀影响的模拟试验，试验结果表明：

各种材料所显示的规律基本相同，所试验的5种材料耐腐蚀能力为：316L＞ND＞Corten＞20G＞20#，316L、Corten、ND钢的耐腐蚀能力明显强于普通的20G及20#，除316L外其余四种材料的福适量都呈现出先降低后升高的趋势；Corten钢和ND钢在60℃时达到最小值，20G及20#钢在70℃时达到最小值；316L的腐蚀量随着入口水温的升高而降低，但变化率明显较小。

“选用耐腐蚀材料抗低温腐蚀”的设计理念国内还没有成熟的业绩，因此现阶段不建议采用。当在低温省煤器设计或运行中不可避免的存在低温腐蚀可能性时，推荐采用搪瓷管或氟塑料材质管材。