火电厂高温烟气腐蚀机理及腐蚀控制措施探讨

火电厂高温烟气腐蚀机理及腐蚀控制措施探讨

李京伟 崔永华 孙利娟

华能沁北发电有限责任公司 河南济源 459000

【摘要】火电厂把可燃材料用作发电的燃料。当加热时，热水产生水蒸气，由燃料中的化学能转变成热能。涡轮在蒸汽压力下转动，把热能转化成机械能。水轮机带动发电机转动，最终把机械能转变成电能。因此火电厂高温烟气腐蚀是常见问题。不少火电厂均有不同程度的高温烟气腐蚀问题，这对火电厂的安全生产有一定的影响。因此，对火电厂高温烟气腐蚀机理及腐蚀控制措施探讨进行研究。

关键词：火电厂；高温烟气腐蚀；控制措施

0.引言

火电厂水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤器管是高温烟气腐蚀最容易发生的部位，四个部位的可靠性直接关系到火电厂能否安全运行。为此，有必要对这四个部位腐蚀的成因及其影响因素进行深入分析，针对各种原因，从不同方面探讨了缓解和预防高温烟气腐蚀的具体措施。本文论述了火电厂高温烟气腐蚀的机理和控制方法。在阐述高温烟气腐蚀机理的基础上，针对火电厂高温烟气的腐蚀类型和腐蚀机理，提出了相应的腐蚀控制措施，对于进一步提高火电厂现场的腐蚀控制管理具有现实意义。

1.锅炉烟气侧腐蚀环境

燃烧环境中的气体温度、气体组分、煤灰组成及煤粉颗粒的运动等因素都与燃煤锅炉烟气侧的高温腐蚀有关，其中煤灰(Fe₂O₃,Na₂SO₄,K₂SO₄,CaSO₄,SiO₂和Al₂O₃等)和烟气(H₂S,SO₂,SO₃,CO_x和NO_x等)是最主要的影响因素。由于燃煤锅炉水冷壁温度较低，在使用环境中含有大量的活性硫原子，以及H₂S等还原气体，会对水冷壁管造成严重腐蚀。低熔点复合硫酸盐随受热面温度的升高而形成并附着在炉管的外壁，复合硫酸盐的腐蚀主要受硫酸盐的影响。结果表明，煤灰中的碳离子明显加速了腐蚀过程，其腐蚀机理有待进一步研究。同时锅炉尾部温度较低，烟气中SO₃与水蒸气反应生成硫酸，硫酸冷凝在省煤器外壁腐蚀管壁。

2.火电厂高温烟气腐蚀机理

2.1硫化物腐蚀

赵红等^[1]认为硫化物腐蚀主要是由煤中的FeS₂高温分解产生的活性S。活化的硫沿晶界扩散，并与基体通过氧化层反应产生FeS。FeS同时被氧化(3FeS+2O₂→Fe₃O₄+3S)，释放出S继续扩散渗入，再一次形成硫化物。

由于硫化物腐蚀，合金所处温度较低且服役气氛以还原性气氛为主。炉内主受热面水冷壁温度较低，在使用环境中含有大量游离硫原子和H₂S气体。氮气燃烧技术加快了还原性气体的产生。所以，硫化物腐蚀主要发生在水冷却壁表面。

2.2硫酸腐蚀

硫酸盐腐蚀主要发生在锅炉受热面(过热器/再热器)高温部位。碱性金属氧化物(M₂O)在高温下吸收烟气中的SO₃，形成了低熔点熔融的复合硫酸盐(M₂SO₄)。M₂SO₄在合金表面的氧化层中溶解，加速了腐蚀过程和氧化层的开裂剥落。可能的腐蚀反应如下：

M₂O+SO₃→M₂SO₄(1)

3M₂SO₄+Fe₂O₃+3SO₃→2M₃Fe(SO₄)₃(2)

3M₂SO₄+Cr₂O₃+3SO₃→2M₃Cr(SO₄)₃(3)

2.3氯化盐腐蚀

关于氯化盐腐蚀机理，目前还没有统一的认识，部分认为，类似于硫酸盐腐蚀，氯化物熔盐可直接与氧化膜发生溶解腐蚀。也有认为，氯化物高温分解是由氧化生成的Cl₂主导腐蚀反应，而Cl₂在基体合金中通过氧化膜扩散进行腐蚀。本文则更倾向于氯化，认为大多数氯化物的熔点和蒸气压力都很低，因此极易挥发，并指出生成的挥发性产物FeCl₂在不同气氛下对腐蚀层的影响是不同的，当气氛中O₂浓度较高时，FeCl₂在挥发过程中氧化形成疏松多孔的Fe₃O₄氧化层，从而降低了活性气态腐蚀介质向基体界面转移的阻力；当O₂浓度较低时，FeCl₂通过氧化膜挥发形成疏松、多孔的Fe₃O₄氧化层，从而加速腐蚀过程。

2.4露点腐蚀

炉底温度低，以硫酸盐露点腐蚀为主。露点腐蚀存在如下过程：

(1)烟气中的SO₃与水蒸气反应产生H₂SO₄+SO₃+H₂O→H₂SO₄(4)

(2)H₂SO₄蒸汽的凝结与金属在管壁上反应：

H₂SO₄+Fe→FeSO₄+H₂(5)

生成FeSO4具有吸湿性，可以吸收烟气中的水蒸气而形成FeSO₄·H₂O，并且在煤灰的冲刷作用下极易剥落。当烟气温度达到152℃时，H₂SO₄可以直接与金属表面氧化物发生腐蚀反应。

Fe₂O₃+3H₂SO₄→3H₂O+Fe₂(SO₄)₃(6)

除了上述主要的腐蚀类型外，还存在飞灰吹损、高温钒腐蚀、火焰冲刷、焦化反应等多种腐蚀类型，其腐蚀机理也不同。因此，在判断受热面特定部位的腐蚀类型和腐蚀机理时，需要更多地考虑各种腐蚀行为的相互作用。

3.高温烟气腐蚀控制措施

根据前述火电厂高温烟气的腐蚀类型及腐蚀机理介绍，提出如下腐蚀控制措施。

3.1改善燃烧区的还原气氛

适当配置炉气，加强炉气混合，减少空气预热器等设备漏风；在靠近水冷壁的地方使用氧化气氛，提高燃烧区氧含量，避免局部还原性气氛，减少高温腐蚀。

3.2侧风技术的利用

增大侧风量可以改变冷却壁高温腐蚀区的还原气氛，在一定范围内增加氧含量。将喷嘴安装在高温腐蚀区水冷壁上，增加进入炉内的气流。侧风技术对于防止高温水冷壁腐蚀效果显著。二次风级可以大大降低锅炉燃烧过程中氮氧化物的生成，对锅炉燃烧过程没有影响。

3.3煤粉细度的调整与控制

调节燃烧器，防止火焰直接撞击炉壁，加强煤粉气流的调节，使每个燃烧器的煤粉流量均等，保证气流中煤粉浓度在炉出口上均匀分布.燃烧器：在磨煤机的出口处加动分离，可控制煤粉细度，降低腐蚀概率，减少腐蚀磨损。

3.4避免出现受热面超温

因为长期低负荷运行会造成过热器管内工质流量过小，流速过低，严重影响管内外热交换，导致管壁温度升高。炉内温度下降过快，造成管道短期超温。因此，应尽量避免长时间低负荷运行，控制炉内最高温度和热流密度，特别是靠近燃烧器火焰中心的地方，避免局部加热温度过高，降低高温表面腐蚀。

3.5改善受热面状况

热镀锌管，如水冷壁、过热器等受热面，喷涂耐腐蚀材料，表面补焊，或采用有良好耐蚀性的铁素体合金钢管或复合钢管。金属管表面状况提高了金属材料的耐蚀性。

3.6采用低氧燃烧技术

通过低氧燃烧，供给锅炉燃烧室空气量减少，燃料中硫在炉膛中与氧接触产生的二氧化硫转化为三氧化硫的转化率降低，二氧化硫呈气体状态，它随着烟气脱硫排入大气，由干三氧化硫的浓度低，发生高温腐蚀的机会就会减少。同时，降低了空气流量，使燃烧后烟气体积减小，排烟温度降低，锅炉效率提高。

3.7超音速喷涂的防护措施

超音速喷涂的防护措施主要是采用超声波喷涂技术，使熔融粒子在炉内飞散。它主要利用颗粒本身的强度、耐磨、硬度、均匀性等优点。比传统的电弧喷涂和火焰喷涂的防腐蚀效果好，孔隙率低，能够满足火电厂的正常使用要求。保证微粒表面温度在120℃以下，保证微粒不变形，保证了微粒表面质量，是采取超音速喷涂防护措施的最基本条件。采用超声喷涂防锈工艺，采用KM型抗磨专用密封剂，加强了水冷壁的防护。其硬度极高，可与微粒技术结合使用，使其在常温下迅速转变为坚硬的陶瓷材料，并具有较强的耐蚀性和吸附性。总体稳定性能够满足电站锅炉水冷壁高温腐蚀要求，提高了锅炉涂层的耐蚀性，在使用过程中具有较强的耐磨性。

3.8加强燃料控制

当前，人们已了解到燃油质量不佳是导致水冷壁腐蚀的一个重要因素，若燃料质量不达标，含有大量硫化物，将对水冷壁的使用构成很大威胁。所以火电厂今后一定要加强对燃料的控制，减少带硬腐蚀物质的产生。第一，降低燃料中的硫含量，可采用微波法、强磁选法、机械悬浮选煤法等，对原煤进行清洗，保证不含硫物质，目前较为常见的方法是采用微波法、磁选法、机械悬浮选煤法等，以保证不含硫物质存在。第二，要控制粉煤颗粒的大小，包括粗细度与军量的比值，可以调整粗粉分离器挡板开度，磨煤机等来控制，减少硬物料。

4.结束语

综上所述，受热面不同部位的腐蚀主要类型不同，腐蚀行为受多种腐蚀因素交互作用；本文对此进行了相应的分析，并且根据火电厂高温烟气的腐蚀类型及腐蚀机理介绍，提出相应的腐蚀控制措施，为火电厂安全稳定运行创造条件。

参考文献

[1]赵虹,魏勇.燃煤锅炉水冷壁烟侧高温腐蚀的机理及影响因素[J].动力工程,2002,22(2):1700

[2]宋玉田,王东衍,朱兰芳.热水锅炉水管烟侧的腐蚀探讨[J].工业锅炉,2001,6:48

[3]齐慧滨,郭英倬,何东业等.燃煤火电厂锅炉“四管”的高温腐蚀[J].腐蚀科学与防护技术,2002,14(2):13

[4]赵海鹏.火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀及防护[J].科技风,2020,(16):190,193.

[5]巴英达拉.火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀及防护[J].中国机械,2020,(14):120-121.