论锅炉受热面高温腐蚀.docx
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论锅炉受热面高温腐蚀
论锅炉受热面高温腐蚀
论锅炉受热面的高温腐蚀
【摘要】主要介绍了电站锅炉受热面的高温腐蚀机理、危害、类型、影响高温腐蚀的因素，并提出了防止或减轻受热面高温腐蚀的措施。
【关键词】受热面高温腐蚀机理影响因素防止措施
目前在高参数、大容量火电机组中，锅炉受热面的高温腐蚀问题已很普遍且迫切需要解决。
因发生高温腐蚀导致受热面管件损坏严重而被迫停机的事故屡见不鲜。
受热面的高温腐蚀已经成为燃煤锅炉机组安全稳定运行的一大隐患。
在锅炉的设计及运行调整中如稍有不慎则高温腐蚀便很容易发生，腐蚀使得受热面承压部件的管壁变薄，严重时会使受热面管子在短时间内爆管，导致锅炉漏泄而被迫停机或事故跳机。
可见其迫害程度非常之大，在运行中必须避免受热面的高温腐蚀。
1高温腐蚀的形成机理
所谓高温腐蚀是指在煤粉锅炉高温火焰及高温烟气区，过热器和再热器管子及其悬挂件产生的外部腐蚀。
锅炉受热面的高温腐蚀是一个复杂的物理化学过程。
与其他有关煤的反应机理一样，由于煤自身的复杂性以及迄今对它的认识有限，这类机理都是粗糙的和带有推理性的，在结论的定量上也都具有相当宽的范围。
高温腐蚀多发生在燃烧器区域的水冷壁、高温过热器、高温再热器，亦即受热面管壁金属温度超越一定界限的部位。
从对高温腐蚀的现象及调查研究结果表明，这种腐蚀都是因壁面与积灰层间的一层液相物反应
而产生的。
污染后的受热面会受到灰渣和烟气的复杂的化学反应。
高温过热器与高温再热器多布置于烟温高于700-800?
的烟道内，管子的外表面积灰由内层、外层两部分组成，内层灰密实，与管子黏结牢固，不易清除;外层灰松散，容易清除。
低熔灰在炉膛内高温烟气区已成为气态，随着烟气流向烟道。
由于高温过热器及高温再热器区域的烟温较高，低熔灰若不接触温度较低的受热面则不会凝固，若接到温度较低的受热面就会凝固在受热面上，形成黏结灰层。
灰层形成后，表面温度随灰层厚度的增加而增加。
此后，一些中、高熔灰粒也被黏附在黏性灰层中。
这种积灰在高温烟气中的氧化硫气体的长期作用下，形成白色的硫酸盐密实灰层，这个过程称为烧结。
随着灰层厚度的增加，其外表面温度继续升高，低熔灰的黏结结束。
但是中熔灰和高熔灰在密实灰层表面还进行着动态沉积，形成松散而且多孔的外层灰。
内层灰的坚实程度随着时间的增长而增大，时间越长，灰层越坚实。
对于黏结灰层固形物进行化学分析和x衍射分析，结果都表明其主要构成是碱-三硫酸铁的络合物。
它在538-704?
温度范围内呈熔融状态。
从关于碱-三硫酸铁络合物与铁的反应特性资料可知，在与碱-三硫酸铁络合物紧密黏结的奥氏体钢或铁素体钢之间都会产生对铁的腐蚀反应。
与铁素体钢的这种反应，其速度是随着温度的升高而增大的;奥氏体钢的腐蚀速度与温度关系则成半铃形。
从实验室的腐蚀失重试验结果也表明在相当于炉内条件下，合成硫酸盐具有相同的铃形腐蚀速度曲线，也表明这个硫酸盐络合物是受热面
高温腐蚀的根本原因。
由此可以得出产生高温腐蚀的机理是:
因煤灰的选择性沉积，使碱与氧化铁在积灰层中的浓度远比在煤灰中高。
碱-三硫酸铁是这些选择性沉积物中与烟气中的so3反应生成的。
碱与氧化铁在沉积之初很可能是粉末状的物料，随着温度的升高而呈熔融或半熔融状态。
碱在管壁表面的聚积也可能是出于外层熔融物料的迁移。
图示也表明了，积灰层中钾、钠含量比的重要性。
钠络合物在图示的温度范围内都是干的;而钾络合物从625?
开始就产生黏结;1:
1钾络合物在约550?
时就开始呈熔融状态，非但开始呈熔融状态的温度低，其温度范围也宽（如图1）。
煤灰在受热面上的沉积并致腐蚀的大致步骤如下:
（1）煤灰中的黄铁矿及煤中的有机硫与氧反应生成so2及so3;
（2）煤灰中高岭土、页岩中的na和k，在燃烧过程中生成na2o及k2o;
（3）积灰层中na2o及k2o与烟气中的so3反应生成na2so4或k2so4;
（4）而后在积灰层中，硫酸盐、氧化铁与so3反应生成硫酸盐络合物:
3（k2或na2）so4+fe2o3+so3?
2（k2或na2）fe（so4）3
2高温腐蚀的类型
高温腐蚀主要分为硫酸盐型和硫化物型两种，前者多发生于过热器和再热器，后者多发生于炉膛水冷壁。
2.1硫酸盐型高温腐蚀
在锅炉运行中，过热器和再热器沾污层中含有熔点较低的硫酸盐，将产生熔融形硫酸盐腐蚀。
正常管壁中的铁与氧反应会生成一层很薄的氧化铁（f2o3），该氧化铁对管壁具有很好的保护作用。
但是，在产生硫酸盐型高温腐蚀时，就会破坏这层稳定的氧化铁保护层，管壁会因腐蚀而变薄。
当锅炉燃煤中含有碱金属氧化物na2o、k2o（合用m2o表示）时，在高温下就挥发成气态，气态的碱金属氧化物碰到温度较低的管壁时，就凝结在管壁表面，并与烟气中的so3反应生成碱金属硫酸盐m2so4，即
m2o+so3?
m2so4
该碱金属硫酸盐的熔点很低，当它们以液态附着在管壁上时，会捕捉烟气中的飞灰颗粒而形成一层积灰。
积灰中的氧化铁起着催化剂的作用，将so2进一步氧化成so3，使管壁附近的so3浓度达到较高的水平。
在此条件下，碱金属硫酸盐m2so4与fe2o3和so3反应形成复合硫酸盐m3fe（so4）3，其反应方程式为:
3m2so4+fe2o3+3so3?
2m3fe（so4）3
由于复合硫酸盐的熔点也很低，在550-710?
的范围内为液态而流走，这就破坏了管壁的氧化铁保护膜，使管子遭到腐蚀，其中在650-700?
范围内的腐蚀最为严重。
由于硫酸盐型高温腐蚀发生在550-710?
的温度范围内，所以该腐蚀大多发生在过热器和再热器的出口管段及其悬吊管件上。
2.2硫化物型高温腐蚀
硫化物型高温腐蚀主要发生在火焰冲刷水冷壁的情况下。
当煤中含有黄铁矿（即fes2），火焰直接冲刷水冷壁时，部分未燃尽的煤粉颗粒会黏结在水冷壁上，硫化铁由于受热而分解出游离状态的原子硫和硫化亚铁，即
fes2?
fes+[s]
在还原性气体中，游离态的原子硫可单独存在，当管壁温度达到350?
以上时，游离态的原子硫与铁反应生成硫化亚铁，使管壁受到腐蚀，即
fe+[s]?
fes
在炉膛内的还原气氛中，h2s气体可加快硫化物型高温腐蚀，并直接腐蚀金属管壁，其化学反应为:
feo+h2s?
fes+h2o
由以上分析可见，燃煤中含有较多的fes2，火焰直接冲刷水冷壁和管壁附近为还原性气氛是产生硫化物型高温腐蚀的条件。
3高温腐蚀的影响因素
3.1煤质
煤种是造成高温腐蚀的主要原因之一。
对于国内大容量机组的调查表明，发生较严重高温腐蚀的锅炉，绝大部分为燃用贫煤的锅炉，而燃用烟煤的锅炉几乎未发生高温腐蚀。
说明煤质与高温腐蚀的关系极大。
同烟煤相比，贫煤挥发分地，着火和燃烧困难，燃尽度差，表现在对高温腐蚀的影响上则是煤粉火焰延长，大量煤粉颗粒只是在到达水冷壁附近才开始燃烧和燃尽，未燃尽的碳进一步燃烧时又
形成缺氧区，因而在那里形成还原性气氛和较高的h2s浓度，使得高温腐蚀加剧。
此外煤中含硫量的高低对高温腐蚀也有显著的影响。
另外，煤粉细度对于高温腐蚀也有影响。
煤粉颗粒太粗将导致火焰拖长，影响煤粉燃尽，使大量煤粉颗粒集中在水冷壁表面附近，冲刷并腐蚀水冷壁。
较差的煤种，灰分大，热值降低，锅炉燃煤量增加，磨煤机出力显得不足，往往不得不增大煤粉细度以满足制粉出力的要求，也会使得燃烧推迟及刷墙现象，从而造成高温腐蚀。
煤粉细度对炉内贴壁气氛影响的一个实测结果如图2所示。
3.2机组的高参数、大容量带来的影响
（1）单只燃烧器的功率增大。
随着锅炉容量的增大，锅炉单只燃烧器喷嘴的功率也逐步增大，使得一方面炉内局部区域的燃烧强度增加，另一方面也使得煤粉气流直接冲刷水冷壁的可能性增大。
这种情况下如果炉内燃烧工况调整不好，极易发生受热面的高温腐蚀。
（2）高的金属壁温.亚临界锅炉饱和水温约为360?
，水冷壁的外壁温度可达400?
或更高。
壁温越高，高温腐蚀将越严重。
有资料表明，在相同的h2s浓度下，当管子壁温低于300?
时，腐蚀速度很慢或不发生腐蚀。
而壁温在400-500?
范围内，则壁面温度的影响呈指数关系。
壁温每升高50?
，腐蚀速度增加一倍。
因此在高参数锅炉上容易发生水冷壁的高温腐蚀。
（3）高的壁面热负荷。
锅炉运行中，受热面管子壁温与水冷壁热负荷有关。
在相同的工质饱和温度下，水冷壁热负荷越大，壁温越高，腐蚀越快。
升高后的管
壁温度，又会促进fes与o2的反应生成fe3o4。
进一步加剧腐蚀程度。
3.3炉内燃烧系统中风粉分离
调查研究表明，对于四角切圆燃烧的锅炉内的燃烧系统中普遍存在一、二次风分离的现象，是导致高温腐蚀的空气动力因素。
此种燃烧系统普遍采用集速射流的着火方式，一、二次风间隔布置，平行射入炉膛。
理想的着火过程应是一次风喷出后不久即被动量较大的二次风所卷吸，着火后的煤粉气流被卷入二次风射流中燃烧。
由于一次风气流中混入动量较大的二次风中，使得火焰射流刚性增强，不易受干扰，从而在整个燃烧器区域内形成一个燃料与空气的强烈混合以稳定燃烧射流。
但炉内的实际燃烧过程并非如此理想。
为了保证稳定燃烧，一次风风速往往都控制的较低，而二次风风速较高，造成一、二次风的射流刚性相差较大。
一、二次风射流喷出燃烧器后，由于受到上游邻角气流的挤压作用及左右两侧不同补气条件的影响，使得气流向背火侧偏转，此时刚性较弱的一次风气流将比二次风偏离更大的角度，从而使得一、二次风分离。
由于比分一次风射流偏离了二次风，煤粉在缺氧状态下燃烧，在射流下游水冷壁附近形成局部还原气氛，这是引发高温腐蚀的一个重要原因，另外气流的偏转，使得部分射流直接冲刷水冷壁也为高温腐蚀创造了条件。
3.4受热面管子内部结垢
试验表明，当水冷壁管的内部水垢增加到u=150g/m2时，管壁温
度将升高40-50?
。
炉管内部结垢与水质和燃烧调整有密切关系，管子的热流密度不均匀，会使热流密度较大的管子结垢较严重。
结垢导致壁温升高，腐蚀加快。
3.5燃烧切圆直径与贴壁风速
高温腐蚀严重的锅炉，燃烧配风系统中，强风环直径都明显偏大。
贴壁风速与强风环最大风速之比均在0.8以上，有的锅炉最大风速处距水冷壁仅1-2m，热态时，由于气体膨胀还会更贴近水冷壁。
这就造成锅炉的燃烧强烈区域出于水冷壁附近，而炉膛中心相对是弱燃烧区域。
煤粉近壁燃烧使得水冷壁表面温度升高，水冷壁附近缺氧。
另一方面，高的贴壁风速势必加强煤粉颗粒对水冷壁管表面的冲刷磨损，使腐蚀产物不断脱落，暴露出新表面而加快腐蚀速度。
3.6炉膛内氧量及温度场波动
锅炉正常运行中，若操作不当，导致炉内氧量及温度波动过于剧烈，使水冷壁附近氧化气氛和还原气氛交替出现，导致壁面处于氧化气氛和还原气氛的交替作用下，氧化层变成海绵状，给腐蚀介质提供大量的反应表面，为腐蚀创造了条件。
4防止或减轻高温腐蚀的措施
（1）控制炉膛出口烟温及管壁温度。
因两种腐蚀形式均在较高温度下产生，且温度越高，腐蚀越快，降低壁温可防止或减轻腐蚀。
可采用控制蒸汽参数及调整燃烧来控制炉温。
降低火焰温度，一方面可以减少对高温积灰和腐蚀影响最大的na、k气态物质的生成;另一方面，炉膛温度及炉膛出口温度降低时，受热面壁温也随之降
低，这些气态物质在到达受热面之前已经固化，不具有黏性，从而减少气态物质的沉积量，并可降低积灰的烧结强度及烧结速度。
（2）采用侧边风燃烧技术。
向炉内通入一定数量的二次风，以改变水冷壁高温腐蚀区域的还原性气氛，增加局部含氧量，降低烟气中的h2s浓度。
侧边风根据其布置方式可分为贴壁型和射流型两种。
贴壁型侧边风一般是在高温腐蚀区域水冷壁的鳍片上开孔，开孔的数量一举腐蚀面积的大小而定。
二次风由小孔进入炉膛后，受炉内烟气贴壁运动的影响很快偏转附于水冷壁上，在高温腐蚀区域的水冷壁上形成一层空气保护膜。
贴壁型二次风的优点是结构简单，不必改动水冷壁。
射流型侧边风是在高温腐蚀区域上游位置安装侧边风喷口，喷口的高度入射角度和刚性对燃烧及高温腐蚀均有影响。
当入射角度较小、射流刚性较大时，会与上游高温烟气相遇产生强烈的混合扰动，使烟气中的还原性气体成分氧化，同时有助于煤粉颗粒的迅速燃烧。
随后由于燃气运动的影响，侧边风与烟气混合气体在下游偏向水冷壁，但此时已呈弱氧化性或中性状态，不会形成高温腐蚀。
当入射角度较大、射流刚性较弱时，侧边风刚一射出即发生偏转，在其下游区域形成一层覆盖水冷壁表面的空气幕，这种作用方式与贴壁型侧边风相似。
对于前后墙对冲的旋流燃烧器，侧边风可加在侧墙煤粉冲刷较厉害的某一区域，使得贴壁附近气流中的co和h2s浓度降低。
（3）合理配风及强化炉内气流混合扰动。
为减轻高温腐蚀，合理
配风的原则是:
1）保持较低的炉膛过量空气系数。
2）避免炉壁附近出现过多的局部还原性气氛。
3）尽可能使煤粉颗粒的激烈燃烧在喷口出口、炉膛中心附近进行，因为在这些区域，强烈燃烧所伴随的强的还原性气氛并不与水冷壁直接接触，因而不会形成腐蚀;但若激烈燃烧区域转移到水冷壁附近，高温腐蚀就会较快发生，为此，燃烧调整时可采取如下措施:
1）合理调整一次风速。
对于直流燃烧器，适当增加一次风速有利于防止气流偏转;但对于旋流燃烧器若一次风风速过大，会导致燃烧推迟，并在中间处激烈燃烧、碰撞，导致气流在两侧墙处产生较大的回流，使火焰刷墙，并产生高温，形成了高温腐蚀的条件。
如果受到一次风率的限制难以降低一次风度，则可以经改造减小一次风喷口的截面面积来降低一次风速。
2）直流式燃烧器适当开燃料风挡板，使一次风粉被高速的周界风包围起来，增加其刚性，避免大的偏转。
3）适当减小燃烧切圆直径，使强烈燃烧区域移至炉膛中心。
调整燃烧使炉内火焰均匀地充满炉膛，避免火焰长期固定地偏向一边。
4）合理分配、控制各燃烧器负荷，以控制燃烧器区域的壁面热流密度和单只喷嘴的热功率，降低炉膛内局部火焰最高温度。
由图可见，腐蚀最快的区域是在火焰温度最高的燃烧器区域，因此局部火焰的尖峰温度控制的不要过高。
5）定期检查和试验，保证各风门挡板的调节位置可靠、正确，如有缺陷及时处理。
否则会使配风工况紊乱，炉内燃烧难以控制，导致风粉气流刷墙等现象发生（如图3）。
（4）一次风反切。
对于切圆燃烧的锅炉，使部分一次风气流反切
（即与主气流反向旋转）也可以减缓高温腐蚀问题。
反切喷嘴的层数视腐蚀区域的高度而定，在确定反切角度时，必须兼顾燃烧稳定的要求，若煤粉的着火性能较差，则一、二次风间的夹角不可过大，层数不可过多，以减小对旋转切圆的影响。
（5）采用低氧燃烧技术。
降低炉内过量空气系数，使得燃烧中生成的自由氧原子数量较少，烟气中的三氧化硫浓度降低，减少发生高温腐蚀的几率。
试验证明，当过量空气系数小于1.05时，烟气中的硫化物含量显著降低，且烟温越高，降低效果越显著。
（6）降低煤粉细度。
在汽温和制粉出力等条件允许的情况下，适当降低煤粉细度，可以减轻火焰冲墙和壁面附近的燃烧强度。
试验表明，当煤粉细度r90=8.5%-13.5%时，尤其当燃烧器给粉不均匀或供风工况破坏时，水冷壁的高温腐蚀将加快。
（7）调整好燃烧避免水冷壁局部管壁温度过高现象发生。
过高的管壁温度是引起水冷壁结渣和高温腐蚀的重要原因。
燃烧器区域是炉内烟气温度最高的区域，火焰中心偏斜会造成水冷壁局部热负荷过高而产生结渣和腐蚀。
另外，如果水冷壁管子内工质流量不均，引起部分管子内结垢，使得传热恶化，也会引起管壁超温造成腐蚀。
（8）采用烟气再循环。
采用烟气再循环，可以降低炉膛内火焰温度和烟气中三氧化硫的含量，从而避免或减轻高温腐蚀。
（9）设计时受热面管子采用顺流布置并加大管间节距。
高温对流受热面，尤其是处于高温烟气区的末级过热器和再热器，采用顺流布置并加大横向节距，能有效地防止积灰搭桥，减少积灰和腐蚀。
（10）定期对受热面进行吹灰，清除含有碱金属氧化物和复合硫酸盐的灰污层，防止高温腐蚀发生。
（11）采用抗腐蚀材料，提高受热面管子的抗腐蚀能力。
5结语
锅炉受热面的高温腐蚀问题，随着锅炉容量的逐步增大及锅炉形式、燃烧方式的多样化，其腐蚀类型及情况也出现多种情形。
但无论哪种情形都极大地威胁了锅炉的安全稳定运行，本文只是对典型的腐蚀类型及预防措施做了简要的阐述，希望对于预防锅炉高温腐蚀的技术措施方面可提供一定的参考。
参考文献:
[1]袁镇福，田子平.《电站锅炉原理》.
[2]《锅炉设备及其系统》.中国华东电力集团公司科学技术委员会编著.
[3]王军，樊泉桂.《火电厂锅炉设备及其运行》.
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