鍋爐防磨防爆中鍋爐高溫腐蝕的原因分析

    電廠鍋爐防磨防爆問題中鍋爐的高溫腐蝕主要發(fā)生在燃用高硫煤的鍋爐水冷壁管和過熱器管束上。鍋爐運行時在煙溫大于700℃的區(qū)域內(nèi),在高溫高壓條件下受熱面與含有高硫的腐蝕性燃料和高溫?zé)煔饨佑|，極易發(fā)生高溫腐蝕。高壓鍋爐水冷壁管的硫腐蝕主要是由于煤粉中的黃鐵礦(FeS2)燃燒受熱,分解出自由的硫原子,產(chǎn)生腐蝕。通常高壓鍋爐水冷壁管向火側(cè)的正面腐蝕最快,減薄得最多,若發(fā)生爆管都在管子的正面爆開,管子的側(cè)面減薄得較少,而管子背火側(cè)幾乎不減薄,這種腐蝕給鍋爐水冷壁管造成很大威脅,嚴(yán)重時,往往幾個月就得更換部分管段,給鍋爐的安全經(jīng)濟運行帶來很大危害。而鍋爐過熱器管的高溫腐蝕主要是由于液態(tài)的灰黏結(jié)在過熱器管壁上而引起腐蝕。

　　1．鍋爐防磨防爆中鍋爐高溫腐蝕的主要原因

　　1.1 燃燒不良和火焰沖刷

　　持續(xù)燃燒不良和脈動火焰沖擊爐墻時,導(dǎo)致燃燒不完全,在燃燒器區(qū)域附近的火焰中心處,當(dāng)未燃盡的焰流沖刷水冷壁管時,由于煤粉具有一定的棱角,煤粉對管壁有很大的磨損作用,這種磨損將加速水冷壁保護層的破壞,在管壁的外露區(qū)段,磨損破壞了由腐蝕產(chǎn)物形成的不太堅固的保護膜,煙氣介質(zhì)便急劇地與純金屬發(fā)生反應(yīng),這種腐蝕和磨損相結(jié)合的過程,大大加劇了金屬管子的損害過程。

　　1.2 燃料和積灰沉積物中的腐蝕成分

　　燃用含硫量高的煤粉時,煤粉中的黃鐵礦(FeS2)燃燒受熱,分解出自由的硫原子:FeS2→FeS+[S],而煙氣中存在的一定濃度的H2S與SO2化合,也產(chǎn)生自由硫原子:2H2S+SO2→2H2O+3[S]。自由硫原子與約350℃溫度的水冷壁管相遇,發(fā)生反應(yīng):Fe+[S]→FeS,3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2,產(chǎn)生腐蝕。

    其次,燃料中的硫及堿性物會在爐內(nèi)高溫下反應(yīng)生成硫酸鹽,當(dāng)這些硫酸鹽沉積到受熱面上后會再吸收SO3,生成焦硫酸鹽,如Na2S2O7和K2S2O7。焦硫酸鹽的熔點很低,在通常的鍋爐受熱面壁溫下呈熔融狀態(tài),與Fe2O3更容易發(fā)生反應(yīng),生成低熔點的復(fù)合硫酸鹽:3Na2SO4+Fe2O3+3SO3→2Na3Fe(SO4)3,3K2SO4+Fe2O3+3SO3→2K3Fe(SO4)3,當(dāng)溫度在550℃~700℃時,復(fù)合硫酸鹽處于融化狀態(tài),將管壁表面的Fe2O3氧化保護膜破壞,繼續(xù)和管子金屬發(fā)生反應(yīng),造成過熱器管的腐蝕。

    另外,燃料中含有氯化物也是使?fàn)t管損耗的一個重要原因。它們與煙氣中的水、硫化氫等反應(yīng)生成硫酸鹽和Hcl氣體,由于Hcl的存在可以使金屬表面的保護膜遭到破壞,從而加大對管壁的腐蝕。燃料中含氯量增加,對金屬的腐蝕速率也隨之增加。當(dāng)灰中含氯低于0.2%時,不致產(chǎn)生明顯的腐蝕;當(dāng)含氯量達到0.6%時,將造成高的腐蝕率。

    腐蝕產(chǎn)物的礦物組成

    腐蝕產(chǎn)物內(nèi)層的物相組成主要為鐵的硫化物和氧化物 ,中間層和外層為鐵硫化物 ,鐵氧化和鋁硅酸鹽 ;對各層的組成進行半定量分析發(fā)現(xiàn) :由內(nèi)而外鐵硫化物的含量降低 ,其含量分別為74%、64%、54%;鋁硅酸鹽含量增加 ,其含量分別為中間層22%、外層28%;鐵氧化物內(nèi)層含量較高為26%,由于受到鋁硅酸鹽的影響 ,中間層和外層的含量有所降低 ,含量分別為14%、18%,最外層受爐膛中氧氣的氧化其鐵氧化物的含量要比中間層高。鐵的硫化物和氧化物為腐蝕的產(chǎn)物 ,而硅鋁質(zhì)組分來自于粘附的燃煤飛灰顆粒 ,其腐蝕類型是硫化物型腐蝕。

    腐蝕產(chǎn)物顯微特征和微區(qū)分析

    金相顯微和孔結(jié)構(gòu)特征

腐蝕產(chǎn)物具有明顯的分層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層結(jié)構(gòu)致密，外層3疏松多孔，具有大量的孔隙。內(nèi)層礦物組成比較單一，分布比較均勻，為高溫乘積的結(jié)晶礦物，光性較強。外層礦物組成復(fù)雜，分布不均，高溫乘積的結(jié)晶礦物中分布大量來自煤中的高溫分解形成的球形非晶質(zhì)礦物。利孔隙的大量存在為腐蝕介質(zhì)的擴散提供了通道，使得其可以滲透到渣層內(nèi)部與管壁發(fā)生腐蝕管壁。推測腐蝕過程為 :首先腐蝕介質(zhì) H2S或原子硫與管壁金屬氧化膜發(fā)生反應(yīng) ,使得管壁失去保護層 ,然后進一步與管壁基體金屬反應(yīng)腐蝕管壁 ,生成鐵的硫化物。在腐蝕產(chǎn)物的最內(nèi)層主要為鐵硫化物 ,所以其它元素的含量很少 ,伴隨反應(yīng)進行的同時 ,飛灰顆粒不斷粘附到腐蝕產(chǎn)物的外層 ,在高溫條件下熔融 ,使腐蝕產(chǎn)物內(nèi)外溫差升高加速了腐蝕進程。

    1.3 還原性氣氛

    鍋爐的高溫腐蝕和還原性氣氛的存在有著密切相關(guān)的關(guān)系,CO濃度大的地方腐蝕就大。某些部位的空氣不足,使煤粉燃燒的過程拖長,未燃盡的煤粉在爐管附近分離,使碳和硫聚集在邊界層中,未燃盡碳進一步燃燒時又形成局部缺氧,使水冷壁附近的煙氣處于還原性氣氛。由于缺氧,硫的完全燃燒和SO2的形成發(fā)生困難,H2S便與受熱面金屬發(fā)生直接反應(yīng),因H2S是還原性介質(zhì),比氧化性介質(zhì)更具有腐蝕性,H2S的濃度越高,受熱面溫度越高,腐蝕速度越快,同時還原性氣氛導(dǎo)致了灰熔點溫度的下降和灰沉積物過程加快,從而導(dǎo)致受熱面管子的腐蝕。[S]腐蝕煤粉在燃燒過程中也會產(chǎn)生一定量的原子硫,其在350～400℃時很容易與碳鋼直接反應(yīng)生成硫化亞鐵 (Fe+[S]→FeS)形成高溫硫腐蝕 ,并且從450℃開始 ,其對爐管的破壞作用相當(dāng)嚴(yán)重。生成的[S]可以直接穿透管壁金屬表面保護膜 ,并沿金屬晶界滲透 ,進一步腐蝕鍋爐水冷壁并同時使氧化膜疏松 ,剝裂甚至脫落 金屬硫化腐蝕產(chǎn)物層相對基體金屬的體積比很大。