第10章受熱面外部污染、腐蝕、磨損及振動=西安交通大學-鍋爐原理

第10章受熱面外部工作過程鍋爐事故率占電廠總的事故率的50%多，其中因四管爆破的事故竟占鍋爐總事故的一半。更重要的是由于停爐，停電所造成的間接經(jīng)濟損失更為巨大。A、M及S使受熱面工作條件惡劣。燃料中灰分絕大部分是經(jīng)過尾部受熱面排放出去，勢必對受熱面造成磨損。此外，還會積灰，使受熱堵塞;燃料中含有硫分及水分，其中硫分燃燒后產(chǎn)SO2或SO3與水分結(jié)合形成硫酸或亞硫酸，對受熱面進行腐蝕。煙氣中的水蒸汽遇冷后會凝結(jié)（結(jié)露）也受對鍋爐的尾部低溫受熱面造成腐蝕和堵灰。10.1結(jié)渣與積灰危害:①傳熱阻力增加②對流煙道的阻力增加③嚴重時造成事故須停爐，可用率下降.但幾乎不可避免，只能采用措施來減輕。10.1.1結(jié)渣結(jié)渣：呈熔狀的飛灰粘結(jié)顆粒，碰到受熱面后即粘結(jié)在管壁上的過程。

也叫溶渣，主要發(fā)生在爐膛受熱面及高溫對流受熱面如凝渣管和過熱器的前部等處發(fā)生。特別是燃料灰的熔點較低，而爐膛中及出口處的煙氣溫度又很高時。判斷指標：例：(1)堿酸比B/A。由于煤灰中的酸性成分(SiO2，Al2O3，TiO2)比堿性成分(Fe2O3，CaO，MgO，Na2O，K2O)的熔點普遍要高些，煤灰中酸性成分多會便煤灰熔點高，因此可用堿酸比來衡量煤灰結(jié)渣的難易。更多其它。防止結(jié)渣的方法：①正確地組織燃燒器的工作，采用適當?shù)膓V和qa以保證爐膛出口煙溫不過高。②采用拉稀的高溫對流受熱面，即凝渣管，屏式受熱面以及對流過熱器前部的拉稀等。③采用適當?shù)拇祷掖蛟椒ǚe灰可幾乎發(fā)生在任何受熱面上，積灰過程是一個復雜的物理化學過程和空氣動力學過程。積灰過程可能伴隨著化學變化，而流場的形態(tài)會影響到顆粒的運動，進而影響到積灰過程。分疏（干）松灰、高溫粘結(jié)灰和低溫粘結(jié)灰三種。

10.1.2干松灰：①概貌：干松灰的積聚過程完全是一個物理過程，灰層中無粘性成分，灰粒之間呈現(xiàn)散狀態(tài)，易于吹除。②位置及性質(zhì)：主要發(fā)生在管子的背風面，迎風面幾乎沒有（特別煙速較大時）隨煙氣流速的增加，積灰量減小，因此，對應于一定煙氣流速積灰?guī)缀跏且欢ǖ?，不可能無限增加。主要細微灰粒，較大的顆粒不太可能積聚成干松灰。③解釋或原因：氣固兩流繞流過管子，由于邊界層的分離，在背風面必產(chǎn)生旋渦區(qū)，細小顆粒與煙氣幾乎具有相等的速度，并且易于隨氣體改變方向，因此，易于被旋渦旋進背風區(qū)。小顆粒的表面能較大，與管壁面接觸時，能靠分子力吸附在壁面上。根據(jù)研究，小于3~5μm的灰粒，分子力吸附作用可能大于它本身的重量力。流速增加邊界層分層推遲，旋渦區(qū)減小，加上較大灰粒的沖刷作用加強，使得積灰量減小。

④影響因素：a煙氣流速及粒子直徑分布：即煙氣提高，積灰量下降，大粒子多，積灰量下降；b管子直徑：直徑越小，曲率越大，使得灰粒與煙氣分離的能力越大，越不易進尾流區(qū)，積灰減輕；c管子節(jié)距及管束的布置方式：錯列布置是管子的背風面較易受到?jīng)_刷，積灰減輕。順列布置時，管子的背風面不易受到?jīng)_刷，第一排以后迎風面也受沖刷較少，因此，積灰嚴重。

錯列時，減少縱向節(jié)s2，背風面受的沖刷更為強烈，積灰減輕順列時，減少縱向節(jié)s2，使相鄰管子的積灰易于搭橋，積灰，更為嚴重。橫向節(jié)距s1：一般影響不大（在鍋爐常用的節(jié)距范圍內(nèi)）d由于對應于一定的結(jié)構(gòu)及煙氣流速，積灰量存在一個最大量，不能無限增加，只是達到這個量的時間不同，因此，煙氣中灰粒濃度的大小只能影響到達這一量所需的時間，不能影響到積灰量。e煙氣的流動方向?qū)Ψe灰的影響較小，積干松灰的嚴重程度常用灰污系數(shù)來反映。

⑤減輕和防止的措施a設計時采用足夠高的流速，一般不能低于5-6m/sb采用小管徑，錯列布置，緊湊布置（減小縱向節(jié)距）和管束c正確設計和布置吹灰裝置10.1.3高溫粘結(jié)灰1．概貌伴隨化學反應，能夠無取地增長，堅硬而不易清除2．形成的位置及灰的特點在溫度較高的區(qū)域形成，在遠低于DT的煙溫區(qū)也能，例如在高溫省煤器上。不僅在背風側(cè)，而且更多地在迎風面形成；分層形成，各層的化學成分不同，顏色也有差異；灰的粘性是由化學反應產(chǎn)物而來。出現(xiàn)的范圍廣。

3．形成過程及機理關鍵在于先形成一層處于熔化或軟化的粘性灰層，靠這一層粘性灰的捕捉作用，積聚飛灰粒子，被捕捉到的飛灰在化學作用下形成緊密的灰層。事實上，高溫粘結(jié)灰的形成與高溫腐蝕是密切相關的。飛灰中的化學成分不同，將會有不同的高溫粘結(jié)灰的形成機理以及不同的灰層顏色，目前，對這個問題認識得不是非常清楚。

例如：燃燒多堿性金屬的燃料時，高溫粘結(jié)灰的形成機理大致是這樣的：①以燃料灰分中的堿金屬的氧化物，在燃燒時升華，升華灰非常細小，靠擴散作用到達，并冷凝在管壁上。②冷凝在管壁上的堿金屬氧化物與煙氣中三氧化硫反應形成硫酸金屬。鋼管壁面上的催化作用，使得煙氣中的SO2在氧化成SO3的同時，形成硫酸鹽。③硫酸鹽與飛灰中的氧化鐵Fe2O3及煙氣中的三氧化硫反應，形成復合硫酸鹽Na2Fe(SO4)3、K3Fe(SO4)3；也與飛灰中的氧化鋁，形成Na3(AlSO4)3、K2(AlSO4)3，這些反應產(chǎn)物在500~800℃范圍內(nèi)呈現(xiàn)熔狀，具有粘性。以這層為粘結(jié)劑，一方面捕捉飛灰，一方面還可繼續(xù)形成粘結(jié)物，灰層迅速增長。

研究表明，形成粘結(jié)灰的原因很多，不同的燃料成分導致不同的高溫粘結(jié)灰的形成機理。目前，一般采用這樣的式子來表征燃料形成高溫粘結(jié)灰的程度。

式中Fe2O3…表示該成分在燃料灰分中的重量百分數(shù)

4．影響因素：①燃料成分②燃燒方式：火床或煤粉爐的高溫粘結(jié)灰的和度是不同的，也即最終歸結(jié)為燃燒強度不同，結(jié)灰程度不同，強度高，升華物便多。高溫粘結(jié)灰嚴重。③溫度水平：高溫粘結(jié)灰發(fā)生在溫度較高的區(qū)域。④煙氣流速：可以推想，煙氣流速越高，結(jié)灰越少，但研究表明，只有煙速高于20m/s時，煙速作用才明顯，鍋爐中的經(jīng)濟煙速一般為8-12m/s，可以認為在這個范圍內(nèi)，流速影響不大。

5．減輕或防止的措施①設計時，嚴格選定爐膛斷面熱負荷及爐膛出口煙溫，不要過大；②正確設計和布置受熱面，例如拉大橫向節(jié)距S1；③加入添加劑，改變灰的化學成分；④采取有效的吹灰裝置；⑤運行一開始就正常投入吹灰裝置，限制第一層灰升華灰的形成。10.1.4低溫粘結(jié)灰一般形成在低溫受熱面上，鍋爐中的低溫受熱面的一般是指受熱面的壁溫低于或稍高于煙氣露點溫度的受熱面，大約在50~180℃的范圍內(nèi)。1．概貌：常發(fā)生在空氣預熱器上，或省煤器上。形成的速度高，呈現(xiàn)水泥狀，質(zhì)緊密，不易清除，能無限增加嚴重時，將煙氣通道堵死，危害大。2.特點：與煙氣的酸露點溫度緊密相關。一般酸露點溫度高，積灰嚴重。

3.形成過程：冷凝在受熱面的硫酸蒸汽，可以捕捉飛灰粒子，飛灰粒子中含有CaO，于是與硫酸反應，形成硫酸鈣，該反應物具有粘性，可以繼續(xù)捕捉飛灰，無限增長。這個過程即為通常所說的積灰水泥化。4．影響因素：①影響酸露點溫度的因素都能影響結(jié)灰的程度②受熱面的結(jié)構(gòu)及布置方式也影響結(jié)灰的程度。例如順列比錯列好。因為與煙氣結(jié)露點有關，需結(jié)合低溫腐蝕來進行討論，掌握結(jié)灰的過程和機理。10.2腐蝕煙氣側(cè)的腐蝕進行得相當快，有的運行一年就得更換管子。我國電廠中，燃油鍋爐的空氣預熱器曾有每18天就腐蝕穿孔，需停爐更換管子的記錄。嚴重地影響了鍋爐的安全性和經(jīng)濟性，影響了電站機組的可用率。根據(jù)發(fā)生腐蝕區(qū)煙溫的高低，可分為高溫腐蝕和低溫腐蝕。高溫腐蝕主要指爐膛水冷壁的煙氣側(cè)腐蝕和過熱器或再熱器管子的外部腐蝕。低溫腐蝕主要是指空氣預熱器冷端的腐蝕，對于低壓工業(yè)鍋爐，有空氣預熱器時，也可能在省煤器中發(fā)生。

10.2.1爐膛水冷壁管的腐蝕1．一般情況爐膛水冷壁管的外部腐蝕先在高壓，液態(tài)排渣爐上發(fā)現(xiàn)，后來在其它超高壓鍋爐甚至在超臨界壓力鍋爐的下輻射部分相繼發(fā)現(xiàn)嚴重的外部腐蝕問題。事實上，任何容量參數(shù)型式的鍋爐的爐膛水冷壁上都可能發(fā)生腐蝕。2．腐蝕發(fā)生的區(qū)域及位置、速度通常發(fā)生在燃燒器中心線位置標高上下，對于管子來說，向火側(cè)的正面點腐蝕得最快，側(cè)面較好，背面幾乎不發(fā)生腐蝕，腐蝕速度高達2mm/a，一般情況下為1.1~1.5mm/a。3．機理研究表明，發(fā)生腐蝕的管壁附近，沒有例外地都是還原性氣氛。一般認為，發(fā)生腐蝕的機理是這樣的：①因燃料中一般都含有硫分，燃燒時會產(chǎn)生H2S，在適當?shù)臏囟群蜌夥罩?，硫化氫不僅能和受熱面的金屬發(fā)生作用，而且也可以和原來受熱面上已有的一層氧化膜發(fā)生作用H2S和受熱面金屬作用形成硫化鐵，而硫化鐵又可進一步氧化成氧化鐵，這層硫化鐵，氧化鐵是多孔性的，上述僅產(chǎn)生可繼續(xù)下去，強度低，使管壁不再能承受壓力。②燃料燃燒時升華出的堿金屬氧化物Na2O及K2O冷凝在水冷壁管上，與煙氣中的SO3發(fā)生化學反應，形成K2SO4和Na2SO4，這些硫酸鹽有粘性，能捕捉灰粒子，粘結(jié)成灰層，其外表面溫度升高形成硫化層，煙氣中的SO3能穿過灰渣層，與管壁上的氧化層發(fā)生反應。這樣渣層中就存在有Na2Fe(SO4)3或K3Fe(SO4)3及Na2SO4或K2SO4，管壁再向內(nèi)形成新的Fe2O3層，上述腐蝕過程可不斷下去。這時并不能進行打渣，若打渣，由于渣層脫落（不可能全部干凈），使得SO3的擴散阻力減小，反會加速腐蝕。

4．影響因素：①周圍氣氛：只有在還原性氣氛中發(fā)生高溫腐蝕—要求正確地組織燃燒器的工作，使爐膛具有良好的空氣動力場，例如不使火焰沖刷水冷壁。②溫度水平：研究表明，當管壁溫度超過300℃時，發(fā)生腐蝕，溫度越高，腐蝕越嚴重。③H2S及SO3的濃度：無疑，濃度越高，腐蝕越高，腐蝕越嚴重。5．防止或減輕的措施①燃料脫硫，如果能在進入爐膛前徹底脫除燃料中的硫分，則幾乎不會產(chǎn)生高溫腐蝕。但現(xiàn)有的技術水平，是不可能的。②盡量減少H2S及SO3的產(chǎn)生，降低其濃度，這可采用燃燒過程脫硫的辦法。③改善環(huán)境氣氛，例如，合理組織燃燒室的空氣動力場，不使燃燒過程有局部的缺氧，抑制還原性氣氛的產(chǎn)生。④設法降低管壁溫度，例如，采用煙氣再循環(huán)。⑤在可能發(fā)生腐蝕的區(qū)域貼壁噴入空氣流，形成保持膜。⑥采用耐腐蝕的材料，例如噴涂氧化鋁等。

10.2.2過熱器及再熱器煙氣側(cè)腐蝕1．一般情況：過熱器或再熱器以及吊掛部件的煙氣側(cè)腐蝕有時是很快的，可高達1mm/a。多發(fā)生在迎風面。2．機理或原因：對燃煤或燃油鍋爐，腐蝕機理有所不同。對燃煤鍋爐，主要為硫酸鹽型腐蝕。過熱器或再熱器管上存在積灰層（高溫粘結(jié)灰）前已講過，這些結(jié)灰層中有復合硫酸鹽X2Fe(SO)3，(X為Na或K)存在，若其溫度高于550℃，則它呈熔液狀態(tài)。若其溫度高于710℃，則發(fā)生分解，分解出SO2而形成正硫酸鹽。液態(tài)的復合硫酸鹽對金屬有強烈的腐蝕作用。尤其在650~750℃范圍內(nèi)腐蝕速度很快，過程如下：事實上，這個過程的周期性結(jié)果相當于：Fe+O2→Fe3O4其它相當于催化劑的作用。這個過程說只要有少量的液態(tài)X2Fe(SO4)存在，并有氧氣供給，就可腐蝕大量的金屬，此外，這個過程中產(chǎn)生的FeS也有腐蝕作用。

3．影響因素：①影響高溫粘結(jié)灰的所有因素都影響高溫腐蝕的程度和速度，其中溫度的影響較為突出。②復合硫酸鹽中Na和K的比例當Na∶K≈1時，熔點最低，腐蝕最為嚴重。

4．防止及減輕的措施①控制或防止高溫粘結(jié)灰的生成②限制汽溫參數(shù)③合理地布置過熱器或再熱器，使蒸汽出口段不布置在煙溫過高處④采取適當?shù)拿摿虼胧?0.2.3低溫受熱面的腐蝕多是由于煙氣中的硫酸蒸汽冷凝在受熱面上所引起，而酸霧的凝結(jié)是與煙氣的酸露點有直接的關系?？諝庵兴羝哪Y(jié)過程；煙氣中的水蒸汽也會發(fā)生同樣的過程。但純水蒸汽分壓力較空氣中的高，飽和溫度為30～60℃。遠遠低于排煙溫度。燃料含有硫分，燃燒時，有部分SO3生成，SO3與煙氣中水蒸汽作用時，會形成硫酸，它能在較高的溫度下凝結(jié)。露點溫度：煙氣中硫酸蒸汽凝結(jié)時的溫度稱為酸露點溫度。它的數(shù)值主要與煙氣中的SO3含量有關，當然也與水蒸汽含量有關。例如，若煙氣中含有0.005%，則露點溫度可高達150℃。與排煙溫度相當。露點溫度的高低還不足以表明腐蝕的嚴重程度，而最主要的是受熱面金屬低于露點以下部分的硫酸凝結(jié)量。但它能清楚表征腐蝕是否會發(fā)生。建立煙氣露點與燃料含硫量之間的精確數(shù)量關系，就是預先判斷和計算各種燃料的酸露點溫度的大小，這對于鍋爐設計是非常有幫助的。煙氣中的SO3是由燃料的硫氧化而得或由硫酸鹽的分解而得，但是其含量除和燃料中的含硫量有關外，還和燃料中的灰含量，灰的化學組成，過量空氣系數(shù)等有關。目前，只有靠經(jīng)驗式來計算酸露點溫度。

2．低溫腐蝕：①

一般情況：主要發(fā)生在低溫受熱面（如空氣預器），對工業(yè)鍋爐，也發(fā)生在省煤器上。②

特點：a有化學腐蝕（如硫酸作用于金屬），也有電化學腐蝕（如冷凝后的水蒸汽與金屬作用）b腐蝕產(chǎn)物中主要是低價鐵的硫酸鐵（如FeSO4）和鐵的氧化物Fe2O3及Fe3O4等。c腐蝕速度有時很高，可高達1mm/a；

d腐蝕總是發(fā)生溫度低于酸露點的壁面上。e當壁溫處于酸露點和水露點之間時，腐蝕速度并不隨硫酸濃度的增大而線性增加，約在濃度56%時達到最大。f當壁面溫度達到或低于水露點后，由于有大量的水蒸汽凝結(jié)，腐蝕速度急劇增加。壁溫低于酸露點30℃左右時，腐蝕速度最大。g發(fā)受熱面上的結(jié)灰，有時能加速度腐蝕，有時能抑制腐蝕。但多數(shù)情況是促進的。

③

影響因素：a燃料中的含硫量S↑SO3↑b運行時的過量空氣系數(shù)α↑，O2↑→SO3↑c受熱面的金屬溫度在鍋爐的常見尾部受熱面壁溫范圍內(nèi)，壁溫與腐蝕速度一般并不存在線性關系。d煙氣的溫度一般說來，壁溫一定，煙溫高，腐蝕速度低。e吹灰方法消除積灰的影響。F鍋爐的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)。④

防止或減輕的途徑腐蝕發(fā)生的主要原因為煙氣中含有SO3或壁