第十六章 結(jié)渣與高溫積灰及高溫腐蝕

第五篇鍋爐外部過程及燃煤污染物凈化技術(shù)第十六章結(jié)渣和高溫積灰及高溫腐蝕第一節(jié)煤粉鍋爐受熱面的積灰和腐蝕第二節(jié)燃煤礦物成分的化學(xué)物理特性第四節(jié)爐膛水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕第五節(jié)高溫對(duì)流受熱面的積灰和腐蝕第六節(jié)對(duì)流受熱面的蒸汽側(cè)高溫氧化2/5/20231動(dòng)本091-2第一節(jié)煤粉鍋爐受熱面的積灰和腐蝕一、積灰類型1、水冷壁結(jié)渣2、高溫黏結(jié)性積灰（高溫對(duì)流受熱面積灰）3、中低溫積灰（尾部受熱面積灰）二、管子外部腐蝕1、水冷壁高溫腐蝕2、高溫對(duì)流受熱面腐蝕3、低溫腐蝕2/5/20232動(dòng)本091-2第二節(jié)燃煤礦物成分的化學(xué)物理特性一、煤灰成分主要礦物成分8種元素：Si、Al、Fe、Ca、Mg、Ti、K、Na在灰分分析中，灰組分均以氧化物成分給出。

見表16-1酸性氧化物；堿性氧化物2/5/20233動(dòng)本091-2二、煤灰主要礦物質(zhì)的熔化溫度

見表16-2

①低熔點(diǎn)化合物

②中熔點(diǎn)化合物

③高熔點(diǎn)化合物共熔體熔點(diǎn)更低。2/5/20234動(dòng)本091-2灰熔點(diǎn)的影響因素：①灰分成分一般酸性氧化物↑，灰熔點(diǎn)↑；堿性氧化物↑，灰熔點(diǎn)↓。②灰所處周圍環(huán)境的性質(zhì)還原性氣氛，共晶體生成，灰熔點(diǎn)↓。

Fe2O3+CO=2FeO+CO2Fe2O3+H2=2FeO+H2OFeO又形成低熔點(diǎn)的共晶體。③灰分含量

2/5/20235動(dòng)本091-2第四節(jié)爐膛水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕

一、結(jié)渣（1）結(jié)渣過程在煤粉爐的爐膛中，燃燒形成的熔融灰渣黏結(jié)在受熱面上，并積聚發(fā)展成一層硬結(jié)的灰渣層，這個(gè)現(xiàn)象稱為結(jié)渣。部位：通常在燃燒器區(qū)域水冷壁、爐膛折焰角、屏式過熱器及其后面的對(duì)流受熱面等處，有時(shí)爐膛下部的冷灰斗處也會(huì)發(fā)生結(jié)渣。2/5/20236動(dòng)本091-22/5/20237動(dòng)本091-2（2）結(jié)渣危害1）使?fàn)t內(nèi)傳熱變差；2）爐膛出口的受熱面超溫；3）爐膛內(nèi)未結(jié)渣的受熱面金屬表面溫度升高，引起高溫腐蝕；4）排煙溫度提高，鍋爐效率降低；5）結(jié)渣嚴(yán)重時(shí)，大塊渣落下，可能撲滅火焰或砸壞爐底水冷壁，造成惡性事故。2/5/20238動(dòng)本091-2（3）影響結(jié)渣的主要因素一是火焰貼近爐墻時(shí)，煙氣中的灰仍呈熔化狀態(tài)。二是火焰直接沖刷受熱面。1）爐膛溫度水平和熱負(fù)荷：爐內(nèi)燃燒器區(qū)域的溫度越高，結(jié)渣的可能性就越大。鍋爐負(fù)荷越高，結(jié)渣的可能性也越大。2）灰的特性：灰的熔點(diǎn)溫度；灰的黏性；灰的組成成分。3）爐內(nèi)燃燒區(qū)的氣氛：還原性氣氛，低熔共晶體使得灰的熔點(diǎn)明顯降低。4）爐內(nèi)流場(chǎng)：煤粉氣流的流動(dòng)特性，實(shí)際運(yùn)行中，造成火焰貼墻，形成死旋渦區(qū)并出現(xiàn)還原性氣氛，鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行、爐膛漏風(fēng)嚴(yán)重、送風(fēng)量過大、風(fēng)煤配合不當(dāng)以及煤粉細(xì)度過大等，都可能導(dǎo)致爐內(nèi)熔化的灰渣與水冷壁接觸形成結(jié)渣。2/5/20239動(dòng)本091-2二、水冷壁高溫腐蝕（一）高溫腐蝕高溫腐蝕是燃料中的硫在燃燒過程中生成腐蝕性灰污層或渣層以及腐蝕性氣氛，使高溫受熱面金屬管子表面受到侵蝕的現(xiàn)象。腐蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象通常出現(xiàn)在燃燒器區(qū)域。

2/5/202310動(dòng)本091-2（二）水冷壁高溫腐蝕形式

①硫化物型腐蝕

②SO3氣體腐蝕③氯化物型腐蝕2/5/202311動(dòng)本091-2

1、硫化物腐蝕（1）黃鐵礦硫粉末FeS2隨著高溫?zé)煔饬鬟^水冷壁的管壁，在還原性氣氛下受熱分解，產(chǎn)生硫化氫（H2S）和游離氣態(tài)[S]原子。

當(dāng)水冷壁管子附近有一定濃度的H2S和SO2時(shí)2/5/202312動(dòng)本091-2（2）在還原性氣氛中，由于缺氧，自由硫原子S可以存在。當(dāng)水冷壁管壁溫度達(dá)到350℃時(shí)，會(huì)有硫化反應(yīng)，同時(shí)還有硫化亞鐵與氧化亞鐵的反應(yīng)：

H2S+Fe→FeS+H2

2/5/202313動(dòng)本091-2

原因：內(nèi)因-----燃料中的硫(H2S[S])外因-----還原性氣氛

CO+3Fe2O3→3Fe3O4+CO2

CO+Fe3O4→3FeO+CO2CO+Fe→FeO+C2/5/202314動(dòng)本091-2黃鐵礦FeS2和有機(jī)硫化合物燃燒時(shí)生成SO2：由SO2轉(zhuǎn)化為SO3方式：2、SO3氣體腐蝕

1）在高溫下，SO2與煙氣中的自由氧原子反應(yīng)，生成SO3。而自由氧原子可以由如下三種方式產(chǎn)生：氧氣在爐膛內(nèi)的高溫條件下分解；2/5/202315動(dòng)本091-22）催化反應(yīng)生成SO3。當(dāng)高溫?zé)煔饬鬟^水冷壁積灰層的時(shí)候，由于有灰層中的五氧化二釩和氧化鐵的催化作用，產(chǎn)生了下列反應(yīng)：2/5/202316動(dòng)本091-23）煤中的硫酸鹽熱解產(chǎn)生SO3：

SO3氣體可以穿過灰層直接與壁面的氧化鐵膜反應(yīng)生成硫酸鐵：水冷壁溫度對(duì)腐蝕發(fā)展的影響見圖16-1。

2/5/202317動(dòng)本091-2(3)氯化物型腐蝕

煤灰中含有NaCl

2NaCl+H2O→Na2O+2HCl2NaCl+H2O→NaOH+HCl2NaCl+H2O+SO3→Na2SO4+2HClHCl氣體具有破壞管子表面氧化膜的作用：

2HCl+Fe2O3+CO→FeO+FeCl2+H2O+CO2當(dāng)燃煤含氯量（大于0.35%）時(shí)，高溫水冷壁會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氯化物腐蝕。

2/5/202318動(dòng)本091-23、防止高溫腐蝕的措施（1）在水冷壁金屬表面噴涂耐腐蝕材料，或提高水冷壁金屬材料的耐腐蝕性能。（2）采用低氧燃燒技術(shù)。減小爐內(nèi)的過量空氣系數(shù)，自由氧原子的生成量減少，二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫的轉(zhuǎn)化率降低，三氧化硫的濃度低，發(fā)生高溫腐蝕的機(jī)會(huì)就會(huì)減少。（3）合理配風(fēng)和強(qiáng)化爐內(nèi)氣流的湍流混合過程，避免出現(xiàn)局部還原性氣氛，以減少H2S和硫化物型腐蝕。2/5/202319動(dòng)本091-2（4）采用煙氣再循環(huán)，可以降低爐膛內(nèi)火焰溫度和煙氣中的SO3濃度，減輕高溫腐蝕。（5）采用貼壁風(fēng)技術(shù)，在水冷壁壁面附近形成氧化氣氛的空氣保護(hù)膜，避免高溫腐蝕。（6）水冷壁管壁溫度過高是引起水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕的重要原因，應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)水冷壁局部管壁溫度過高現(xiàn)象。2/5/202320動(dòng)本091-2第五節(jié)高溫對(duì)流受熱面的積灰和腐蝕

一、高溫積灰高溫過熱器和高溫再熱器布置在煙溫高于700～800℃的煙道內(nèi)。管子外表面的灰層由兩部分組成。內(nèi)層灰緊密，與管子粘結(jié)牢固;外層灰松散，容易清除。2/5/202321動(dòng)本091-2※形成機(jī)理：（1）低熔灰（700-850℃）在高溫過熱器區(qū)未凝固，當(dāng)接觸溫度較低的受熱面時(shí)凝固，形成粘性灰層。一些中熔（900-1100℃）、高熔灰粒（1600-2800℃）被粘附在粘性灰層中。（2）煙氣中的氧化硫氣體在對(duì)灰層的長(zhǎng)期作用下，形成白色硫酸鹽的緊密結(jié)實(shí)灰層，這個(gè)過程稱為燒結(jié)。中熔和高熔灰在緊密結(jié)實(shí)灰層表面進(jìn)行著動(dòng)態(tài)沉積，形成松散而且多孔的外灰層。2/5/202322動(dòng)本091-2二、高溫腐蝕（一）機(jī)理過熱器和再熱器的高溫腐蝕主要是由于管壁外存在高溫粘結(jié)性灰層，灰層中含有的堿金屬，煙氣三氧化硫與凝結(jié)在管壁的堿金屬氧化物及金屬表面或灰分中的氧化鐵長(zhǎng)期作用，生成堿金屬?gòu)?fù)合硫酸鹽[Na3Fe(SO4)3K3Fe(SO4)3]等復(fù)合物。在管壁形成燒結(jié)性復(fù)合硫酸鹽內(nèi)灰層。

2/5/202323動(dòng)本091-2

復(fù)合硫酸鹽的熔點(diǎn)較低，在550-710℃內(nèi)為液態(tài)，溫度低于550℃時(shí)固態(tài)，溫度高于710℃時(shí)，它們就分解出三氧化硫而成為硫酸鹽。由復(fù)合硫酸鹽燒結(jié)而成的內(nèi)灰層，在固態(tài)沒有腐蝕作用，若處于熔化或半熔化狀態(tài)，則對(duì)金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕，尤其在650-700℃時(shí)腐蝕最強(qiáng)。2/5/202324動(dòng)本091-22/5/202325動(dòng)本091-21.管壁上的堿性金屬氧化物與周圍煙氣中的SO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鹽2.SO2、SO3透過積灰層向管子表面擴(kuò)散，與氧化保護(hù)膜反應(yīng)。

3SO3+Fe2O3→Fe2(SO4)3(二）腐蝕過程2/5/202326動(dòng)本091-2K3Fe(SO4)3熔化，并與鐵發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕：

2K3Fe(SO4)3+10Fe→3K3SO4+[3FeS+3Fe2(SO4)3]3.熔融的復(fù)合硫酸鹽形成

3K3SO4

+Fe2(SO4)3→2K3Fe(SO4)32/5/202327動(dòng)本091-2（三）影響因素1、煤中含硫和煤灰含堿2、金屬材質(zhì)和壁溫鋼材中鉻Cr是抗腐蝕元素。

見圖16-3說明：①含Cr量越大，腐蝕速率越小。

②最大腐蝕速度一般處于660-730℃之間。

限制汽溫來控制高溫腐蝕。

③超臨界和超超臨界壓力鍋爐，末級(jí)過熱器和再熱器的壁溫很高，采用奧氏體高鉻鋼材。2/5/202328動(dòng)本091-22/5/202329動(dòng)本091-2第六節(jié)對(duì)流受熱面的蒸汽側(cè)高溫氧化一、蒸汽側(cè)高溫氧化機(jī)理3Fe+4H