燃煤工业锅炉粘性积灰和露点腐蚀耦合机理

燃煤工业锅炉粘性积灰和露点腐蚀耦合机理

史然峰1,2李金明1,2

1、哈尔滨锅炉厂有限责任公司材料研究所哈尔滨150046；

2、高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室哈尔滨150046

摘要：当壁面温度低至70℃时，HSO开始在壁面上冷凝并沉积，引起粘性积灰和露点腐蚀。随着壁面温度的降低，实验段上的积灰量和腐蚀层厚度不断增加。当壁面温度降至40℃时，HCl开始在壁面上冷凝并加重积灰和腐蚀。烟气中的飞灰可以通过吸附冷凝的酸液并与其反应来减少壁面的粘性积灰和露点腐蚀。燃煤工业锅炉的低温受热面宜控制壁面温度在70℃以上，以减少酸液冷凝造成的粘性积灰和露点腐蚀。

关键词：燃煤工业；锅炉粘性积灰；露点腐蚀

近年来，前期也针对燃煤锅炉烟气深冷条件下的积灰和腐蚀耦合机理，进行了一系列的研究工作。以往的露点腐蚀研究主要集中在燃用化石能源的锅炉。

一、概述

露点是低温腐蚀的关键指标，制约着锅炉尾部排烟余热的深度利用。传统的热力学酸露点计算及测量主要考虑烟气中硫酸蒸汽、水蒸气及氧气量等的影响，忽略了飞灰对露点的影响作用。实际应用中发现露点变化与飞灰有很大关系，在积灰存在工况下，运行在热力学酸露点以下的换热器腐蚀状况并未如预想严重，因此依然采用热力学酸露点作为低温腐蚀的评判标准已不合适，使得换热器余热回收设备设计温差降低，设备面积增大，烟气余热回收成本增加，限制了烟气余热利用效率；新的设计应充分考虑灰对露点的影响及测量过程中的环境因素，对此的研究目前较少。同时随国家节能减排政策的实施及低低温余热回收技术的发展，已有不少换热设备实际运行在热力学酸露点温度以下，但对其在有硫酸蒸汽凝结环境下的传热特性及流动特性研究报道较少，缺乏实验及理论支持。从露点形成理论、热态模型试验、含酸灰粒微观成分分析、含酸灰粒沉积特性等几个方面入手，研究了有硫酸蒸汽凝结的烟气环境下含酸灰粒在不同换热元件表面的沉积特性规律以及不同换热元件表面的灰污特性与换热系数变化规律，探索了含灰条件下酸露点形成的过程、机理，分析了影响因素，据此提出了燃煤烟气工程酸露点的系统理论，设计构建了工程酸露点测试试验台。与传统的热力学露点不同，工程酸露点是基于硫酸蒸汽凝结后对于灰的沉积影响、对于换热元件传热系数的影响获得的，考虑了烟气中灰的沉积、灰对于酸液的吸收、酸液的浓度对于腐蚀的影响等因素，更接近于工程实践，更能代表烟气真实的露点特征。

二、锅炉粘性积灰和露点腐蚀耦合机理

工程酸露点温度比热力学露点更低，建立了烟气低温腐蚀新的评判标准，为可靠地进行深度烟气余热利用奠定了理论基础。主要工作如下：

1.考虑到酸液沉积对灰粒表面特性影响，积灰吸收酸液后，更易粘附在换热器表面，灰层变厚，热阻增大，传热系数将变小。在含酸、含灰环境下，通过直接测量不同换热管外壁温度下换热管传热特性变化规律，分析蒸汽凝结与灰耦合作用对传热特性的影响；并结合不同过冷度下管壁积灰状况判断换热管积灰及腐蚀规律；采集不同工况下灰样进行微观表面状态及元素成分分析，深度解析灰粒在烟气结露过程中对露点影响的规律及机理，提出更适用于烟气环境下的工程酸露点概念及测试原理。

2.设计构建了工程酸露点实验台，并进行了现场实测，得到实验工况下工程酸露点温度，用以指导含灰含酸环境下换热器设计及改造工作，并与传统热力学酸露点设计温度进行系统比较，对电站锅炉余热利用系统设计及改造提供理论指导作用，建立了烟气低温腐蚀新的评判标准。

3.建立了含灰、含酸环境下单管换热器热力性能实验台架，研究在蒸汽凝结及积灰耦合作用下的传热特性变化规律，以不同管径及试验工况下套管换热器验证工程酸露点，通过露点影响因素变化规律分析，为工程酸露点测量装置各关键设备选型奠定基础。研究不同管径、冷却水流速及外壁温对传热特性影响的变化规律，尤其对管外雷诺数对换热系数影响进行详细分析，并拟合给出了适用于结露环境下的试验关联式，为低低温深度余热利用技术应用奠定了基础。

4.搭建了顺列及错列布置下管束现场灰粒沉积特性试验台架，选取具有代表性的椭圆翅片管束、圆形H型翅片管束及椭圆H型翅片管束为试验管段进行现场热力试验。综合比较了不同蒸汽凝结量下三种管型的热力及灰污特性，研究不同管型、不同布置方式、不同流速及不同管外壁温下换热器特性变化规律，并详细讨论了各影响因素对含酸灰粒沉积特性影响规律，结合总体比较情况，对不同状态下换热器选型给出理论指导。

5.模拟烟气主要成分，在实验室搭建了工程酸露点形成机理分析试验台架，通过控制不同烟气温度、含酸量、含水量及灰粒浓度制取受硫酸蒸汽凝结影响的灰粒试样，采用颗粒粒径试验、粘附性试验及灰样导热系数试验分析酸凝结液对积灰特性变化的影响规律，进而分析含酸灰粒在换热面的沉积机理。通过研究内容，得出以下主要结论：（1）提出了工程酸露点概念，替代热力学酸露点创建以工程酸露点为基础的烟气低温腐蚀新的评价标准。在理论上对其产生机理进行了分析，对实验环境工程酸露点进行测量，并利用电镜、能谱及XRD等技术对其进行了验证。（2）设计工程酸露点测试实验台，并用于现场测量，得到实验工况下工程酸露点真实温度，较传统热力学酸露点计算温度分析可知，新标准将余热回收利用深化了35℃以上，为低低温余热利用技术奠定了理论基础。（3）得到了酸凝结工况下换热器换热特性变化规律，发现随平均外壁温度及热力学酸露点过冷度降低，换热系数整体下降，换热过程呈阶梯状变化，传热系数三次发生较大幅度降低，通过对比分析，得到了真实烟气环境下换热管的四个稳定换热区域，即洁净区域、积灰区域、积灰-酸凝结耦合区域及积灰-水凝结耦合区域，为露点下工作换热器选型奠定基础。（4）得到了结露环境下不同布置工况下典型换热管束表面含酸灰粒沉积特性变化规律，给出具有工程应用价值的实验拟合关联式，并验证了工程酸露点及水露点的存在，为低低温深度余热利用技术应用奠定了基础。（5）综合比较了不同蒸汽凝结量下典型换热器的传热及流动特性，对于不同工况下换热器选型给出理论指导，发现顺列布置下椭圆H型翅片管在酸露点下明显优于其他形式，有较高的灰粒沉积特性。（6）得到了含酸颗粒在换热管表面沉积规律，研究灰粒特性受烟气过冷度、含酸量、含水量及灰粒浓度变化的影响规律，得出了影响因素改变时灰粒沉积特性变化规律，分析工程酸露点形成机理。提出的燃煤烟气工程酸露点系统理论，确立了烟气低温腐蚀判定的新标准，为深度降温余热回收利用技术研究奠定理论基础；所建立的含酸、含灰环境下的换热器实验模型，为深度余热利用的发展创造条件；得到的典型管束凝结环境下含酸灰粒沉积特性变化规律，为酸露点下工作的换热器设计及选型提供了新思路及方法。所得结论具有一定的理论研究价值及工程应用价值。

三、露点腐蚀特性

管壁温以水露点为界，腐蚀层厚度差距较大，故选取35℃和80℃的实验管件为代表进行分析比较。35℃工况的腐蚀层横截面微观形貌。ND钢管壁表面发生了均匀腐蚀，并伴有裂纹产生，脆性易剥落，说明腐蚀产物多为氯化物，而在316L不锈钢管壁表面，只在存在缺陷的位置发现了部分点蚀现象，并未形成连续的腐蚀层。在制取试样时，剥落的灰层可能带走一部分腐蚀产物。对试样外剥落的积灰截面在SEM下观察，并进行EDS分析。积灰从贴近管壁一侧开始由致密逐渐变为疏松，耦合层物质主要元素为Fe、O并存在少量的S、Cl（表5），为HCl及H2SO4冷凝液与金属氧化层的反应产物。

参考文献

[1]马海新,燃煤电厂烟气冷却器壁上沉积物分析和形成机理.2015.

[2]李卫革.刘美英，暖风器对锅炉排烟温度影响的研究．2014.

[3]周美玉，浅谈燃煤工业锅炉粘性积灰和露点腐蚀耦合机理，2016.