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℃的區域內,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煙氣接觸，極易發生高溫腐蝕。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,產生腐蝕。通常高壓鍋爐水冷壁管向火側的正面腐蝕最快,減薄得最多,若發生爆管都在管子的正面爆開,管子的側面減薄得較少,而管子背火側幾乎不減薄,這種腐蝕給鍋爐水冷壁管造成很大威脅,嚴重時,往往幾個月就得更換部分管段,給鍋爐的安全經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的灰黏結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

　　持續燃燒不良和脈動火焰沖擊爐墻時,導致燃燒不完全,在燃燒器區域附近的火焰中心處,當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,在管壁的外露區段,磨損破壞了由腐蝕產物形成的不太堅固的保護膜,煙氣介質便急劇地與純金屬發生反應,這種腐蝕和磨損相結合的過程,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,發生反應:Fe+[S]→FeS,3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2,產生腐蝕。

    其次,燃料中的硫及堿性物會在爐內高溫下反應生成硫酸鹽,當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,與Fe2O3更容易發生反應,生成低熔點的復合硫酸鹽:3Na2SO4+Fe2O3+3SO3→2Na3Fe(SO4)3,3K2SO4+Fe2O3+3SO3→2K3Fe(SO4)3,當溫度在550℃~700℃時,復合硫酸鹽處于融化狀態,將管壁表面的Fe2O3氧化保護膜破壞,繼續和管子金屬發生反應,造成過熱器管的腐蝕。

    另外,燃料中含有氯化物也是使爐管損耗的一個重要原因。它們與煙氣中的水、硫化氫等反應生成硫酸鹽和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。當灰中含氯低于0.2%時,不致產生明顯的腐蝕;當含氯量達到0.6%時,將造成高的腐蝕率。

    腐蝕產物的礦物組成

    腐蝕產物內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現 :由內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物 ,而硅鋁質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。

    腐蝕產物顯微特征和微區分析

    金相顯微和孔結構特征

腐蝕產物具有明顯的分層結構，內層結構致密，外層3疏松多孔，具有大量的孔隙。內層礦物組成比較單一，分布比較均勻，為高溫乘積的結晶礦物，光性較強。外層礦物組成復雜，分布不均，高溫乘積的結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礦物。利孔隙的大量存在為腐蝕介質的擴散提供了通道，使得其可以滲透到渣層內部與管壁發生腐蝕管壁。推測腐蝕過程為 :首先腐蝕介質 H2S或原子硫與管壁金屬氧化膜發生反應 ,使得管壁失去保護層 ,然后進一步與管壁基體金屬反應腐蝕管壁 ,生成鐵的硫化物。在腐蝕產物的最內層主要為鐵硫化物 ,所以其它元素的含量很少 ,伴隨反應進行的同時 ,飛灰顆粒不斷粘附到腐蝕產物的外層 ,在高溫條件下熔融 ,使腐蝕產物內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的關系,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的形成發生困難,H2S便與受熱面金屬發生直接反應,因H2S是還原性介質,比氧化性介質更具有腐蝕性,H2S的濃度越高,受熱面溫度越高,腐蝕速度越快,同時還原性氣氛導致了灰熔點溫度的下降和灰沉積物過程加快,從而導致受熱面管子的腐蝕。[S]腐蝕煤粉在燃燒過程中也會產生一定量的原子硫,其在350～400℃時很容易與碳鋼直接反應生成硫化亞鐵 (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嚴重。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 金屬硫化腐蝕產物層相對基體金屬的體積比很大。