第10章受热面外部污染、腐蚀、磨损及振动.ppt

第十章受热面外部污染 腐蚀 磨损及振动 10 1概述燃料燃烧 特别是固体燃料燃烧时 由于燃料中灰分的存在 水分的存在 使得锅炉各受热面的工作条件变化恶劣起来 我国某地区电力管理局在1977年曾做过这样的统计 锅炉的事故率占电厂总的事故率的54 7 其中因尾部受热面磨损而爆破不得不停炉的事故竟占锅炉总事故的45 50 因此 尾部受热面磨损或其他原因的爆破使锅炉的可用率降低 电站的事故率增加 锅炉效率降低 钢材耗损增加 而更重要的是由于停炉 停电所造成的间接经济损失更为巨大 因此 不论对设计人员还是对运行人员 掌握受热面的外部队工作过程是具有非常重大的意义 我国的锅炉燃料多为煤 煤中含有灰分 对煤粉炉燃烧完成后 这些灰分最终都要排放出锅炉本体 其中绝大部分是经过尾部受热面放出去 这么多的灰量流过 势必对受热面造成磨损 此外 还会积灰 使受热堵塞 燃料中含有硫分及水分 其中硫分燃烧后产SO2或SO3与水分结合形成硫酸或亚硫酸 对受热面进行磨蚀 烟气中的水蒸汽遇冷后会凝结 结露 也受对锅炉的尾部低温受热面造成腐蚀和堵灰 我们这章的目的 就是要学习这样过程的机理 以期在设计或运行中来防止磨损 积灰 结渣 及腐蚀等问题 10 2结渣与积灰结渣或积灰造成的危害是什么呢 可能是 传热阻力增加 对流烟道的阻力增加 严重时造成事故必须停炉 使可用率下降但结渣与积灰几乎是不可避免的 只能采用措施来减轻 结渣 也叫溶渣 主要发生在炉膛受热面及高温对流受热面如凝渣管和过热器的前部队等处发生 特别是燃料灰的熔点较低 而炉膛中及出口处的烟气温度又很高 以至飞灰呈熔状的粘结颗粒 碰到受热面后即粘结在管壁上 防止结渣的方法 正确地组织燃烧器的工作 采用适当的炉膛容积和断面热负荷以保证炉膛出口烟温不致于过高 采用拉稀的高温对流受热面 即凝渣管 屏式受热面以及对流过热器前部的拉稀等 采用适当的吹灰打渣方法 积灰可几乎发生在任何受热面上 积灰过程是一个复杂的物理化学过程和空气动力学过程 这就是说 积灰过程可能伴随着化学变化 而流场的形态会影响到颗粒的运动 因此影响到积灰过程 一般说来 积灰可分疏 干 松灰 高温粘结灰和低温粘结灰三种形态 二 干松灰 概貌 干松灰的积聚过程完全是一个物理过程 灰层中无粘性成分 灰粒之间呈现散状态 易于吹除 位置及性质 主要发生在管导的背风央 迎风面几乎没有 特别烟速较大时 随烟气流速的增加 积灰量减小 因此 对应于一定烟气流速积灰几乎是一定的 不可能无限增加 主要细微灰粒 较大的颗粒不太可能积聚成干松灰 解释或原因 气固两流绕流过管子 由于边界层的分离 在背风面必产生旋涡区 细小颗粒与烟气几乎具有相等的速度 并且易于随气体改变方向 因此 易于被旋涡旋进背风区 小颗粒的表面能较大 与管壁面接触时 能靠分子力吸附在壁面上 根据研究 小于3 5 m的灰粒 分子力吸附作用可能大于它本身的重量力 流速增加边界层分层推迟 旋涡区减小 加上较大灰粒的冲刷作用加强 使得积灰量减小 影响因素 a烟气流速及粒子直径分布 即烟气提高 积灰量下降 大粒子多 积灰量下降 b管子直径 直径越小 曲率越大 使得灰粒与烟气分离的能力越大 越不易进尾流区 积灰减轻 c管子节距及管束的布置方式 错列布置是管子的背风面较易受到冲刷 积灰减轻 顺列布置时 管子的背风面不易受到冲刷 第一排以后迎风面也受冲刷较少 因此 积灰严重 错列时 减少纵向节S2 背风面受的冲刷更为强烈 积灰减轻顺列时 减少纵向节S2 使相邻管子的积灰易于搭桥 积灰 更为严重 横向节距S1 一般影响不大 在锅炉常用的节距范围内 d由于对应于一定的结构及烟气流速 积灰量基本一是存在一个最大量 不能无限增加 只是达到这个量的时间不同 因此 烟气中灰粒浓度的大小只能影响到达这一量所需的时间 不能影响到积灰量 e烟气的流动方向对对积灰的影响较小 积干松灰的严重程度常用灰污系数来反映 减轻和防止的措施知道了干松灰形成的原因或机理 以及影响因素 不难找出防止和减轻的措施 a设计时采用足够高的流速 一般不能低于5 6m sb采用小管径 错列布置 紧凑布置 减小纵向节距 和管束c正确设计和布置吹灰装置 三 高温粘结灰1 概貌伴随化学反应 能够无取地增长 坚硬而不易清除2 形成的位置及灰的特点在温度较高的区域形成 不仅在背风侧 而且更多地在迎风面形成 分层形成 各层的化学成分不同 颜色也有差异 灰的粘性是由化学反应产物而来 出现的范围广 3 形成过程及机理高温粘结灰的形成关键在于首先形成一层处于熔化或软化的粘性灰层 靠这一层粘性灰的捕捉作用 积聚飞灰粒子 被捕捉到的飞灰在化学作用下形成紧密的灰层 事实上 高温粘结灰的形成与高温腐蚀是密切相关的 飞灰中的化学成分不同 将会有不同的高温粘结灰的形成机理以及不同的灰层颜色 目前 对这个问题认识得不是非常清楚 例如 燃烧多碱性金属的燃料时 高温粘结灰的形成机理大致是这样的 以燃料灰分中的碱金属的氧化物 在燃烧时升华 升华灰非常细小 靠扩散作用到达 并冷凝在管壁上 冷凝在管壁上的碱金属氧化物与烟气中三氧化硫反应形成硫酸金属 钢管壁面上的催化作用 使得烟气中的SO2在氧化成SO3的同时 形成硫酸盐 硫酸盐与飞灰中的氧化铁Fe2O3及烟气中的三氧化硫反应 形成复合硫酸盐Na2Fe SO4 3 K3Fe SO4 3 也与飞灰中的氧化铝 形成Na3 AlSO4 3 K2 AlSO4 3 这些反应产物在500 800 范围内呈现熔状 具有粘性 以这层为粘结剂 一方面捕捉飞灰 一方面还可继续形成粘结物 灰层迅速增长 最近的研究表明 形成粘结灰的原因很多 不同的燃料成分导致不同的高温粘结灰的形成机理 目前 一般采用这样的式子来表征燃料形成高温粘结灰的程度 式中Fe2O3 表示该成分在燃料灰分中的重量百分数 4 影响因素 从上面的讨论中知道 影响高温粘结灰的最主要因素是 燃料成分 燃烧方式 火床或煤粉炉的高温粘结灰的和度是不同的 也即最终归结为燃烧强度不同 结灰程度不同 强度高 升华物便多 高温粘结灰严重 温度水平 高温粘结灰发生在温度较高的区域 烟气流速 可以推想 烟气流速越高 结灰越少 但研究表明 只有烟速高于20m s时 烟速作用才明显 锅炉中的经济烟速一般为8 12m s 可以认为在这个范围内 流速影响不大 5 减轻或防止的措施 设计时 严格选定炉膛断面热负荷及炉膛出口烟温 不要过大 正确设计和布置受热面 例如拉大横向节距S1 加入添加剂 改变灰的化学成分 采取有效的吹灰装置 运行一开始就正常投入吹灰装置 限制第一层灰升华灰的形成 四 低温粘结灰低温粘结灰一般形成在低温受热面上 锅炉中的低温受热面的一般是指受热面的壁温低于或稍高于烟气露点温度的受热面 大约在50 180 的范围内 1 概貌 常发生在空气预热器上 或省煤器上 形成的速度高 呈现水泥状 质紧密 不易清除 能无限增加严重时 将烟气通道堵死 危害大 2 特点 与烟气的酸露点温度紧密相关 一般酸露点温度高 积灰严重 3 形成过程 冷凝在受热面的硫酸蒸汽 可以捕捉飞灰粒子 飞灰粒子中含有CaO 于是与硫酸反应 形成硫酸钙 该反应物具有粘性 可以继续捕捉飞灰 无限增长 这个过程即为通常所说的积灰水泥化 4 影响因素 影响酸露点温度的因素都能影响结灰的程度 受热面的结构及布置方式也影响结灰的程度 例如顺列比错列好 因为与烟气结露点有关 需结合低温腐蚀来进行讨论 掌握结灰的过程和机理 五 煤的结渣及沾污特性指标1 结渣率结渣率是指煤在一定的空气流速下燃烧并燃尽时 其所含灰分因受到高温影响而结成灰渣 其中粒度大于6mm的渣块占灰渣总质量的百分比 结渣率与煤种和空气流速有关 可以根据不同流速试验得出如图3 9的结渣特性曲线 结渣率愈高的煤 在一定的炉内空气动力条件下愈易结渣 2 灰成分结渣指标由于煤灰中各种组分的灰熔点不同 因而可用灰的主要成分来判断煤灰的结渣指标 1 碱酸比B A 由于煤灰中的酸性成分 SiO2 Al2O3 TiO2 比碱性成分 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O 的熔点普遍要高些 煤灰中酸性成分多会便煤灰熔点高 因此可用碱酸比来衡量煤灰结渣的难易 二 煤灰的沾污指标RF煤灰对于高温受热面 包括炉膛水冷壁 高温过热器 高温再热器 沾污的倾向 可以用同样基于煤灰组成成分的沾污指数RF来衡量 10 3受热面的外部腐蚀锅炉受热面的烟气侧的腐蚀进行得相当快 有的运行一年就是更换管子 我国电厂中 燃油锅炉的空气预热器曾有每18天就腐蚀穿孔 需停炉更换管子的记录 严重地影响了锅炉的安全性和经济性 影响了电站机组的可用率 根据发生腐蚀区烟温的高低 可分为高温腐蚀和低温腐蚀 高温腐蚀主要指炉膛水冷壁的烟气侧腐蚀和过热器或再热器管子的外部腐蚀 低温腐蚀主要是指空气预热器冷端的腐蚀 对于低压工业锅炉 有空气预热器时 也可能在省煤器中发生 一 炉膛水冷壁管的腐蚀1 一般情况炉膛水冷壁管的外部腐蚀先在高压 液态排渣炉上发现 后来在其它超高压锅炉甚至在超临界压力锅炉的下辐射部分相继发现严重的外部腐蚀问题 事实上 任何容量参数型式的锅炉的炉膛水冷壁上都可能发生腐蚀 2 腐蚀发生的区域及位置 速度通常发生在燃烧器中心线位置标高上下 对于管子来说 向火侧的正面点腐蚀得最快 侧面较好 背面几乎不发生腐蚀 腐蚀速度高达2mm a 一般情况下为1 1 1 5mm a 3 机理研究表明 发生腐蚀的管壁附近 没有例外地都是还原性气氛 一般认为 发生腐蚀的机理是这样的 因燃料中一般都含有硫分 燃烧时会产生H2S 在适当的温度和气氛中 硫化氢不仅能和受热面的金属发生作用 而且也可以和原来受热面上已有的一层氧化膜发生作用 H2S和受热面金属作用形成硫化铁 而硫化铁又可进一步氧化成氧化铁 这层硫化铁 氧化铁是多孔性的 上述仅产生可继续下去 强度低 使管壁不再能承受压力 燃料燃烧时升华出的碱金属氧化物Na2O及K2O冷凝在水冷壁管上 与烟气中的SO3发生化学反应 形成K2SO4和Na2SO4 这些硫酸盐有粘性 能捕捉灰粒子 粘结成灰层 其外表面温度升高形成硫化层 烟气中的SO3能穿过灰渣层 与管壁上的氧化层发生反应 这样渣层中就存在有Na2Fe SO4 3或K3Fe SO4 3及Na2SO4或K2SO4 管壁再向内形成新的Fe2O3层 上述腐蚀过程可不断下去 这时并不能进行打渣 若打渣 由于渣层脱落 不可能全部干净 使得SO3的扩散阻力减小 反会加速腐蚀 4 影响因素 周围气氛 只有在还原性气氛中发生高温腐蚀 这就要求正确地组织燃烧器的工作 使炉膛具有良好的空气动力场 例如不使火焰冲刷水冷壁 温度水平 研究表明 当管壁温度超过300 时 发生腐蚀 温度越高 腐蚀越严重 H2S及SO3的浓度 无疑 浓度越高 腐蚀越高 腐蚀越严重 5 防止或减轻的措施 燃料脱硫 如果能在进入炉膛前彻底脱除燃料中的硫分 则几乎不会产生高温腐蚀 因为从上面讨论中 腐蚀的原因都与硫有关 但现有的技术水平 是不可能的 尽量减少H2S及SO3的产生 降低其浓度 这可采用燃烧过程脱硫的办法 改善环境气氛 例如 合理组织燃烧室的空气动力场 不使燃烧过程有局部的缺氧 抑制还原性气氛的产生 设法降低管壁温度 例如 采用烟气再循环 在可能发生腐蚀的区域贴壁喷入空气流 形成保持膜 采用耐腐蚀的材料 例如喷涂氧化铝等 二 过热器及再热器受热面的烟气侧腐蚀1 一般情况 过热器或再热器以及吊挂部件的烟气侧腐蚀有时是很快的 可高达1mm a 会很快地引起爆管 而被近停炉检修 影响电站的安全性 可靠性和经济性 多发生在迎风面 2 机理或原因 对燃煤或燃油锅炉 腐蚀机理有所不同 对燃煤锅炉 主要为硫酸盐型腐蚀 过热器或再热器管上存在积灰层 高温粘结灰 前已讲过 这些结灰层中有复合硫酸盐X2Fe SO 3 X为Na或K 存在 若其温度高于550 则它呈熔液状态 若其温度高于710 则发生分解 分解出SO2而形成正硫酸盐 液态的复合硫酸盐对金属有强烈的腐蚀作用 尤其在650 750 范围内腐蚀速度很快 过程如下 事实上 这个过程的周期性结果相当于 Fe O2 Fe3O4其它相当于催化剂的作用 这个过程说只要有少量的液态X2Fe SO4 存在 并有氧气供给 就可腐蚀大量的金属 此外 这个过程中产生的FeS也有腐蚀作用 3 影响因素 影响高温粘结灰的所有因素都影响高温腐蚀的程度和速度 其中温度的影响较为突出 研究证实 若壁温小于550 则腐蚀大为减轻 这也是现代锅炉过热蒸汽不再提高 540 左右 的原因之一 复合硫酸盐中Na和K的比例当Na K 1时 熔点最低 腐蚀最为严重 4 防止及减轻的措施 控制或防止高温粘结灰的生成 限制汽温参数 一般不超过540 合理地布置过热器或再热器 使蒸汽出口段不布置在烟温过高处 采取适当的脱硫措施 三 低温受热面的腐蚀低温受热面上的腐蚀多是由于烟气中的硫酸蒸汽冷凝在受热面上所引起 而酸雾的凝结是与烟气的酸露点有直接的关系 为此 先介绍一下酸露点 酸露点 我们知道 水蒸汽遇到冷壁面时 蒸汽将冷凝在表面上 形成一个个的小水珠 烟气中的水蒸汽也会发生同样的过程 如果燃料中不含有硫分 或虽然含硫但不形成SO3 那么尾部受热面上只形成纯水蒸汽分压力时的饱和温度 一般说来 在锅炉尾部 如果燃料在含有硫分 而且燃烧时 有部分SO3生成 SO3与烟气中水蒸汽作用时 会形成硫酸 它能在较高的温度下凝结 其露点温度 称为酸露点温度 用表示 它的数值主要与烟气中的SO3含量有关 当然也与水蒸汽含量有关 例如 若烟气中含有0 005 则露点温度可高达150 与排烟温度相当 但研究表明 酸露点温度并不随SO3的含量的增加线性增加 SO3增加到某一浓度后 进一步提高SO3的含量 酸露点的温度的增加变缓 例如 增加到0 01 后 再增加SO3的含量 酸露点的温度增加得并且不显著 参见图 图4 1烟气露点温度与烟气中酸蒸汽量的关系 但这并不说明 由于酸露点温度的增加变缓 而认为硫酸蒸汽含量超过一定量后 危险性就不会增加 因为 露点温度的高低还不足以表明腐蚀的严重程度 而最主要的是受热面金属低于露点以下部分的硫酸凝结量 烟气酸露点温度虽不能全部表征低温腐蚀的程度 但它毕竟是一个能清楚表征腐蚀是否会发生的指标 在一定程度下也能表征腐蚀的严重与否 所以 若能建立起烟气露点温度与燃料含硫量之间的精确数量关系 就是预先判断和计算各种燃料的酸露点温度的大小 这对于锅炉设计是非常有帮助的 烟气中的SO3是由燃料的硫氧化而得或由硫酸盐的分解而得 但是其含量除和燃料中的含硫量有关外 还和燃料中的灰含量 灰的化学组成 过量空气系数等有关 目前 只有靠经验式来计算酸露点温度 例如 K为与燃料中灰含量 氧化钙 氧化镁含量有关的系数 详见教材P232 2 低温腐蚀 一般情况 主要发生在低温受热面 如空气预器 对工业锅炉 也发生在省煤器上 特点 a有化学腐蚀 如硫酸作用于金属 也有电化学腐蚀 如冷凝后的水蒸汽怀金属作用 b腐蚀产物中主要是低价铁的硫酸铁 如FeSO4 和铁的氧化物Fe2O3及Fe3O4等 c腐蚀速度有时很高 可高达1m a d这种腐蚀部是发生在温度低于酸露点的壁面上 e当壁温处于酸露点和水露点之间时 腐蚀速度并不随硫酸浓度的增大而线性增加 约在浓度56 时达到最大 f当壁面温度达到或低于水露点后 由于有大量的水蒸汽凝结 腐蚀速度急剧增加 壁温低于酸露点30 左右时 腐蚀速度最大 g发受热面上的结灰 有时能加速度腐蚀 有时能抑制腐蚀 但多数情况是促进的 影响因素 a燃料中的含硫量S SO3 b运行时的过量空气系数 O2 SO3 c受热面的金属温度在锅炉的常见尾部受热面壁温范围内 壁温与腐蚀速度一般并不存在线性关系 d烟气的温度一般说来 壁温一定 烟温高 腐蚀速度低 e吹灰方法消除积灰的影响 F锅炉的结构参数和