锅炉低温腐蚀的原因与处理.doc

锅炉低温腐蚀原因的分析摘要船上的锅炉能满足船舶油舱加热的需要，且较为安全，因此船用锅炉的作用不容忽视。它是船舶辅助设备的重要组成部分，故保持其工作状况良好具有十分重要的意义。然而发生在锅炉尾部受热面（省煤器、空预热器）或者水管内的酸性腐蚀却影响到锅炉的使用寿命，缩短着工作人员的维修周期。文章从理论上分析了锅炉低温腐蚀产生的原因，并对其日常维护管理提出了建议。关键词：锅炉、低温腐蚀，空气预热器。AbstractThe boiler on marine ship to meet the needs of heating oil tanks, and more security, so the role of marine boilers can not be ignored. It is the ship an important part of auxiliary equipment, so to maintain its good work of great significance. However, in boiler heating surface (economizer, air preheater) or the acid corrosion of pipes has affected the life of the boiler, reducing the staff of the maintenance cycle. This paper theoretically analyzes the causes of acid corrosion in the boiler, and its daily maintenance and management recommendations.Keywords: boiler, acid corrosion , management.5第一章 前言1.1 研究目的和意义目前，我国国内应用锅炉的行业中，由于煤、石油、天然气等燃料中均含有硫，燃烧时通常会产生硫氧化物，硫氧化物与水蒸气结合后即形成硫酸蒸汽。当锅炉尾部受热面的金属壁面温度低于硫酸蒸汽的凝结点（称为酸露点），就会在其表面形成液态硫酸（称为结露）。长期以来，空气预热器的尾部受热面由于结露而引起的腐蚀时常发生，难以避免。以至于目前在锅炉设计时不得不通过提高排烟温度或使用传热极差的非金属材料（如搪瓷管）来缓解结露和腐蚀现象的产生，并没有从根本上解决问题。而单纯提高排烟温度又势必造成大量低温能源的浪费，无法进一步回收。尽管如此，空气预热器往往在运行一到两年后依旧会出现腐蚀，直至穿孔。这是一个世界性难题。1.2 国内外研究现状目前市场上有许多解决这一问题的方法和技术。例如：复合相变换热技术，对空预器的最低壁温进行控制（设定并可调整），成功地将排烟温度控制在120以下，不仅保证空预器的最低壁面温度不低于95，同时还可以根据锅炉负荷、燃料含硫量、含水量的变化，使壁面温度实现自动调节。实践证明，应用复合相变换技术，不仅保证了空预器安全可靠、大大延长其使用寿命，同时还能够大幅度地降低锅炉排烟温度，节能效益显著1。1.3 研究内容和方法低温腐蚀是发生在锅炉尾部受热面（省煤器、空预器）的硫酸腐蚀，因为尾部受热面区段的烟气和管壁温度较低，所以称为低温腐蚀。 受热面低温腐蚀与壁温和烟气露点有关。烟气露点主要决定于烟气中的硫酸蒸汽的含量，而硫酸蒸汽的含量又取决于S03的含量。烟气中S03的含量主要与燃料中的硫分、火焰温度、燃烧热强度、燃烧空气量、飞灰性质和数量以及催化剂的作用等因素有关。低温腐蚀的速度主要与管壁上凝结下来的硫酸量和硫酸浓度以及受热面壁温有关。一般来说，壁温越高则腐蚀速度越快。当壁温不变时，腐蚀速度将随着硫酸的凝结量和浓度的上升而逐渐增加，但当凝结量达到一定值时，便不再影响腐蚀速度；硫酸浓度一般在56时腐蚀速度最大，之后急剧下降，至浓度为60以上时，将保持在一个相当低的数值上并基本保持不变。锅炉实际运行中，尾部受热面的腐蚀及速度变化是比较复杂的，它是壁温、硫酸凝结量与硫酸浓度三者的综合，当三者的综合影响达最大时腐蚀将最快。由上可知，解决低温腐蚀的方法，可以去除形成引起腐蚀的因素。因此，本文从去除引起低温腐蚀的因素入手，逐一讲解。第二章 锅炉低温腐蚀原因的分析2.1 锅炉低温腐蚀时的表现为充分利用烟气余热，降低排烟温度，提高锅炉热效率，工业锅炉的尾部都加装了空气预热器2。但是作为锅炉尾部的空气预热器，通常是含有水蒸汽和硫酸蒸汽的低温烟气区域，工作条件比较恶劣，容易出现低温腐蚀。空气预热器受热面发生低温腐蚀时，不仅使传热元件的金属被锈蚀掉造成漏风增大，而且还因其表面粗糙不平和具有粘性产物使飞灰发生粘结，由于被腐蚀的表面覆盖着这些低温粘结灰及疏松的腐蚀产物而使通流截面减小，引起烟气及空气之间的传热恶化，导致排烟温度升高，空气预热不足及送、引风机电耗增大，会造成空气预热器管子泄漏损坏，造成严重漏风，引起燃烧工况恶化。若腐蚀情况严重，则需停炉检修，更换受热面，这样不仅要增加检修的工作量，降低锅炉的可用率，还会增加金属和资金消耗，而且影响了锅炉的正常运行，冷空气进入烟气侧，还会降低烟温，加速低温腐蚀及堵灰的速度，从而影响锅炉安全运行3。2.2腐蚀介质的来源及其腐蚀的化学机理有关资料表明，燃料中的硫在炉膛燃烧区形成SO2后，有67的SO2转化为SO3，并和水蒸气结合生成H2SO4蒸汽。根据燃料含硫量、火焰温度与燃烧强度、过量空气系数的不同，烟气中H2SO4蒸汽的体积浓度一般在几十个ppm数量级以下： SO2OSO3 （3） 2SO2O22SO3（4） SO3H2OH2SO4（5）式（3）反应在炉膛发生，炉膛温度越高、过量空气系数越大，反应越快；式（4）在钢材壁面温度高于450的烟道内，在Fe2O3、V2O5等的催化作用下发生，低温烟道内几乎不发生。因此，可以认为真空锅炉内SO3只来源于式（3）反应，其浓度至少应比管壁温度高达500600的电站锅炉低。烟气中水蒸气的露点温度（称为水露点）根据水蒸气的多少，一般在3060。但是，烟气中H2SO4蒸汽的露点温度（称为酸露点）却比水露点明显高，且随着烟气中H2SO4蒸汽浓度和水蒸气含量的增加而升高，既是烟气中只有很微量的SO3，其酸露点也显著高于水露点。烟气开始结露的温度称为即烟气露点。由于烟气中不可避免的存在微量的SO3，所以烟气露点一般实际就是酸露点。当金属壁面温度低于烟气露点时，H2SO4蒸汽在壁面上凝结成H2SO4溶液。当壁面温度低于水露点时，烟气中的SO2和凝结水结合生成亚硫酸H2SO3，并进而很快氧化成H2SO4，这是金属壁面上H2SO4溶液的另一个来源，发生化学反应如下：SO2H2O（液体）H2SO3（溶液） （6）H2SO3（溶液）OH2SO4（溶液） （7）金属壁面上凝结的H2SO4溶液，发生如下化学反应，钢材中的Fe原子被消耗，即开始发生腐蚀：H2SO4（溶液）Fe（钢）FeSO4H2（8）另外，烟气中可能含HCl气体，壁面温度低于水露点时，将溶于水生成盐酸，发生如下腐蚀反应： 2HCl（溶液）Fe（钢）FeCl2H2 （9）2.3影响低温腐蚀的因素首先，必须明确腐蚀是一个工程概念，而在工程范畴内离不开“宏观量”和时间的概念,或是说速度的概念。假设上述式（8）反应的结果是一年只消耗去了两三个Fe原子，则只能说存在这样的化学反应，不能说成是发生了真正意义上的腐蚀。而上述式（8）反应能够消耗“宏观量”的Fe原子的前提是在钢材壁面上必须有“宏观量”的H2SO4溶液存在。即：钢材壁面上凝结成的H2SO4溶液必须达到一定量后，才有发生真正意义上腐蚀的可能5。其次，具备了在钢材壁面上凝结“宏观量”H2SO4溶液的前提条件后，是否真正能消耗“宏观量”的Fe原子，又与上述化学反应速度有关。而上述反应速度又受H2SO4溶液浓度和溶液温度的影响。H2SO4溶液与钢材发生腐蚀化学反应时单位表面积每小时消耗Fe原子的量与浓度和温度存在一定的关系。首先,我们假设腐蚀速度低于w1 ( 如0.3mm年)为弱腐蚀，高于w2 （如0.5mm/年）为严重腐蚀，在w1到w2之间为明显腐蚀。在金属壁温高于酸露点tls时，由于没有结露，不发生式（8）反应；在金属壁温下降到酸露点tls时，金属壁面上开始凝结浓度高达80%以上的酸液，虽然式（8）反应开始发生，但由于酸量少且浓度太高，直至B点以前消耗Fe原子的速度都很慢；在B点温度以下，随着壁温的逐渐降低，凝结的酸量逐步增多且浓度逐渐下降到了接近56，式（8）反应消耗Fe原子的速度明显加快，虽然随着壁温的降低凝结酸量还在进一步增多且浓度仍在56左右，但温度对式（8）反应的影响超过了酸量增加的影响，消耗Fe原子的速度开始降低，壁温降低造成酸量增加的影响又占了上风，Fe原子的消耗速度又开始上升，直至到达水露点tsh时，水蒸气开始凝结，式（6）和式（7）的反应以及盐酸出现，造成酸量急剧增多，并出现式（9）反应，Fe原子的消耗速度急剧加快，迅速到达J点以上。上述分析可知，明显及严重腐蚀发一个壁温范围内，即壁温在低于露点约30到120的区间和壁温低于水露点的区间。而在这两个区间之间，从水露点到约120的壁温范围内，腐蚀很微弱；据国外资料记载，在壁温高于水露点20到105范围内，受热面金属腐蚀的速度每年不到0.2mm。另外，在从酸露点及其以下约30的壁温范围内，腐蚀也很微弱；特别是在酸露点附近，腐蚀极其微弱。这样，就可得出三个结论：一是受热面上任何一点的壁温不一定非要都高于烟气露点；二是如果受热面上某一点的壁温低于烟气露点，只要高于烟气露点以下约30，腐蚀也很微弱；三是如果受热面上某一点的壁温低于烟气露点以下30，只要在水露点以上20到105的范围内，腐蚀也很微弱。从酸露点到水露点之间，硫酸凝结量越来越多，到水露点时达到最大值，而水露点以后壁面上酸量的增加是由凝结水吸收SO2和HCl引起的。备硫酸蒸气凝结的条件，不依赖于壁温，在壁温与酸露点相等时腐蚀最快且比烟气温度大连水产学院本科毕业论文锅炉低温腐蚀的具体因素及消除方法高于酸露点时要快；随后腐蚀速度受壁温的影响下降，直至水露点时为最低，且最低点的腐蚀速度要快于烟温高于酸露点时的情况，从水露点以后腐蚀速度急剧加快。这样，我们又可以得出两个结论：一是在烟温低于酸露点但高于水露点时，受热面任何一点的壁温一定要明显低于烟气露点并高于水露点；二是如果某一点的壁温低于水露点，或是接近烟气露点，低温腐蚀都会明显发生6。由此可见，在我们的工作中经常出现两个错误概念：一是错误的强调“锅炉排烟温度要高于烟气露点温度”，殊不知影响低温腐蚀的是受热面的壁温不是烟温；二是一味强调“尾部受热面的温度要高于烟气露点温度”，其实在低于烟气露点温度的情况下，也能够做到基本不发生低温腐蚀。这是关于低温腐蚀概念上的的两个误区。 8第三章 锅炉低温腐蚀的具体因素及消除方法锅炉燃用的燃料中都含有一定的硫分,燃烧时会生成SO2,其中一部分SO2进一步被氧化成SO3,当带有SO3的烟气流经尾部受热面时,如果尾部受热面的壁温低于酸露点,烟气中的水蒸气即在管壁上凝结成水,烟气中的SO3气体溶于水中,形成H2SO4溶液,从而腐蚀管壁金属,这种腐蚀即为低温腐蚀。3.1低温腐蚀的具体因素：3.1.1烟气露点烟气对受热面的低温腐蚀程度常用酸露点的高低来确定。烟气中硫酸蒸汽的凝结温度被称为酸露点。酸露点越高,腐蚀范围愈广,腐蚀也越严重。通常用经验公式1-1来确定烟气的酸露点：其中:tl烟气的酸露点,;tsl按烟气中水蒸气的分压力计算的水露点,即烟气中,水蒸气分压力下所对应的饱和温度,;syzs、Ayzs:应用基燃料的折算硫分和折算灰分;!fh:飞灰系数。从上式可以看出,酸露点随燃料中硫的含量提高而增大。常压下燃用固体燃料的烟气中,水蒸汽的分压力PH2O=0.01-0.015,在此压力下,水露点低至4554,随着烟气中SO3含量的提高,酸露点提高。燃用高硫煤时,酸露点可达140-160甚至更高。这样,一旦受热面壁温低于酸露点温度,低温腐蚀就形成了。3.1.2烟气中SO3的含量烟气中SO3的含量是影响低温腐蚀的主要因素。这是因为随着烟气中SO3含量的增加,一方面会使烟气露点上升,另一方面会使硫酸蒸汽含量增加。前者使受热面容易结露引起腐蚀,后者使腐蚀程度加剧7。烟气中SO3的形成有以下三种途径:第一,在炉膛高温作用下,部分氧分子分解离散成原子状态,原子氧将SO2氧化成SO3;第二,烟气流过对流受热面时,烟气中的SO2在钢管表面的氧化铁膜Fe2O3的催化作用下,与烟气中的剩余氧结合成SO3;第三,燃煤中的硫酸盐在燃烧时会分解出一部分SO3。同时,影响SO3生成量的因素如下。3.1.2.1过量空气系数过量氧的存在是SO2氧化为SO3的基本条件。所以,过量空气系数越大,过剩氧越多,SO3也越多。当过量空气系数降到1.05时,烟气中SO3生成量显著减少,其含量接近或小于危害浓度。3.1.2.2燃烧工况近几年来，锅炉燃料的供给一直是炼油厂的渣油和采油厂原油稳定站生产的重油，其粘度高、比重大、燃点低、品质差。过高的粘度致使燃油器喷射时雾化不良，恶化了燃料状况。重油燃烧不充分，容易产生炭灰。重油的燃烧必要条件是与空气混合均匀，充分雾化，与空气混合时要风量大，而操作时锅炉的鼓风机配风量达不到要求，造成重油喷射到火焰中心区不能充分扰动，炉内燃烧混合气重油又不能完全燃烧，而燃烧工况会影响火焰中心和火焰末端温度。如果中心温度高,原子氧的含量就高,因此生成的SO3多;相反,如果火焰末端温度高,此时生成的SO3又分解了。因此,为了降低SO3的生成量,火焰中心温度不宜过高,同时火焰不宜拖的太长。3.1.2.3 燃烧方式在燃料含硫量相同的情况下,燃油炉的烟气露点要比煤炉高。3.1.3 硫酸浓度、管壁上凝结的酸量以及管壁温度研究表明2,管壁上凝结下来的硫酸浓度、酸量以及管壁温度与低温腐蚀的速度有关。凝结酸量越多,腐蚀速度越快,但当凝结酸量大到一定程度时, 再增加凝结酸量也不会影响腐蚀速度;金属壁温越高, 腐蚀速度也越快;硫酸浓度与腐蚀速度不是成正比关系, 当硫酸浓度较低时, 碳钢的腐蚀速度随酸浓度增大而上升, 到浓度为56% 时, 腐蚀速度最高, 此时再增加硫酸浓度, 腐蚀速度基本不变并保持一个非常低的数值。原因是硫酸的浓度达到56% 以上时, 在碳钢表面形成了一层钝化膜, 从而使腐蚀速度大大降低。3.1.4锅炉运行负荷的影响2t/h的燃油锅炉在额定负荷下运行，排烟温度在230度时，到烟囱出口处的温度仍有202-180度，这个温度范围要远高于露点，烟气中不会有水蒸气冷凝的现象。但是这类锅炉的负荷是不稳定的，随外界的使用的热量而波动，且经常不在满负荷下运行。若锅炉在低负荷下运行，则排烟温度也随之降低。排出的烟气还没到达烟囱的出口，温度就接近或低于水的露点则是完全可能的。3.2防止和减轻低温腐蚀的方法3.2.1 提高受热面壁温,使壁温在酸露点以上为了保证锅炉的经济运行,排烟温度的提高受到限制。提高壁温最常用的方法是提高入口空气温度,通常在燃用高硫燃料的锅炉中加装暖风器或采用热风再循环。但是进风温度越高,排烟温度也会越高, 排烟热损失就越大;还可能会增加送风机的电耗。为了提高进风温度,又让排烟温度控制在经济范围内,提出了新的空气预热器系统多级加热空气预热器。它与暖风器的不同之处在于, 风机送入的冷空气并不全部通过暖风器, 而是部分通过, 加热后进入第一级空气预热器, 其余的送风机则进入旁路,在第一级空预器后的混合器中与热空气混合,混合后一起进入二级空预器。多级加热空预器的特点是使冷空气逐步与主流热空气混合, 并且混合比是可以调节的,综合考虑运行能耗及投资,一般建议系统不宜超过三级。相对于暖风器而言, 多级加热空气预热器受热面积减少, 耗汽量降低,体积缩小近一倍。3.2.2 低温受热面采用耐腐蚀材料为了解决低温腐蚀问题,燃用高硫燃料的锅炉中, 低温段的管式空预器常采用耐腐蚀的玻璃管; 回转式空气预热器采用耐腐蚀的搪瓷波形板或用搪瓷材料制造冷端受热面。由于抗腐蚀材料不能防止低温粘结积灰,因此必须加强吹灰。3.2.3 采用降低露点或抑制腐蚀的添加剂(石灰石或白云石) 将添加剂混入燃料或直接吹入炉膛或过热器后的烟道中,添加剂会分解生成CaO,CaO 与烟气中的SO3发生作用生成硫酸钙, 从而降低烟气中SO3分压力,减轻低温腐蚀。3.2.4 降低过量空气系数和减少漏风烟气中的过量氧会增大SO3的生成量。无论是送入炉膛的助燃空气还是烟道的漏风, 对SO3的生成量都有影响。因为在烟气流程中,只要有过剩氧的存在,SO2仍能继续变为SO3。因此,为防止低温腐蚀尽可能采用较低的过量空气系数和减少烟道的漏风, 降低过量空气系数还可以提高锅炉效率,但前提应保证燃料的完全燃烧。3.2.5 可以加氨中和SO3,降低烟气露点由于氨是气体, 在烟气中的扩散和化学反应很快。所以,它的用量小,且注入装置简单。但要注意喷射地点的选择,以免尾部受热面积灰。因为氨在600以上开始分解, 在150以上才和SO2发生反应, 所以氨喷射点的温度应在200600之间。同时,NH4HSO4 与活性强, 它能在壁温高于露点的情况下腐蚀金属。所以,采用加氨中和SO3,应该提高加氨量,以免形成NH4HSO4。3.3 故障排除过程通过综合分析,引起锅炉低温腐蚀的最大可能的原因是受热面的温度低于流酸的露点温度8。 提高受热面壁温，使它高于烟气露点温度。常用方法有：热风再循环，提高空气预热器入口温度；加装暖风器，采用蒸汽加热空气；提高锅炉的出口水温，将锅炉的出水回水温度由9570改为13070。于此同时也要注意及时吹灰。 参考文献第四章 锅炉日常管理注意事项4.1及时吹灰燃油不完全燃烧会生成炭粒，有序易附着在受热面上，燃烧不良时可能占积灰的80%-90%，积灰呈酸性，有腐蚀性；而且妨碍传热，会使锅炉效率下降；严重时还会堵塞烟道使锅炉不能正常运行，在一定条件下尾部烟道积灰还会着火，烧环受热面。4.2根据说明书要求定期检验锅炉检验的内容不但包括锅炉本体主要部件，而且还包括主要的附件和指示仪表，例如水们计，安全阀，压力表等9。检难的目的也不仅是找出可能存在的腐蚀、裂纹、变形等损环处，确定是否要修理和修理的范围，而且还要研究其产生的原因和以后如何改善管理。4.3保证良好的锅炉水质在锅炉的管理中，定期对给水和锅水进得化验与处理不可忽视，水质控制得好，可显著减轻水垢生成，并防止汽水共腾和腐蚀发生，有利于锅炉安全、高效运行和延长使用年限。4.4保证良好的燃烧状态燃烧质量可以通过观察炉膛内火焰颜色、火炬 关及排烟的颜色来判断。燃烧良好时火焰呈橙黄色，炉膛内略显透明，依稀可见炉膛的后壁；烟箩筐排烟显浅灰色。如果炉内火焰发白，炉膛内透明，色淡的几乎看不见，则表明空气量太多。如发现火锅呈暗红色，火焰伸长跳动并带有火星，炉内模糊不清，烟色加深以至浓黑，则表明空气量太少或燃油雾化不良，与空气混合不好。4.5维护好燃烧设备和系统注意保持燃油柜的油位和油温正常，定时开启油柜泄放阀泄放沉淀的水和污渣10；保持燃油系统的油压和维护喷油器，使之雾化良好，检查咬紧牙关油器的们置和雾化角是否合适，以免在喷火口、稳焰器和喷油器顶端结炭；风机及风道应及时清洁，风门调节机构定期注油保持活络11。4.6维护好蒸汽管路及阀门检查蒸汽分配箱的减压阀，防其减压失灵损环低压蒸汽设备；阀门杆填料泄漏应及时更换，关不严的阀应及时研磨或换新；蒸汽管路的隔热层脱落应及时修补，漏汽