锅炉尾部受热面的积灰磨损和腐蚀的预防和检修.docx
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锅炉尾部受热面的积灰磨损和腐蚀的预防和检修
锅炉尾部受热面的积灰、磨损和腐蚀的预防和检修
高俊义
摘要：
大容量锅炉尾部受热面的积灰、磨损和腐蚀时有发生，对锅炉机组的安全、经济、稳定运行产生很大影响，本文主要阐述了大容量锅炉受热面积灰、磨损和腐蚀的原因、预防措施及发生这些缺陷后的一些处理方法。
关键词：
受热面积灰磨损腐蚀预防检修
1前言
我国电站锅炉和工业锅炉以燃煤为主，而动力用煤质量偏劣，含灰量和含硫
量等均较高，容易形成受热面的沾污、积灰、腐蚀和磨损。
这将会给锅炉带来很多的问题，如积灰的清除、传热条件变差、受热面的寿命下降等问题。
目前，随着锅炉容量的增大，炉内沾污、结渣、腐蚀等问题更为严重。
这是由于如下众多的因素引起的：
炉膛容积增大，清灰困难，烟道尺寸增大，烟速和烟温容易分布不均匀；
灰分的烧结性能是表征积灰特性的重要因素。
在燃用灰分烧结强度较大的煤时，灰分坚实，积灰牢固地粘着在管子上，难以消除，并容易使烟道堵塞。
烧结强度低的灰分则容易吹扫干净或被气流带走。
灰分的烧结强度与其温度、灰分中的碱的含量（特别是钠的含量）以及灰分的烧结时间等因素有关，而与灰的熔化温度关系不大。
灰分的温度越高以及烧结时间越长，其烧结强度也就越高，灰分中的碱的含量越多，其烧结强度也越大。
2.4高温腐蚀的机理
过热器和再热器受热面上的内灰层，不仅是高温积灰得以发展的重要原因，而且也是过热器和再热器高温腐蚀的根源。
过热器和再热器的高温腐蚀，又称煤灰（引起的）腐蚀。
如上所述，高温积灰所生成的内灰层，含有较多的碱金属，它与飞灰中的铁、铝等成分以及烟气中通过松散外灰层扩散进来的氧化硫的较长时间的化学作用，便生成碱金属的硫酸盐。
干灰并没有腐蚀作用；熔化或半熔化状态的碱金属硫酸盐复合物，对过热器和再热器的合金钢会产生强烈的腐蚀。
这种腐蚀大约众540～620度时开始发生，灰分沉淀物的温度越高，腐蚀速度就越强烈，约在700～750度时腐蚀速度最大。
所以这种腐蚀大多数发生在高温级过热器和再热器的出口管段。
灰分沉淀物的温度由烟气温度管壁金属温度估计，过热器和再热器的外部腐蚀集中在管子迎风面并与气流方向成30～100度角的部位。
高温腐蚀还与燃料的成分有关，高碱和高硫燃料，腐蚀比较严重。
燃料中的氯对合金钢，特别是不锈钢也有腐蚀作用。
当燃烧重油时，高温过热器和再热器可能发生钒腐蚀。
这种腐蚀是在管壁温度超过610～620度的情况下发生的。
它与烟气中的五氧化二钒有关。
当重油中有氧化钠时，烟气中会生成钒酸钠，它具有很低的熔点（约600度）。
当过热器管子表面温度高于610度时，它会生成对各种钢（碳钢、低合金钢、奥氏体钢）都具有侵蚀作用的液膜。
温度接近于烟气温度的过热器支吊架元件也遭受到钒的强烈腐蚀。
2.5防止高温腐蚀的措施
锅炉烟气侧的高温腐蚀主要可以分为两大类，一类是硫腐蚀，另一类是钒腐蚀
2.5.1硫腐蚀包括硫酸盐腐蚀和硫化物腐蚀。
为了防止水冷壁的高温腐蚀，必须采取措施抑制腐蚀物质的产生，或者防止腐蚀条件的形成。
具体的技术措施有：
①改善燃烧条件，过剩空气系数不宜过小，防止火焰直接接触管壁。
②控制管壁温度，防止管内结垢和炉膛水冷壁受热面热负荷局部过高。
③引入空气，使炉膛贴壁处有一层扭送化性气膜，以便冲淡烟气中的三氧化硫浓度，并且使结积层中分解出来的三氧化硫向外扩散而不向内扩散。
④采用渗铝管作水冷壁。
因为渗铝管表面生成三氧化二铝保护膜，这层保护膜具有抗高温硫腐蚀的作用。
为防止过热器和再热器的高温腐蚀，可以采取措施控制管壁温度，使复合硫酸盐不呈熔化状态。
目前，国内外主要采用的办法是，限制过热蒸汽参数。
对超高压和亚临界压力机组，趋向于把蒸汽温度定为540度。
在设计布置过热器时，应注意蒸汽出口段不要布置在烟温过高的部位。
也可以采用镁、铝等氧化物添加剂，提高结垢物的熔点。
引外，还可以采用各种实用的耐蚀合金材料。
2.5.2防止钒腐蚀的技术措施
锅炉燃用含钒、钠较高的油时，在过热器和再热器的管壁上，可能出现五氧化二钒含量较高的高温积灰，它可以腐蚀受热面的金属，这种腐蚀称为钒腐蚀。
为了防止钒腐蚀，应当采取的措施有：
①采用低氧燃烧技术，低氧燃烧可以降低烟气中的氧浓度，防止金属的氧化和钒生成五氧化二钒。
②控制管壁温度，使它低于开始出现高温腐蚀的温度，因此，应控制过热蒸汽温度，以不超过540度为宜，应将易受钒腐蚀的部件尽可能布置在低温区。
③加添加剂，比如喷加白云石，可以使高铬钢过热器管的腐蚀速度降低1/2或1/3，其缺点是受热面可能堵灰。
④采取措施进行燃料处理，以除掉硫钒等有害物质。
3低温积灰和低温腐蚀
3.1积灰产生的原因：
当带灰的烟气流经各个受热面时，部分灰粒会沉积到受热面上而形成积灰，这是锅炉中常见的现象。
3.1.2积灰的危害：
积灰会影响传热和烟气的流通，尤其是通道截面较小的对流受热面，严重的积灰还会堵塞烟气通道，以致降低锅炉出力甚至被迫停炉。
3.1.3积灰的形式：
在烟温低于600—700的尾部受热面上的积灰，大多是松散的积灰。
这是因为烟气中碱金属盐蒸汽的凝结已结束，在受热面管子外表面不再会有坚实的沉积层。
这时的积灰可能有两种不同的情况：
一是由于气流扰动使烟气中携带的一些灰粒沉积到受热面上，形成松散积灰层；另一种是由于烟气中酸蒸汽和水蒸气在低温金属壁面上凝结，将灰粒粘聚而成的积灰。
3.1.4积灰的机理：
烟气中的灰粒是一种宽筛分组成，但大都小于200µm，其中多数为10~30µm。
当含灰气流横向冲刷管束时，管子背风面产生旋涡运动。
较大的灰气流由于惯性大，不会被卷进去。
进入旋涡并沉积在管子背风面上的大都是小于30µm的灰粒子。
灰粒子之所以粘附到管壁表面，是由于金属表面层原子的不饱和引力场所引起的。
灰粒越小相对表面积越大，当它与表壁接触时，就能很容易地被吸附到金属表面上。
但灰中极微小的无惯性组分，可以沿气流的流线运动，在受热面上沉积的可能性也不大。
事实证明，沉积在受热面上的主要是10~30µm的灰粒。
对流受热面上的积灰，主要集中在管子的背风面，而迎风面较少。
这是因为管子的正面部分从一开始就受到大灰粒的打击，因此只有在烟速很低或飞灰中缺乏大颗粒时才出现积灰。
而在管子的侧面，由于受到飞灰的强烈磨损，即使在很低的烟气速度下也不会有灰沉积。
灰粒在受热面的沉积，最初增加很迅速，但很快达到动平衡状态。
这时，一方面仍有细灰沉积，另一方面烟气流中的大灰粒又把沉积到受热面上的细灰粒剥落下来。
达到积聚的灰和被大颗粒冲刷掉的灰相平衡时，就处于动平衡状态，积灰就不会再增加了。
只有当外界条件改变，如烟气速度变化时，才会改变积灰情况，一直到建立新的动平衡为止。
3.1.5影响积灰的因素：
3.1.5.1受热面上松散灰的积聚情况与烟气速度有关。
随着烟气速度的增大，管子背风面积灰逐渐减少，而迎风面甚至可能没有积灰，如图所示。
这是因为在错列管束中气流的扰动随烟速升高而加剧。
气流速度升高时，松散气流将被吹走。
错列管束管子纵向节距越小，气流扰动越大，气流冲刷管子背风面的作用越强，管子的积灰也就越小。
反之在顺列管束中，除第一排管束外，烟气冲刷不到管子的正面和背面，只能冲刷管子的两侧。
因此，不管正面或背面均会发生较严重的积灰。
这也是省煤器较多地采用错列布置的一个原因。
w1>w2>w3
不同烟速下错列管束的积灰情况
研究还表明，积灰程度与气流横向冲刷受热面的方向无关。
不论气流自上而下或自下而上，或者在水平方向流动，结果是一样的。
当烟气流速降低到2、5~3m/S时，就很容易发生受热面堵灰。
考虑到锅炉可能降低负荷运行，那么在设计锅炉时，额定负荷下尾部受热面的烟速应不低于6m/s。
这样就可避免在低负荷运行时，因烟速过低而发生堵灰。
注意：
烟速也不能太高，否则受热面将受到严重的飞灰磨损。
3.1.6防止受热面积灰的措施：
3.1.6.1受热面的布置应优先考虑错列布置，加强气流的扰动，可相当程度上避免积灰。
3.1.6.2保证一定的烟速，额定负荷下尾部受热面的烟速应不低于6m/s，可以避免低负荷下积灰。
3.1.6.3安装冲灰器，定期对尾部受热面进行吹扫，使灰尘随着烟气流带走。
3.1.6.4在尾部受热面尽量使固定管排的管卡规整，防止因管卡及梳形板安装位置不对或变形而产生积灰。
3.2低温腐蚀
3.2.1产生腐蚀的机理
烟气进入低温受热面后，其中的水蒸汽可能由于烟温降低或在接触温度较低的受热面时发生凝结。
烟气中水蒸气开始凝结的温度称为水露点。
纯净水蒸气的露点决定于它在烟气中的分压力。
常压下燃用固体燃料的烟气中，水蒸气的分压力PH2O=0.01~0.015Mpa，水蒸气的露点低达45~54℃。
可见，一般不易在低温受热面发生结露，但如果凝结时可能使受热面金属产生氧腐蚀。
当含用含硫燃料时，硫燃烧后形成二氧化硫，其中一部分会进一步氧化成三氧化硫。
三氧化硫与烟气中的水蒸气结合形成硫酸蒸汽。
烟气中的硫酸蒸汽的凝结温度称为酸露点。
它比水露点要高很多。
烟气中的三氧化硫（或者说硫酸蒸汽）含量越多，酸露点就越高。
酸露点可达140~160℃甚至更高。
烟气中硫酸蒸汽本身对受热面金属的工作影响不大。
但当它在壁温低于酸露点的受热面上凝结下来时，就会对受热面金属产生严重腐蚀作用。
这种由于金属壁温低于酸露点而引起的腐蚀称为低温腐蚀。
3.2.2低温腐蚀产生的条件
烟气中的二氧化硫进一步氧化成三氧化硫是在一定条件下发生的：
3.2.2.1在炉膛高温作用下，部分氧分子会离解成原子状态，它能将二氧化硫氧化成三氧化硫。
因此，火焰中心温度越高，过量空气越多，火焰中氧原子的浓度也就越大，生成的三氧化硫就会越多。
3.2.2.2烟气流过对流受热面时，二氧化硫会遇到一些催化剂，如钢管表面的氧化铁膜、受热面管子上的沉积物或燃油时可能出现的V2O5等。
受到催化作用后的
二氧化硫与烟气中剩余的氧结合面生成三氧化硫。
3.2.2.3燃煤中的硫酸盐在燃烧时会分解出一部分三氧化硫，但它在三氧化硫总量中所点的比例甚小。
烟气中的三氧化硫数量为二氧化硫的0.5～5.0％，占烟气总容积的0.002％～0.010％。
3.2.3烟气露点的确定
烟气对受热面的低温腐蚀常用酸露点的高低来表示。
露点愈高，腐蚀范围愈广，腐蚀也愈严重。
烟气的酸露点与燃料含硫量和单位时间送入炉内的总硫量有关。
单位时间送入炉内的总硫量是随着燃料发热量降低而增加的，两者对露点的影响综合起来可用折算硫分来表示。
折算硫分越高，燃烧生成的二氧化硫就越多，进而三氧化硫也将增多，致使烟气酸露点升高。
燃烧固体燃料时，烟气中带有大量的飞灰粒子。
灰粒子含有钙和其它金属的化合物，它们可以部分地吸收烟气中的硫酸蒸汽，从而可以降低它在烟气中的浓度。
由于烟气中硫酸蒸汽分压力的减小，酸露点也就降低。
因此一般的来说，层燃炉烟气露点要比煤粉炉高。
3.2.4低温腐蚀的危害：
强烈的低温腐蚀通常发生在低温段空气预热器中空气和烟气温度最低的区域。
低温腐蚀造成空气预热器受热面管子穿孔，空气大量漏到烟气中，致使送风不足，炉内燃烧恶化，锅炉效率降低；同时腐蚀也加重堵灰，使烟道阻力增大。
严重影响锅炉的经济运行。
3.2.5腐蚀与堵灰
锅炉受热面的壁温低达酸露点时，受热面上将会凝结出液态硫酸，它不仅会腐蚀金属，而且还会粘结烟气中的灰粒子，使其沉积在潮湿的受热面上，严重时将造成烟气通道堵灰。
同低温腐蚀一样，它也主要发生在低温段空气预热器。
如果除尘器入口烟温低到酸露点时，也会造成除尘器堵灰。
堵灰不仅影响传热，使排烟温度升高，降低锅炉运行经济性，而且由于烟气阻力剧增，致使引风机过载而限制了锅炉出力，甚至造成设备损坏而被迫停炉。
腐蚀和堵灰往往是互相促进的。
堵灰使传热减弱，受热面金属壁温降低，而且350℃以下沉积的灰又能吸附SO3，这将加速腐蚀过程。
空气预热器受热面腐蚀
泄露后，将发生漏风。
漏风使烟温进一步降低，从而加速腐蚀和堵灰过程的进展，以形成恶性循环。
3.2.6低温腐蚀的减轻与防止
3.2.6.1提高空气预热器受热面的壁温
这是防止低温段腐蚀最有效的办法，要提高壁温就要提高排烟温度和入口空气温度，以及降低空气侧和烟气侧放热系数的比值。
提高排烟温度虽然可使壁温升高腐蚀减轻，但却增加了排烟热损失，而使锅炉经济性降低。
因此排烟温度的升高是有限度的。
实践中提高壁温最常用的方法是提高空气入口温度。
在燃烧高硫燃料的锅炉中采用暖风器或热风再循环，把冷空气温度适当提高后，再进入空气预热器。
另一种提高预热器入口空气温度方法是采用暖风器。
暖风器装在送风机与预热器之间。
它本身是一种管式加热器，利用汽轮机的抽汽来加热冷风，采用这种方式仍会使锅炉排烟温度所升高。
3.2.6.2冷端受热面采用耐腐蚀材料
近年来，为克服低温腐蚀，国内在燃用高硫燃料的锅炉中，管式空气预热器的低温段采用耐腐蚀的玻璃管；回转式空气预热器中采用耐酸的搪瓷波形板或用陶瓷材料制造冷端受热面。
这些措施在防止受热面金属腐蚀方面都有一定成效。
3.2.6.3采用降低露点或抑制腐蚀的添加剂
目前，使用添加剂只在燃油炉和沸腾炉上取得一定效果。
使用最广的添加剂是石灰石或白云石。
粉末状的白云石混入燃料中或直接吹入炉膛或吹入过热器后的烟道中，它会与烟气中的三氧化硫发生作用而生成硫酸钙和硫酸镁，从而能降低烟气中三氧化硫的分压力，减轻低温腐蚀。
应生成的硫酸盐是一种松散的粉尘，必须加强吹灰来予以清除。
但长期使用仍会使受热面积灰增多、污染加生，影响传热。
3.2.6.4降低过量空气系数和减少漏风
烟气中过剩氧会增大SO3生成量。
无论是送入炉膛的助燃空气还是烟道的漏
风，对SO3生成量都有影响。
因为在烟气流程中，只有过剩氧存在，SO2仍能继续转
变为SO3。
因此，为防止低温腐蚀应尽可能采用较低的过量空气系数和减少烟道的
漏风。
降低过量空气还可提高锅炉的热效率。
4受热面的飞灰磨损
4.1磨损的原因
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携带有灰粒和未完全燃烧燃料颗粒的高速烟气通过受热面时，粒子对受热面的每次撞击都会剥离掉极微小的金属屑，从而逐渐使受热面的管壁变薄，这就是飞灰对受热面的磨损过程。
烟速越高，灰粒对管壁的撞击力就越大；烟气携带的灰粒越多（飞灰浓度越大），撞击的次数越多。
结果都将加速受热面的磨损。
长时间受磨损而变薄的管壁，由于强度降低很容易造成管子损坏。
这不仅会引起受热面管子漏泄，影响锅炉的安全运行，而且检修时还要花费大量的工时和钢材来修复或更换被磨损的部件。
4.2灰粒对受热面的磨损机理：
灰粒对受热面的撞击力可分为垂直分力（法线方向）和切线分力（切线方向）。
垂直撞击力引起撞击磨损，切向分力引起摩擦磨损。
当灰粒斜向撞击受热面时，管子表面既受撞击磨损又受摩擦磨损，两者的大小决定于灰粒对受热面的撞击角度。
4.3受热面磨损的部位：
受热面的磨损是不均匀的，不仅是烟道截面不同部位的受热面磨损不均，而且沿管子周界磨损也是不均匀的，所以严重的磨损都发生在某些特定的部位。
譬如，烟气横向冲刷错列布置的受热面（如省煤器）管子时。
最大磨损发生在管子迎风面两侧300—500范围内。
烟气在管内纵向流动时（如管式空气预热器），磨损情况减轻很多。
这时只在管子进口约150—200mm长的一段内，磨损较为严重。
这是因为在管子进口段气流尚未稳定，由于气流的收缩和膨胀，灰粒较多地撞击管壁的缘故。
在以后的管段中，气流稳定，灰粒运动方向与管壁平行，故管壁磨损减轻。
横向冲刷时，管束排列方式不同，磨损情况也不一样。
错列管束要比顺列管束磨损严重。
在错列管束中第二排管子磨损要比其它各排更严重。
这是因为第一排管子前的烟气流速较低，受灰粒的撞击较轻。
在第一排管子之后，气流速度增大，第二排管子受到更大的打击。
固体灰粒撞击到第二排管子后，动能减少，因此以后各排管子的磨损又减轻。
顺列管束磨损较轻，这是因为后面的管子受到前面管子的屏蔽而处于“死角”中。
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实际上，在一组受热面中磨损是不均匀的，凡是烟速较大或飞灰浓度较大的部位，受热面的磨损就较为强烈。
例如靠近墙壁的管子弯头部分，由于这些地方缝隙较大，烟速较高而形成严重的局部磨损。
当烟气经水平对流烟道转入下行尾部烟道时，由于气流转弯，飞灰被抛向后墙附近，使这里的飞灰浓度增高，因而靠近后墙的管子就会受到更大的磨损。
4.4磨损与灰粒动能的关系
受热面金属表面的磨损正比于飞灰粒的动能和撞击次数。
飞灰粒的动能同速度的平方成正比，而撞击次数同速度的一次方成正比。
这样，管子金属的磨损就同烟气流速的三次方成正比。
可见烟速的大小对受热面磨损的影响是很大的。
4.5避免磨损采取的措施
4.5.1为避免受热面过大的磨损，最主要的是正确地选取烟气流速，同时也应尽量减少速度分布不均。
适当提高烟速可以提高受热面的传热效果，节省钢材，但将增大通风阻力和飞灰磨损。
锅炉设计中，对于烟气横向冲刷管束，额定负荷下的烟速不应低于6m/s。
这样在低负荷运行时，烟速可不低于3m/s。
烟气纵向冲刷受热面时（如管式空气预热器），取用的烟速应不低于8m/s。
但为防止严重磨损，烟速也不应过大。
而这又同烟气中的飞灰浓度、飞灰磨损特性以及受热面的容许磨损速度等有关。
根据调查、实践经验及技术分析，省煤器中的烟速不宜超过9m/s，否则会引起严重磨损（受热面每年磨损达0、5—0、6mm）。
4.5.2减少烟气中飞灰浓度，特别是防止局部浓度过高，也是避免严重磨损的有效方法。
另外，加装炉内除尘设备也可使进入尾部烟道的飞灰量有所降低，磨损减轻。
4.5.3加装防磨装置
尽管选取的烟速并不过大，但是由于结构问题或流动分布不均，仍会出现局部地区烟速过高，飞灰浓度过大，从而引起严重的局部磨损。
因此要在受热面易受磨损的部位加装防磨装置。
对于管式空气预热器，只需保护管子的进口段。
通常在管子入口处加装一段短管，短管承受磨损，磨损后可重新更换。
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在卧式布置的省煤器的前后墙易形成烟气走廊，磨损比较严重，因此在这个部位采取防磨措施比较关键，通常采取的办法是敷设均流孔板，使烟气流速缓慢通过，能起到降低烟气流速的作用从而减轻对省煤器的磨损，我厂#1、2炉省煤器均采用此种方法，实践证明，很有实效。
另一种方法是，在省煤器的迎烟气侧点焊1200的防磨瓦，使烟气磨损此防磨瓦，从而保护了烟气对省煤器的磨损。
只要定期更换防磨瓦就行了。
在省煤器的两侧弯头处通常安装防磨护帘，能起到保护省煤器的作用。
但要定期检查护帘的牢固性。
护帘一旦脱落，应及时使之复位，否则，省煤器的磨损会尤其严重。
5尾部受热面出现积灰、腐蚀和磨损的处理办法
5.1尾部受热面出现积灰时应利用停炉调峰或大、小修时进行清洗，否则会影响受热面的传热效果。
但冲洗时要避免受热面的低温腐蚀。
如发现积灰严重时，一定要分析原因，制定对策，采取正确的防范措施来避免严重积灰现象。
5.2尾部受热面出现腐蚀现象时，应视腐蚀的轻重程度而定。
省煤器管段局部腐蚀严重时，要做堵管处理。
如大面积腐蚀应更换管排。
同时割管送化学进行取样化验。
制定相应的防范措施。
5.3尾部烟道出现磨损时，轻微磨损先进行补焊处理，然后分析磨损原因，判断是否均流孔板脱落，还是防磨瓦脱落，进行彻底恢复。
安装牢固。
如果是大面积磨损，而且磨损严重，需做换管处理。
6结论
总之，在尾部受热面出现如积灰、低温腐蚀及磨损等缺陷之前，应做好预防措施，要未雨绸缪。
这样既节省财力和物力，又对锅炉机组的安全、经济稳定运行大有益处。
因此，我们要在实践中不断地认真研究尾部受热面容易发生的一些问题和发生这些缺陷的一些机理。
从而，采取相应有效的措施进行预防和处理。
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