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燃煤鍋爐爐管高溫腐蝕分析及防治論述
(時間:2020-9-29 10:29:37)

  1. 燃煤鍋爐
  我國幅員遼闊煤炭資源豐富,在上世紀我國大多鍋爐均為燃煤鍋爐,隨著大家安全環保意識的增強,節能減排成了人類的重要課題之一,隨著政府相關環保、節能的法規、條例的推行和實施,國內淘汰了較多鍋爐效率低下的燃煤鍋爐。如今,小型燃煤鍋爐并不常見,但大型燃煤鍋爐(如電廠鍋爐)仍在國計民生中起著重要作用。如何確保燃煤鍋爐的高效安全的運行成為眾多專家學者研究的方向,也成為國內眾多能源化管理公司業務發展研究方向。
  2. 燃煤鍋爐爐管應用現狀
  我國燃煤鍋爐現狀較為尷尬:出于安全及礦產資源、生態環境的保護,我國關停了一大批中小型煤礦,優質煤的年產量降低,燃煤鍋爐的燃料不得不接受劣質煤的摻入,隨著煤產量的降低,煤的價格漲幅較大,從成本上考慮,劣質煤的摻入比不斷增加,鍋爐長期處在非設計工況下運行。
  我國爐管的使用壽命、保養周期等都是按優質煤來設計的,劣質煤的摻入使爐管面臨更為嚴峻的高溫氧化、高溫腐蝕的威脅。多年跟蹤研究志盛威華高溫涂料專家歸納主要原因為:
  1. 劣質煤使煙氣中灰分增加,不可燃的堅硬顆粒狀粉塵量增加,對爐管的磨蝕增加;
  2. 劣質煤硫、氟、氯、磷等元素含量高,燃燒后的煙氣更具有腐蝕性;
  3. 劣質煤燃燒后焦油量增大,加之粉塵量增加,使得更易形成爐管的結焦;
  4. 劣質煤熱值低,存在著火困難、燃燒延遲等弊病,水冷壁附近未燃盡的煤粉顆粒增多,在一些區域造成缺氧,因而容易出現還原性氣氛和腐蝕性氣體;
  5. 劣質煤的加入導致爐膛火焰溫度、爐膛溫度場難以出于較為穩定狀態,煙氣中可燃碳含量增加。劣質煤的摻入還有可能帶來鍋爐及鍋爐附屬設施的技改,帶來后續除塵、脫硫等工藝環節滿負荷甚至超負荷運轉。
  3. 燃煤鍋爐爐管高溫腐蝕的機理
  在燃煤鍋爐中,高溫腐蝕分三種類型:硫酸鹽型、氯化物型和硫化物型。
  A. 硫酸鹽型腐蝕:主要發生高溫受熱面上;
  B. 氯化物型腐蝕:主要發生在大型鍋爐燃燒器高溫區域的水冷壁管上;
  C. 硫化物型腐蝕:主要發生在大型鍋爐水冷壁管上;
  D. 水冷壁的高溫腐蝕通常是由這三種類型腐蝕復合作用的結果。
  硫酸鹽型高溫腐蝕的形成機理:
  1) 在爐內高溫下,煤中的NaCl中的Na+易揮發,除一部分被熔融的硅酸鹽捕捉外,一部分與煙氣中的SO3發生反應,形成Na2SO4;
  2) 易于揮發性的硅酸鹽,與揮發出的鈉發生置換反應,而釋放出來的鉀,與SO3化合,生成K2SO4;
  3) 堿金屬硫酸鹽(Na2SO4、K2SO4)有粘性,且露點低,當堿金屬硫酸鹽沉積到受熱面的管壁后會再吸收SO3,并與Fe2O3、Al2O3作用生成焦硫酸鹽(Na·K)2S2O7;
  4) 受熱面上熔融的硫酸鹽(M2SO4)吸收SO3并在Fe2O3、Al2O3作用下,生成復合硫酸鹽(Na·K)(Fe·Al)SO4,隨著復合硫酸鹽的沉積,其熔點降低,表面溫升升高;
  5) 當表面溫升升高到熔點,管壁表面的Fe2O3氧化保護膜被復合硫酸鹽破壞,使管壁繼續腐蝕;
  6) 另外,附著層中的焦硫酸鹽(Na·K)2S2O7。由于熔點低,更容易與Fe2O3發生反應,生成(Na·K)3Fe(SO4)3,即形成反應速度更快的熔鹽型腐蝕。
  氯化物型腐蝕的形成機理:
  a) 在爐內高溫下,原煤中的NaCl中的易與H2O、SO2、SO3反應,生成硫酸鹽(Na2SO4)和HCl氣體;
  b) 同時凝結在水冷壁上的NaCl也會和硫酸鹽發生反應,生成HCl氣體;
  c) 因此,沉積層中的HCl濃度要比煙氣中的大得多,致使受熱面管壁表面的Fe2O3氧化保護膜破壞;
  d) 有研究表明,這種情況在CO和H2濃度超過一定范圍的強還原性氣氛中則更為強烈。
  綜上所述:
  燃煤中的S、Cl、K、Na等物質的存在是發生高溫腐蝕的內在根源。而燃用劣質煤所需要的氣流擾動和較高的燃燒溫度,使煤粉火焰容易刷墻以及水冷壁附近可能出現還原性氣氛,為產生水冷壁高溫腐蝕提供了充分條件。對此志盛威華防腐涂料研究院許多研究工作,提出了產生高溫腐蝕的條件,歸納如下:
  ü 燃煤中存在一定含量的S、Cl、K、Na等可產生高溫腐蝕的物質;
  ü 水冷壁附近出現還原性氣氛和腐蝕性氣體;
  ü 水冷壁腐蝕區域的壁溫在320℃以上;
  ü 腐蝕產物的剝落,使得腐蝕能不斷地滲透內層。
  4. 燃煤鍋爐爐管發生高溫腐蝕的位置特征
  在我國大型燃煤鍋爐按燃燒方式劃分可分為:
  Ø 直流燃燒器四角(四面)切圓燃燒方式
  Ø 旋轉燃燒器水平(對沖)燃燒方式
  Ø 拱頂燃燒器W型火焰燃燒方式。
  不同的燃燒方式,鍋爐爐管(水冷壁)高溫腐蝕的部位也不同。
  直流燃燒器四角(四面)切圓燃燒方式:
  直流四角切圓燃燒方式的燃燒器,是目前我國大型鍋爐采用最多的一種燃燒形式。而我國采用日本三菱技術的設計制造的鍋爐,有一部分采用的是四面切圓燃燒方式。
  高溫腐蝕位置:沿一次風流流向,在爐膛中心線附近及下游的水冷壁壁面。
  腐蝕位置的形成:爐內火焰形成大漩渦旋轉上升,一次風射流受上游旋轉氣流擠壓,爐內切圓增大。當燃燒器的高寬比加大時,熱態切圓增大,煤粉火焰容易沖刷墻壁,導致水冷壁高溫腐蝕。
  旋流燃燒器水平(對沖)燃燒方式:
  旋流水平燃燒方式的燃燒器通常是前墻或前后墻布置帶一次風回流穩燃和煤粉局部濃度高的低NOx雙調風軸流型式。
  高溫腐蝕位置:兩側墻。
  腐蝕位置的形成:在靠近兩側的旋流燃燒器出口煤粉易偏向兩側墻,并隨著旋流強度增加,偏轉加劇,因此兩側墻附近易形成還原性氣氛和腐蝕性氣體。
  拱頂燃燒器W型火焰燃燒方式:
  W型火焰燃燒方式的燃燒器,不論其拱頂的布置與結構,由于其煤粉氣流在二次風的引射下基本上與前后墻平行向下流動,然后轉折向上,形成W型火焰。
  高溫腐蝕位置:前后墻的上部區域。
  腐蝕位置的形成:一般來說W型火焰燃燒方式煤粉不會沖刷爐壁,但如果一次風噴口位置不對,或者一次風動量和射流擴展角偏大時,煤粉也會沖刷前后墻的上部區域,造成高溫腐蝕,尤其是衛燃帶脫落的部位。
  大型鍋爐是否存在高溫腐蝕的經驗推斷依據:
  大型鍋爐是否存在高溫腐蝕除了通過現場停爐觀察確定外,我們還可以根據燃煤含硫量、水冷壁附近富氧量、水冷壁溫度等去推斷:
  1) 燃煤中的Sar≥0.7%;
  2) 水冷壁附近O2≤2%;
  3) 腐蝕區域的水冷壁,管壁溫度>320℃。
  5. 目前預防高溫腐蝕的措施概述
  我國目前防止燃煤鍋爐爐管高溫腐蝕的方法基本還停留在對設備自身或燃燒技術、參數的調整試驗階段。改變爐管材質,用耐高溫、高溫耐腐蝕的特種鋼材替代原有材料從經濟及施工難度的角度看很難實現,通過調整火焰形狀、采用二次風引導保護等措施效果并不明顯,且我國幅員遼闊,各地區采用的燃煤不盡相同,煤的質量特別是有害元素如S、Cl、F、Na、K、P等含量也有較大差異,熱值、摻入比各鍋爐都不同,因此每個鍋爐都是單獨的個體,成功的方案只能用于參考而不能完全復制并取得預想的效果。
  結合我國鍋爐特征、燃煤特征,高溫腐蝕的風險必然存在,預防高溫腐蝕的研究勢在必行意義深遠。對爐管進行涂覆改造將爐管與還原性氣氛、S、Cl等高溫腐蝕物質有效隔離是一個不錯的研究方向。
  在一些電廠高溫鍋爐,曾采用金屬熱噴涂的方式解決高溫腐蝕問題,然而,因為高溫熱噴涂固化太快幾乎沒有流平時間,施工完畢的金屬涂層表面存在很多氣孔缺陷,這些氣孔可直達鍋爐爐管,難以做到全面致密的防腐物質隔離,雖可改善爐管的耐磨性,但并不能有效阻止高溫腐蝕的發生。
  其實,在實際生產中,爐管的磨蝕問題發生的并不多,磨蝕并不是本研究的重點,基于這一要求和條件,完全可以采用耐高溫涂料來緩解、解決這一難題,國內專業的鍋爐防腐廠家北京志盛威華化工有限公司涂料質量水平高。
  6. 高溫涂料必須具備的功能
  結合我國大多燃煤鍋爐的燃料煤、燃燒方式,要想做到通用型防腐即一種防腐材料能適合大多數爐型(循環流化床鍋爐屬于特殊的燃煤鍋爐,不在此討論),則需要用最嚴苛的工況條件對防腐材料提出功能要求。由此我們認為高溫涂料必須具備以下功能:
  A. 能長期耐溫600℃(20號鍋爐鋼使用規范,管壁溫度不能超過500℃);
  B. 能短期承受明火沖刷;
  C. 成膜致密,且與被涂覆表面具有良好的附著力;
  D. 在燃氣鍋爐正常使用時,能抗住因負荷調整帶來的熱振;
  E. 涂層具有一定的耐磨、耐粉塵沖刷性;
  F. 能耐S、Cl、少量的F等酸或鹽或熔融鹽的高溫腐蝕及冷凝后露點腐蝕;
  G. 漆膜必須光滑,具有一定的防靜電吸附、防結焦功能;
  H. 漆膜不應影響爐管的正常換熱;
  I. 好施工、易維修、有效使用壽命長。
  7. 高溫涂料在國內鍋爐中應用現狀
  目前國內燃煤鍋爐爐管耐高溫涂料的生產、銷售廠家并不多,國內以北京志盛威華化工有限公司為代表,也是化工涂料行業技術的領頭羊。國際品牌主要有RSI等。RSI主要以高溫節能涂裝為主,志盛威華的高溫涂料產品覆蓋了:高溫防腐、高溫節能、煙氣防腐、中低溫煙氣防腐、漿液池防腐等等,該公司為軍工改制單位,大多核心技術源于軍工,在國際高溫防腐界、特種防腐界具有一定的影響力。
  在燃煤鍋爐爐管高溫防腐研究中,科研機構及大型鍋爐使用業主對腐蝕特性、耐高溫涂料特性進行了科學細致的實驗室測試,在確定了該技術理論上的可靠性后,2017年6月,北京瑞豐偉業實業有限公司接受委托在貴州某電廠2#爐水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器上采用北京志盛威華化工有限公司研發生產的ZS-722耐酸導熱防腐涂料,進行了實際施工和防高、低溫腐蝕功能測試,經過兩年的實際應用,該涂料的應用效果良好,該電廠所在集團公司決定在全集團進行該技術的推廣。
  8. ZS-722耐酸導熱防腐涂料的特性
  北京志盛威華化工有限公司研發生產的ZS-722耐酸導熱防腐涂料是基于軍工技術專門針對高溫下即需要傳熱有需要防腐、防氧化的特種涂料,可長期耐溫750℃。
  ZS-722耐酸導熱涂料成膜物:自產,以特殊工藝制備的鈍化鋁溶膠與硅酮樹脂高溫螯合制備而成的無機-有機嫁接耐高溫樹脂為主要成膜物;
  ZS-722耐酸導熱涂料顏填料:將碳化硅、導熱石墨、氮化硼、碳化鋁、石墨碳管、三氧化鉻、氯化鋁、三聚磷酸鋁等功能顏填料在高溫下研磨,在此工藝下以上顏填料發生結構重組,使制備的涂料在成膜后形成立體網狀導熱體系,同時顏填料的化學惰性、重組后的均一屏蔽性大大加強了涂層的抗滲透抗腐蝕性能,使涂層具備了爐管使用的功能基礎。
  ZS-722耐酸導熱涂料基本參數:

  在鍋爐爐管上使用理論支持基礎:
  A. 耐溫性:該涂料耐溫750℃,而水冷壁等爐管材質為G20,按GB/3087-82中規定G20可用在壁溫≤500℃的受熱面管子、壁溫≤450℃的蒸汽管路及集箱。而12Cr2MoWVTiB即鋼研102在鍋爐領域往往用來制作過熱管,其使用溫度要求為壁溫≤600℃,顯然在耐溫上ZS-722耐溫750℃,耐溫極限大于目前極端爐管的使用溫度,具備在鍋爐高溫環境的使用條件;
  B. 耐明火沖刷性:該涂料導熱性良好,可迅速將明火沖刷的熱量傳遞給爐管,不會造成熱量聚集、超溫;
  C. 涂層致密性:ZS-722為雙組份交聯常溫固化,施工后涂層具有流動性,固化后即可形成立體網狀致密涂層,其耐酸堿浸泡性試驗也是其致密性的驗證方法之一;
  D. 涂層具有抗熱振性:ZS-722導熱良好,一般建議層膜厚度為≤300μm,在薄涂、導熱良好、線膨脹系數與鋼材處于同一數量級等性能的支撐下,涂層抗熱振性良好;
  E. 涂層具有一定的耐磨性:ZS-722成膜后硬度>4H,雖不及鋼鐵耐磨,但焚燒后旋流狀的煙氣的摩擦方式接近滾動摩擦,ZS-722的硬度足夠應對;
  F. 耐化學腐蝕性:ZS-722無論是成膜樹脂還是功能顏填料均為惰性材料,極具耐化學腐蝕性;
  G. 涂層光滑:ZS-722涂層具有自流平性,在成膜時涂層光滑且具有較小的表面張力,可有效減少結焦;
  H. 涂層不影響正常換熱:ZS-722涂層導熱系數為50W/m.k,雖比鋼材的導熱系數低,但涂層具有0.85的熱輻射吸收率,而鋼鐵熱輻射吸收率僅為0.76左右,在此情況下,涂層不會影響正常換熱;
  I. 涂料應易施工、易修補、防護期長:ZS-722涂料在設計之初便考慮了其涂裝及維修的便利性,其開桶性狀與常見的雙組份油漆相似,施工及修補工藝大致與常規油漆的施工工藝相同及其簡單便利,涂層的防腐性能、良好的附著力決定了涂層防護的長效性。
  9. 涂層應用效果
  北京瑞豐偉業實業有限公司未對貴州某電廠2#爐改造前,2#爐鍋爐效率低下約83%,爆管非停成為常態,最多的一年達到了4次,經診斷該爐爆管均因高溫腐蝕造成。這與該公司采用的劣質煤有關,該爐采用四面切圓燃燒方式,為克服局部高溫氧化,該爐衛燃帶遍布爐膛中心線上下區域,雖多次對火嘴、衛燃帶進行技改,但該爐每年還會出現局部爐管高溫氧化減薄、應力裂紋、層狀可剝落性氧化皮附著等問題。
  在2017年6月大修,該爐在爐膛中心線上下各6米的區域進行了ZS-722的防高溫氧化涂裝,同時拆除部分衛燃帶。經過技改后,該爐鍋爐效率上升至89%,爐管使用正常,一年后進行開爐檢修,除緊鄰衛燃帶的個別爐管側方因煙氣粉塵回流造成非露底性涂層損耗外,涂層正常,在對有損耗的涂層進行修復補涂后,該爐運行至2019年9月開爐大修,進爐檢查,漆膜完整,除少量爐灰粘附外無明顯變化。
  通過此測試涂裝的實施,驗證了ZS-722涂料對高溫爐管抗高溫氧化、腐蝕的有效性,大力推行該材料在大型燃煤鍋爐中的應用具有極高的經濟、安全意義。
  1. 高溫涂料在工業發展中的意義
  隨著工業的進步,很多產品、材料的制備都離不開高溫工況,無論是國內外,大多防腐材料廠商在早期進行的大多是常溫狀態的防護研究,對于高溫工況、高溫腐蝕、高溫氧化等缺乏系統科學的了解和理論,隨著高溫工業時代的來臨,工業需求再一次對防腐材料廠商提出了一個個新的課題,作為專業高溫防護研究的北京志盛威華化工有限公司在近三十年的研究經驗上不斷開發、推出高溫工況的防護保護涂料,公司開發出的耐溫3000℃的耐高溫抗氧化涂料更是活躍在軍工領域。
  志盛威華公司目前擁有11大類近90多種特種涂料,安全、專業、有效、可靠是該公司產品的特點,產品可用領域涵蓋了高溫防腐、高溫節能、高溫絕緣、高溫粘合、特種防腐等重工業及與之相關的領域,大多涂料可耐明火沖刷,在施工過程中即使電焊也不著火(如用在脫硫塔、煙囪煙道防腐的ZS-1041煙氣防腐涂料等),堪稱安全高效實用涂料典范。
  2. 結語
  隨著科技的發展,很多不可能變成了可能,能與不能驗之實踐,正因如此筆者才撰寫此文將顛覆大家認知的高溫涂料成功應用案例推薦給大家。也想借助本文讓更多的人去嘗試、相信新的技術、新的理念,讓科技興國有更好的土壤。
  何睿:碩士學位,化工專業,北京志盛威華化工有限公司技術部總工,從事高溫涂料和防腐涂料技術應用已有20年的經理,對材料、工藝、化工等學科有高度整合。

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