引言

我國(guó)是煤炭消耗大國(guó),而每年火力發(fā)電用煤占全國(guó)用煤總量的1/3。燃煤鍋爐對(duì)環(huán)境造成的污染非常嚴(yán)重,隨著環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格,燃煤鍋爐在環(huán)保方面的投入也越來(lái)越大。在我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)指導(dǎo)下,電力結(jié)構(gòu)亟需調(diào)整,燃煤鍋爐裝機(jī)容量需要降低,清潔能源裝機(jī)容量有待提高。

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)林生物質(zhì)資源豐富,且農(nóng)林生物質(zhì)具有對(duì)環(huán)境友好、可再生等優(yōu)點(diǎn),非常適合替代部分煤電以減輕環(huán)保壓力。生物質(zhì)燃料鍋爐的開(kāi)發(fā),對(duì)節(jié)約化石能源、優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染有著積極意義。

近年來(lái),安徽省生物質(zhì)發(fā)電鍋爐數(shù)量迅速增加,平均每個(gè)縣級(jí)區(qū)域至少一臺(tái)。但生物質(zhì)鍋爐受熱面爆管事故頻發(fā),尤其是省煤器管爆管,會(huì)增加鍋爐非停次數(shù),直接影響電廠經(jīng)濟(jì)效益。因此,降低鍋爐受熱面爆管風(fēng)險(xiǎn)就顯得尤為重要。

1基本情況

安徽某生物質(zhì)電廠2016年開(kāi)始建廠,2017年年底鍋爐投入運(yùn)行。鍋爐從運(yùn)行至2021年年底,每年都會(huì)因?yàn)槭∶浩鞅芏o急停爐檢修,給使用單位帶來(lái)重大損失。

該鍋爐設(shè)計(jì)為高溫、高壓參數(shù)自然循環(huán)爐,采用單鍋筒、單爐膛、平衡通風(fēng)、室外布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、底部支撐結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)燃料為黃色秸桿和灰色秸桿摻燒,設(shè)計(jì)燃料成分如表1所示。

該鍋爐幾次爆管位置均不在最上面一層,而在從上往下數(shù)第3、4層的位置,如圖1所示。

2省煤器爆管處理分析

2.1光譜分析

對(duì)爆管位置用手持式x射線熒光光譜儀進(jìn)行光譜分析,其材料化學(xué)元素成分如表2所示。

由表2可知,該爆管處化學(xué)成分符合GB/T5310—2017中對(duì)20G的要求。

2.2金相檢測(cè)

在爆管位置取樣進(jìn)行金相檢測(cè),經(jīng)過(guò)打磨、研磨、腐蝕后,用光學(xué)顯微鏡觀察鋼材組織,其組織為珠光體+鐵素體,組織沒(méi)有發(fā)生劣化。金相組織如圖2所示。

圖2爆管處金相組織

2.3壁厚測(cè)量

對(duì)爆管處及周圍管壁進(jìn)行壁厚測(cè)量。爆管位置最薄處1.7mm,周圍管壁厚度在m.5~4.0mm,壁厚正常。

3爆管原因分析

根據(jù)對(duì)省煤器爆管處的理化檢測(cè)分析,該省煤器管無(wú)材質(zhì)錯(cuò)用,材料無(wú)劣化,壁厚為局部減薄。

3.1煙氣腐蝕

生物質(zhì)燃料成分復(fù)雜,含有多種鹽類(如氯化物鹽),燃燒產(chǎn)生的煙氣腐蝕性很強(qiáng)。該鍋爐采用sNCR方式脫硝,即在爐膛里噴灑氨水。煙氣中的氯化鹽和氨水反應(yīng)會(huì)生成氯化銨。

氯化銨隨煙氣附著在受熱面管上,在一定溫度下結(jié)晶成垢。氯化銨鹽在有少量水的情況下就可以造成嚴(yán)重的腐蝕,而氯化銨鹽又有很強(qiáng)的吸濕性。氯化銨鹽對(duì)碳鋼的最大腐蝕速率可達(dá)2.5mm/a[1],同時(shí)在無(wú)水情況下也會(huì)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象,而且多為垢下點(diǎn)蝕,常規(guī)目視極難發(fā)現(xiàn)。所以即使省煤器部位煙氣溫度高于露點(diǎn)溫度,如果有氯化銨鹽附著在省煤器管子上形成垢層,也會(huì)發(fā)生腐蝕。該鍋爐省煤器管采用20G材質(zhì),對(duì)氯化銨腐蝕的耐受度極低,從省煤器爆管破口形貌看,也符合氯化銨點(diǎn)蝕的腐蝕特征。

在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,由于燃料成分不均勻,煙氣量及煙氣成分會(huì)出現(xiàn)變化,而噴淋氨水量不能隨之變化,在氨水量相對(duì)煙氣量較多時(shí),就會(huì)產(chǎn)生較多的氯化銨,造成腐蝕。

生物質(zhì)燃料中雖然s含量比煤中少,但是鍋爐煙氣脫硫裝置在布袋除塵器之前,且由表1可知,該生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)燃料成分中全水占23.93%,占比非常高。而在實(shí)際生產(chǎn)中,使用單位收到的物料會(huì)帶有更多的水分,且會(huì)夾雜一些其他設(shè)計(jì)燃料之外的物料,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)燃料中s含量和水分只會(huì)比設(shè)計(jì)燃料更高。有研究表明,隨著煙氣中s02、s03等硫化物氣體分量的增加,煙氣的露點(diǎn)溫度也會(huì)升高。所以,在尾部低溫區(qū)域極有可能發(fā)生硫酸性腐蝕。

3.2煙氣吹損

該鍋爐省煤器設(shè)計(jì)由小38×4、20G管子彎制而成的光管蛇形管屏組成,管屏通過(guò)支撐板坐在模塊底部的梁上,周圍設(shè)有內(nèi)護(hù)板,起到密封和防低溫腐蝕的作用。給水沿蛇形管自下而上與煙氣成逆向流動(dòng),可將管內(nèi)可能產(chǎn)生的氣體及時(shí)帶出。管子沿?zé)煔夥较蝽樍胁贾谩４祷蚁到y(tǒng)采用蒸汽吹灰。

由表1可以看出,設(shè)計(jì)生物質(zhì)燃料的成分中,固定碳占13.3%,揮發(fā)分占59.6%,灰分只占3.17%。

就當(dāng)前生物質(zhì)燃料市場(chǎng)而言,50km是生物質(zhì)燃料收購(gòu)面積的最佳半徑。一旦超過(guò)50km,燃料價(jià)格中運(yùn)輸費(fèi)用所占比例就會(huì)明顯增加(大概1t燃料多運(yùn)送1km會(huì)增加1元費(fèi)用)。如果燃料收購(gòu)半徑超過(guò)100km,則運(yùn)輸成本對(duì)生物質(zhì)電廠來(lái)說(shuō)是難以接受的。

然而在安徽北方地區(qū),情況恰恰相反,生物質(zhì)電廠密集,燃料供不應(yīng)求,距離近的兩家電廠常常會(huì)出現(xiàn)搶購(gòu)燃料的現(xiàn)象。在這種供求關(guān)系下,送料方在利益的驅(qū)使下,燃料質(zhì)量往往與設(shè)計(jì)燃料相去甚遠(yuǎn),而電廠則為了有燃料可用,只能有什么樣的就收什么樣的。

實(shí)際生產(chǎn)中使用單位收到的物料中摻灰、摻土甚至摻石頭的情況很常見(jiàn),這就導(dǎo)致在實(shí)際鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,燃料中的灰分極大。燃料中灰分占比大,對(duì)鍋爐帶來(lái)的最直接的影響就是會(huì)加大受熱面管的磨損。

該鍋爐采用光管省煤器,且是順列布置。鍋爐中省煤器一般有光管和H型肋片兩種型式,光管省煤器對(duì)比H型肋片省煤器來(lái)說(shuō),熱效率低約15%,排煙溫度高約50℃。所以,在相同熱效率下,光管省煤器布置會(huì)比H型肋片省煤器密集,且需要增加省煤器體積,這就會(huì)使煙風(fēng)阻力增加,從而使省煤器管磨損增大。光管省煤器的優(yōu)點(diǎn)在于更換方便,H型肋片省煤器更換困難,一旦出現(xiàn)爆管,維修工作量會(huì)大大增加。

省煤器管采用順列布置,容易形成煙氣走廊。煙氣走廊中煙氣流速比正常的煙氣流速要快很多,且飛灰濃度也要更高。煙氣對(duì)受熱面管的磨損程度與煙氣流速的三次方成正比,所以一旦形成煙氣走廊,則該部位受熱面管的磨損速度會(huì)大大加快。鍋爐尾部區(qū)域的煙氣溫度比較低,飛灰硬度比高溫區(qū)域要高,所以尾部受熱面,尤其是省煤器區(qū)域,最容易出現(xiàn)受熱面管磨損減薄。一般省煤器上數(shù)第1層和第2層管子都會(huì)有防磨瓦保護(hù),基本不會(huì)發(fā)生磨損,最容易發(fā)生磨損的位置反而是靠下側(cè)的管子。

該鍋爐省煤器采用蒸汽吹灰,在所有吹灰方式中,蒸汽吹灰效果最好,但是對(duì)受熱面的損害也最大,且在尾部用蒸汽吹灰會(huì)增大腐蝕的概率。

3.3給水氧腐蝕

給水腐蝕中最常見(jiàn)的是氧腐蝕(溶解氧腐蝕),當(dāng)鍋爐給水除氧不徹底時(shí),就會(huì)發(fā)生氧腐蝕。氧腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕,其腐蝕機(jī)理如下:

陽(yáng)極:

陰極:

總反應(yīng)方程式:

Fe(0H)2會(huì)進(jìn)一步被氧化,反應(yīng)方程式如下:

在省煤器集箱內(nèi)部經(jīng)?？吹降暮诩t褐色物質(zhì)即Fe(0H)3及其脫水產(chǎn)物Fe203。

氧腐蝕的典型特征是金屬表面呈潰瘍狀鼓包,鼓包下是黑褐色的粉末。一旦形成氧腐蝕鼓包后,會(huì)造成金屬表面氧濃度不均勻,又會(huì)造成電位差,形成電化學(xué)腐蝕的惡性循環(huán),使腐蝕速率越來(lái)越快。

在內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)內(nèi)窺鏡檢查省煤器下集箱,發(fā)現(xiàn)省煤器下集箱存在潰瘍狀鼓包,且底部存在銹渣堆積,為氧腐蝕的特征,說(shuō)明給水質(zhì)量不合格。通過(guò)查閱該電廠水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)表,發(fā)現(xiàn)報(bào)表中無(wú)氧含量化驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4結(jié)論

根據(jù)上述分析以及實(shí)際爆管現(xiàn)象,該鍋爐省煤器爆管是腐蝕與磨損綜合作用的結(jié)果。在投入燃料量波動(dòng)時(shí),爐膛內(nèi)噴淋氨水量沒(méi)有及時(shí)調(diào)整,導(dǎo)致煙氣中存在氯化銨;煙氣中飛灰濃度較大,且蒸汽吹灰對(duì)管子形成了吹損;給水質(zhì)量不合格,導(dǎo)致管子內(nèi)部存在氧腐蝕。多方面因素綜合作用最終導(dǎo)致了省煤器管穿孔泄漏。

5建議

(1)控制燃料質(zhì)量,盡可能將物料中雜質(zhì)去除,尤其是燃料摻雜的石頭等。

(2)在保證燃料質(zhì)量的情況下,可用H型肋片省煤器,雖然H型肋片省煤器更換困難,但可以減少磨損,減少非停次數(shù),在計(jì)劃?rùn)z修期間可由專業(yè)人員進(jìn)行更換或維修。

(3)保持各系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行,減少波動(dòng)。

(4)加強(qiáng)給水除氧工作,嚴(yán)格按照《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》(GB/T12145—2016)的要求進(jìn)行給水水質(zhì)化驗(yàn)。給水水質(zhì)不合格時(shí),應(yīng)及時(shí)作出反應(yīng),減少對(duì)鍋爐的腐蝕。