何晓梅,王悦悦,王 波,杨宇卓,梁灯灯

(西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西 西安 710055)

在近年来国家节能减排愈加严格的大背景下,电厂为控制NOx的排放量,广泛采用的低氮燃烧器以及空气分级燃烧技术[1-2],但这一技术的采用在有效降低NOx的同时,水冷壁向火侧近壁面产生大量的含 CO还原性气体,H2S 浓度也会上升,从而引发严重的水冷壁高温腐蚀问题[3]。水冷壁高温腐蚀后管壁逐渐减薄,强度降低,最终导致爆管,是影响发电机组安全经济运行的主要因素[4-6]。

某电厂锅炉水冷壁使用钢材为12Cr1MoVG钢,在停机检查时发现水冷壁向火侧腐蚀严重,已严重威胁到机组安全运行。本文针对上述锅炉水冷壁管向火侧腐蚀问题进行金相和物相分析,详细分析了水冷壁腐蚀原因,并提出了相关建议。

1 理化检验

1.1 宏观检查

现场检查发现水冷壁腐蚀严重区域在锅炉主燃区以上、燃尽风喷口以下区域的螺旋管圈部位,且前墙和左墙腐蚀程度较后墙和右墙严重。腐蚀严重的管子表面积灰严重,最薄处只有3 mm厚,腐蚀管子侧面及下半部有较厚的腐蚀层,厚度在1～3 mm,腐蚀层较硬。现场水冷壁腐蚀如图1所示。由图1可知,水冷壁的外表面发生了严重的减薄,表面有一层疏松的淡黄色物质,在淡黄色物质下可见一层坚硬的黑色磁性物质,除去黑色物质后水冷壁呈现出金属光泽。

图1 水冷壁整体和局部腐蚀图

1.2 金相检验

采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀液进行腐蚀处理,制备好的试样在OLYMPUS GX51金相显微镜下观察金相。组织形貌如图2所示,由图2可以发现,向火侧和背火侧的显微组织形貌没有明显的区别,显微组织均为铁素体+贝氏体+碳化物,球化级别为2级(轻度球化)。

图2 水冷壁显微组织形貌

水冷壁向火面锈层明显,如图3所示,锈层最厚厚度约2 mm;整个锈层从形貌上明显分为两层,外侧颜色较深,结构疏松,靠近管壁的内侧锈层颜色较浅,结构较致密,但在内侧锈层中存在大量明显的气孔。在整个氧化过程中有气体生成,气孔的存在会加速氧化过程。内层氧化层和基体分离明显,锈层易脱落。在锈层和金属的界面(见图4),表层晶粒发生碎化,晶粒的晶界明显加粗,氧化往金属基体发展。

图3 水冷壁向火面锈层形貌

图4 水冷壁向火面锈层界面

1.3 扫描电镜及能谱分析

采用GeminSME 300扫描电镜观察锈层横截面形貌,并利用能谱仪(EDS)检测元素构成和随深度元素含量的变化。

由图5可以看出, S和O在整个锈层断面分布不均匀,S外层少,内层多,O内层少,外层多。整个锈层分为两部分,内层主要由硫铁化合物组成,外层主要由氧和铁的化合物组成。

图5 锈层断面能谱面扫描分析

1.4 X射线衍射结果

将水冷壁向火面上的锈层剥离下来,在玛瑙研钵中研磨成10 μm左右的细粉,由Bruker D8A A25 X 射线衍射仪 (X-ray diffraction,简称XRD)的结果如图6所示。由图6可知,水冷壁表面的腐蚀产物主要为FeS、Fe7S8和Fe3O4。

图6 锈层XRD分析结果

2 结果分析

燃煤锅炉使用的煤成分复杂,在燃烧后产生具有腐蚀性成分的烟气和煤灰,水冷壁向火面的高温腐蚀来自气氛腐蚀和煤灰沉积腐蚀以及两者的协同作用,所以燃煤锅炉水冷壁向火面高温腐蚀是一系列复杂反应。根据目前的研究分类,水冷壁高温腐蚀主要的腐蚀可以分为硫腐蚀、硫酸盐腐蚀和氯腐蚀[7-8]。水冷壁发生高温腐蚀时,入炉煤含硫量、氧量、贴壁风和燃尽风配置等因素均会影响水冷壁的腐蚀程度[9]。

该电站锅炉采用摆动式四角切圆燃烧方式,复合空气分级低NOx燃烧系统。四角切圆燃烧由于气流组织较差容易形成水冷壁局部高温,加剧水冷壁的高温氧化[10]。复合空气分级低NOx燃烧系统对燃烧器中的通入空气进行分级来控制反应区的含氧量,以有效减少燃烧区的NOx生成量,导致部分燃烧器区域处于贫氧还原性气氛,产生大量的含 CO还原性气体,生成H2S气体造成水冷壁高温腐蚀[11-12]。

该锅炉设计煤种硫份1.15%、热值16.74 MJ/kg,校核煤质硫份1.26,热值18.83 MJ/kg。近两年该锅炉入炉煤硫份月均值在1.54%～1.85%,硫份波动较大,最高日均值最高硫份2.36%,硫份超过设计值较多。煤中的硫份越高,含硫量越多,会加速材料高温腐蚀的几率和速率[13-14]。煤中的高含量硫元素,也会使炉膛内部的气流扰动更强,燃烧温度更高,未燃尽的煤粉冲刷水冷壁,从而形成局部更强的还原性气氛,高浓度的H2S和SO2[15]。

该锅炉水冷壁处在炉膛区的强还原性气氛中,它的腐蚀主要是硫腐蚀为主。

H2S+FeO→Fe7S8+H2O

H2S+Fe2O3→Fe7S8+H2O

同时,高浓度的H2S和SO2在高温下可生成自由的硫原子

2H2S+SO2→2H2O+[S]

在炉膛区的强还原性气氛中,水冷壁温度达到623 K时,单独的硫原子和Fe发生硫化作用生成FeS

Fe+[S]→FeS

硫化亚铁FeS缓慢氧化生成黑色的磁性氧化铁:

3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2

通过上述一系列反应可知,腐蚀产物中含有FeS、Fe7S8和Fe3O4等成分,并在反应中有SO2气体产生。而产物中的FeS较疏松,不起保护作用,因而腐蚀会一直进行下去。

3 结论与建议

根据上述的分析,该锅炉冷壁向火侧腐蚀严重的原因主要是由于四角切圆燃烧方式和复合空气分级低NOx燃烧系统导致的水冷壁局部高温和高浓度CO+H2S气体造成水冷壁高温腐蚀。锅炉入炉煤硫份波动较大,硫份超过设计值较多,进一步加剧了水冷壁高温腐蚀。

针对该锅炉水冷壁高温腐蚀问题,给出以下建议:

(1)控制入炉煤硫份,降低烟气中的H2S和SO2浓度。

(2)采用侧边风技术,向炉膛内通入空气,降低水冷壁高温腐蚀区域的还原性气氛浓度,增加局部含氧量。

(3)对高温腐蚀严重区域的水冷壁管进行防高温腐蚀喷涂,并加强喷涂质量控制,确保喷涂质量;喷涂后定期开展喷涂膜厚度检查,及时修补。