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中东某330MW机组燃油锅炉低温腐蚀浅析马万超

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：马万超

[导读] 摘要：介绍了中东某330MW机组燃油锅炉基本配置，描述了空预器和尾部烟道腐蚀情况，分析了炉后低温腐蚀发生的原因，阐述了低温腐蚀发生后采取的应对措施和效果。

        上海电气电站工程公司上海 201100
        摘要：介绍了中东某330MW机组燃油锅炉基本配置，描述了空预器和尾部烟道腐蚀情况，分析了炉后低温腐蚀发生的原因，阐述了低温腐蚀发生后采取的应对措施和效果。
        关键词：燃油锅炉；低温腐蚀；排烟温度；暖风器
        前言：
        中东地区石油资源丰富，煤炭资源贫瘠，这种能源结构决定了以原油或重油为燃料的燃油发电机组在中东地区电站中占据主导地位。中东地区的原油和重油品质较为低劣，里面含有较高的硫分、重金属和其他杂质，这对燃油锅炉来说是一个很大的威胁。燃油中的高硫分会引起较高温度的烟气露点，烟气中的SOX易在炉后低温区域凝结成酸液，造成锅炉炉后低温腐蚀，对锅炉和电站的连续安全运行带来极大隐患[1]。随着中国“一带一路”战略的实施，近年来我国电力建设企业在中东地区取得了不少燃油电站项目，燃油锅炉低温腐蚀的风险应引起高度重视。
        本文结合中东某4x330MW电站EPC项目中燃油锅炉炉后低温腐蚀案例，介绍了其低温腐蚀的具体情况，分析了腐蚀发生的机理，以及腐蚀发生后采取的应对措施和效果，以期对类似项目提供参考和借鉴。
        1 锅炉基本配置
        锅炉为亚临界参数（过热蒸汽参数：1100t/h，541℃，17.6MPa（g）），自然循环，一次再热，单炉膛正压运行，炉烟再循环调温，露天布置，全钢构架的箱型汽包炉。锅炉单独燃烧重油、原油和天然气，并能进行油-气混烧。锅炉最低稳燃负荷为25%BMCR。炉后未配置除尘装置和脱硫系统，锅炉燃烧后的烟气通过空预器后经烟道直接排入大气。
        2 炉后腐蚀情况
        锅炉停炉后检修发现，空预器及尾部烟道内部存在较严重的腐蚀现象。
        2.1 空气预热器
        （1）考登钢及外衬搪瓷换热元件腐蚀较为严重；
        （2）空预器内密封片大量脱落；
        （3）空预器内积灰严重。
        2.2 尾部烟道
        （1）尾部烟道内部防腐鳞片大面积脱落；
        （2）尾部烟道内撑杆全部烂掉并被吹脱；
        （3）烟道钢板腐蚀严重，局部已腐蚀至穿孔；
        （4）部分膨胀节严重撕裂。
        3 炉后低温腐蚀的原因分析
        由于原油和重油中存在S，其燃烧后产生SO2，SO2在炉膛富氧环境下继续被氧化成SO3。并且如果燃料中存在钒化物，还会加速上述氧化反应的发生。当炉后设备金属壁温低于烟气露点时，SO3和SO2与水蒸气结合就会凝结成硫酸和亚硫酸液滴并附着在金属壁面上，进而产生强烈的腐蚀。SO3和SO2的存在，可使烟气露点显著升高，且烟气中SO3和SO2的含量越高，烟气露点越高，对炉后设备的低温腐蚀威胁越大。
        3.1 燃料含S量高
        本项目锅炉设计燃料的含S量见表1。在实际运行中，长期使用当地原油，其S含量高达4-5%，现场实测烟气中SO2含量已达到10000mg/Nm3数量级，这使得烟气酸露点大幅提高。

        3.2 尾部金属壁面运行温度低于酸露点
        在燃用原油的情况下，锅炉厂计算出的理论烟气酸露点为137℃。锅炉厂提供的热力计算中要求，在燃用原油100%TMCR工况下，空预器入口热风温度达到76℃，排烟温度为146℃（排烟温度仅高于理论烟气露点9℃），且仅对夏季满负荷工况进行了校核计算。在冬季低负荷（负荷率约60%-70%）工况下，锅炉实际排烟温度较满负荷时会降低，基本已降至理论酸露点附近。另外，本项目的暖风器出力不足，在冬季较寒冷时，暖风器出口空气温度达不到要求，这造成锅炉排烟温度进一步降低，使得炉后金属壁面暴露在酸液的腐蚀下。
        3.3 烟道内玻璃鳞片脱落
        尾部烟道内使用的耐高温防腐玻璃鳞片在项目现场施工，施工质量难以达到设计要求，且由于玻璃鳞片涂层与烟道碳钢材料的热膨胀性能不同，在高温烟气的长期热冲击下，烟道内壁上的玻璃鳞片涂层脱落殆尽。没有任何保护的碳钢烟道在酸液的腐蚀下损坏很快。
        3.4 烟道积灰严重
        本项目没有配置除尘器及在线清灰装置，锅炉尾部烟道及空预器的实际积灰现象特别严重，低温的腐蚀性烟灰粘结附着在金属壁面加速腐蚀，烟灰的热阻作用同时又使烟道金属壁温进一步降低，循环恶化了结露现象。
        3.5 空预器冲洗
        锅炉空预器无专用碱洗装置，停炉碱洗过程冲洗水碱度难以控制。空预器灰斗积灰严重且排水不畅，导致冲洗液漫灌整个灰斗，酸性灰溶解在冲洗水中对烟道形成强烈腐蚀而穿孔。
        4 应对措施
        4.1 临时措施
        在腐蚀问题暴露后，由于当地电网公司不允许较长时间停机停炉，该项目采取了一些临时补救措施，主要包括：（1）对烟道穿孔处进行修补，防止烟气外窜出来；（2）采购了一批耐酸腐蚀的钢板用于更换被腐蚀的烟道，借此来保证短暂的检修后机组可以向电网供电。然而，这些临时措施只是延缓了腐蚀发生的速率，并没有从根本上消除腐蚀。
        4.2 永久措施
        低温腐蚀发生的根本原因是锅炉燃料中含有高S份，并且锅炉排烟温度低于烟气酸露点，烟气中的S03和SO2遇水凝结后形成酸液继而引起腐蚀[2]。那么，从根本上解决低温腐蚀有两个方向：一是降低烟气中SO3和SO2的含量；二是设法提高锅炉排烟温度，使排烟温度处在高于烟气露点的某一安全水平。
        目前，对于降低烟气中SO3和SO2含量，有关学者做了大量研究，主要有炉外脱硫和炉内脱硫两种方式。其中，炉外脱硫根据处理S的先后顺序分为炉前脱硫和炉后脱硫。炉前脱硫就是在燃料进入锅炉前就对其进行脱硫处理，降低燃料中的S含量；炉后脱硫就是在炉后配置脱硫装置，将烟气中的SO3和SO2脱除。炉前脱硫需要对所有进入锅炉的燃料进行脱硫处理，需要增加一套大型油处理装置，明显增加了发电成本；炉后脱硫需要增加脱硫设备，本项目未预留脱硫场地，且新建脱硫系统成本高，还不能解决脱硫装置前空预器等设备的低温腐蚀问题。炉内脱硫分为向燃料中添加燃油添加剂（在燃烧过程中抑制硫化物的产生）和向发生低温腐蚀的位置添加冷端添加剂法[3]。炉内脱硫需要向炉内连续投放添加剂，目前投放添加剂的实际案例较少，且连续添加会持续增加运行费用。综上，炉外脱硫和炉内脱硫的方案均不适用于本项目。
        通过提高锅炉排烟温度，使排烟温度处在高于烟气露点的某一安全水平。这是从低温腐蚀发生的机理出发，从根本上避免低温腐蚀的办法。中东地区有较多燃油电厂，项目部选择对沙特拉比格（Rabigh）、苏恰（Shuaiq）和伊朗萨汉德（Sahand）燃油电站进行了调研，调研的具体情况见表2：

        从表2可见，以上三个电厂所用燃料均为重油或原油，且燃料中含高S份。沙特两电厂的排烟温度较高，分别达到175℃和165℃，其空预器和烟道未出现明显腐蚀。伊朗萨汉德电厂排烟温度为160℃，其空预器和烟道出现了严重的腐蚀问题。本项目的S含量高于沙特两电厂，但设计满负荷排烟温度仅为146℃，远远低于拉比格和苏恰电厂。根据对比和估算，本项目锅炉排烟温度达到170℃基本可避免低温腐蚀的发生。排烟温度与锅炉受热面的布置有关，受热面布置在设计阶段就已经计算确定且受热面已安装并运行了一段时间，如果从重新布置受热面的角度考虑，无疑会带来拆除、重新安装和水压试验等一系列工作量，这无论从成本还是业主要求较高的年利用发电小时数都是不允许的。通过提高空气预热器入口的空气温度，可以提高锅炉排烟温度。该项目配置了暖风器，但暖风器的出力达不到要求，可考虑通过对现有暖风器系统进行改造来提高空预器入口风温。根据现场实际气温条件，暖风器进口风温按0℃考虑。暖风器出口风温需达到100℃（BMCR工况）及115℃（50%BMCR工况）才能保证锅炉排烟温度在170℃左右。经过计算，需要将暖风器换热面积由1500m2增加至2746 m2。重新更换暖风器后，暖风器运行状况良好。
        在夏季锅炉正常满负荷运行且调节阀未全开的工况下，暖风器出口风温达110℃，锅炉排烟温度接近170℃，避免了低温腐蚀的发生。且在冬季时开足暖风器，暖风器出口风温可以达到设计要求，基本上避免了低温腐蚀的问题。
        此外，针对空预器积灰严重的问题，项目部规范了定期碱洗制度。在空预器碱洗前，开启底部排灰管道进行清灰，清洗过程中适度增加冲洗液的碱度以较大程度地中和酸性物质，且在冲洗过程中保证灰斗疏水通畅。
        结束语：
        （1）燃料含S量水平和锅炉排烟温度是锅炉会否发生低温腐蚀的决定因素。本项目使用的原油和重油含硫量极高，且锅炉满负荷工况排烟温度设计的较低（仅为146℃），使锅炉尾部空预器和烟道长期处在强酸腐蚀之下。
        （2）暖风器是燃油锅炉安全可靠运行的关键设备。本项目中暖风器出力不足，不能保证向空预器入口提供足够的风温，导致锅炉排烟温度进一步降低，加剧了低温腐蚀。
        （3）对于大型电站燃油锅炉的排烟温度，如何平衡好低温腐蚀安全裕度和锅炉效率之间的关系，还需要进一步探讨和实践。
        参考文献：
        [1]杨亮.火电厂燃煤锅炉尾部受热面低温腐蚀的防治[J]电工技术.2019，4：104
        [2]李德标.燃煤工业锅炉低温腐蚀原因及措施[J].中国石油石化，2016（21）：59-60
        [3]梁书源，姜翠玉.电厂燃油锅炉腐蚀机理及防腐添加剂研究进展[J].中国腐蚀与防护学报，2018，38（2）：105-109