低温受热面的腐蚀

10.2.3　低温受热面的腐蚀

烟气中的水蒸气和硫酸蒸汽进入低温受热面时，与温度较低的受热面金属接触，并可能发生凝结而对金属壁面造成腐蚀。管壁温度较低的管式空气预热器的低温段和金属温度较低的回转式空气预热器冷端，均是容易发生低温腐蚀的部位。对管式空气预热器低温腐蚀，将使管壁穿孔，使大量空气漏入烟气中，造成送风量不足、炉内不完全燃烧热损失增加、锅炉热效率降低。

低温受热面上的腐蚀多是由于烟气中的硫酸蒸汽冷凝在受热面上所引起，而酸雾的凝结是与烟气的酸露点有直接的关系，为此，先介绍一下酸露点。

1.酸露点

我们知道，水蒸气遇到冷壁面时，蒸汽将冷凝在表面上，形成一个个的小水珠。烟气中的水蒸气也会发生同样的过程。如果燃料中不含有硫分，或虽然含硫但不形成SO₃，那么尾部受热面上只有达到对应纯水蒸气分压力时的饱和温度t_s时才会有水凝结下来。一般说来，在锅炉尾部，t_s＝30～60℃，这一数值相对说来是比较低的，远远低于排烟温度。

如果燃料含有硫分，而且燃烧时，有部分SO₃生成，SO₃与烟气中水蒸气作用时，会形成硫酸，它能在较高的温度下凝结。将烟气中硫酸蒸气凝结的温度称为酸露点，用t_l表示。它的数值主要与烟气中的SO₃含量有关，当然也与水蒸气含量有关。例如，若烟气中含有0.005%的SO₃，则露点可高达150℃。这一数值与排烟温度相当。

研究表明，酸露点并不随SO₃的含量的增加线性增加。SO₃增加到某一浓度后，进一步提高SO₃的含量，酸露点的增加变缓，例如，增加到0.01%后，再增加SO₃的含量，酸露点增加得并不显著。但这并不说明由于酸露点的增加变缓，而认为硫酸蒸气含量超过一定量后，危险性就不会增加。因为，露点温度的高低还不足以表明腐蚀的严重程度，而最主要的是受热面金属低于露点以下部分的硫酸凝结量。

烟气酸露点虽不能全部表征低温腐蚀的程度，但它毕竟是一个能清楚表征腐蚀是否会发生的指标，在一定程度下也能表征腐蚀的严重与否。所以，若能建立起烟气露点与燃料含硫量之间的精确数量关系，就可以预先判断和计算各种燃料的酸露点温度的大小，这对于锅炉设计是非常有帮助的。

烟气中的SO₃是由燃料的硫氧化而得或由硫酸盐的分解而得，但是其含量除和燃料中的含硫量有关外，还和燃料中的灰含量、灰的化学组成、过量空气系数等有关。

目前，只有靠经验式来计算酸露点。各国学者提出的酸露点的计算式有十几种，适合不同的条件，具体参阅有关文献资料。值得指出的是，同样条件下，这些公式计算得到的酸露点值相差很大^［2］。

下式为前苏联热力计算标准方法中推荐的烟气露点温度计算式：

式中：当炉膛出口过量空气系数α″_l＝1.2～1.25时，β＝121；α″_l＝1.4～1.5时，β＝129；A_ar，zs为收到基的折算含灰量（%）；S_ar，zs为收到基折算含硫量（%）；A_ar，zs和S_ar，zs的计算公式分别见式（3.19）和式（3.20）。α_fh为飞灰份额，对煤粉炉，α_fh＝0.75～0.8；另外，t_s为水露点温度。在烟气为一个大气压时，烟气水露点温度和水蒸气含量的关系见表10.2。

表10.2　t_s和水蒸气含量的关系

2.低温腐蚀

发生在低温受热面上的腐蚀就称为低温腐蚀。

（1）低温腐蚀具有的特点

①有化学腐蚀（如硫酸作用于金属），也有电化学腐蚀（如水蒸气冷凝后与金属作用）。

②腐蚀产物中主要是低价铁的硫酸铁（如FeSO₄）和铁的氧化物Fe₂O₃及Fe₃O₄等。

③腐蚀速度有时很高，可高达1mm/a。

④这种腐蚀都是发生在温度低于酸露点的壁面上。

⑤当壁温处于酸露点和水露点之间时，腐蚀速度并不随硫酸浓度的增大而线性增加，约在浓度56%时达到最大。

⑥当壁面温度达到或低于水露点后，由于有大量的水蒸气凝结，腐蚀速度急剧增加。壁温低于酸露点30℃左右时，腐蚀速度最大。

⑦蒸发受热面上的积灰，有时能加速度腐蚀，有时能抑制腐蚀。但多数情况是促进的。

（2）影响低温腐蚀主要因素

①燃料中的含硫量。含硫量越高，SO₃生成的量就可能越多，酸露点就越高。

②运行时的过量空气系数α。过量空气系数越高，O₂量越多，SO₃生成量就越多。

③受热面的金属温度。在锅炉的常见尾部受热面壁温范围内，壁温与腐蚀速度一般并不存在线性关系。但壁温越低，腐蚀越严重。

④烟气的温度。一般说来，壁温一定的条件下，烟温高，腐蚀速度低。

⑤吹灰方法。吹灰可以消除积灰的影响。

⑥锅炉的结构参数和运行参数。

（3）防止或减轻低温腐蚀的方法

①燃料脱硫，即入炉前脱硫。煤中硫化物有相当部分以黄铁矿的形态存在，可在煤粉制备前利用重力分离方法将其分离出来，以减少煤中的含硫量。因为有机硫难以去除，所以这种方法只能除去煤中一部分硫。燃料的其它脱硫技术尚在研究中。

②改善燃烧方法减少SO₃的生成。采用低氧燃烧，烟气再循环或采用流化床燃烧。在保证完全燃烧或不降低锅炉燃烧效率的条件下，适当降低燃烧所用的空气量，即低过量空气系数的燃烧，这可使烟气中过剩氧减少，从而减少SO₃的生成量，使烟气露点降低，减轻低温腐蚀。国外在燃油锅炉中已经将过量空气系数降至1.05或更低。燃煤锅炉采用此方法则需采用配风更加合理的燃烧器和较先进的自动控制装置，否则，可能引起不完全燃烧热损失增加。减少锅炉各处的漏风也是减少烟气中剩余氧的重要措施，也会不同程度地减轻腐蚀。

③加入某种添加剂和SO₃进行反应。目前，使用添加剂的方法在燃油锅炉和沸腾炉中已经取得了一定的效果。可用粉状石灰石混入燃料中，直接吹入炉膛内燃烧，使烟气中SO₃与石灰石粉发生反应，生成CaSO₄和MgSO₄，使烟气中硫酸蒸汽分压力下降并减轻腐蚀。但反应生成的硫酸盐为松散粉尘，会使受热面污染加重，影响传热效率。而烟气中粉尘增加使受热面磨损加重，应采取相应的吹灰和防磨措施。

④提高受热面的壁温，使其高于酸露点，这一方法要作具体分析，否则不经济。

具体措施有：

a.热风再循环。将空气预热器出口的部分热风通过管道再送回空气预热器入口，使空气预热器入口空气温度升高，以提高金属壁面温度，如图10.7（a）、（b）所示。图10.7所示为管式空气预热器的系统，但对回转式空气预热器也同样适用。此方法可使冷空气温度达到50～65℃，使锅炉效率下降的不太多。对燃用高硫煤的锅炉，当烟气露点较高时，此方法可能不会满足空气温度需要提高的程度，否则锅炉效率将会下降较多。

b.加装暖风器。在空气预热器和送风机之间加装暖风器作为前置式空气预热器，如图10.27中（c）所示。暖风器是利用汽轮机抽汽加热空气的管式加热器，通过调节蒸汽流量来改变空气出口温度，而暖风器出口处蒸汽应全部凝结成水。这种方法也会使排烟温度提高，锅炉热效率下降。但由于它利用了汽轮机的抽汽，减少了汽轮机的冷源损失，提高了热力系统的热经济性，也即提高了循环热效率，使全厂经济性下降不多。无论是采用热风再循环，还是采用暖风器，均会使风机电耗增加。

c.采用热管式空气预热器。目前主要采用重力式钢水热管，热管可以垂直布置或倾斜布置。热管空气预热器一般故障较少，运行时间长，但造价较贵。

⑤采用抗腐蚀材料。为减轻空气预热器冷端受热面的低温腐蚀，在燃用高硫分燃料的锅炉中，管式空气预热器的低温级置换段可用耐腐蚀的玻璃管或其它耐腐蚀材料制作的管子。回转式空气预热器的冷端受热面可采用耐腐蚀的搪瓷、陶瓷或玻璃等材料制造。采用引进技术制造的回转式空气预热器的冷端受热面，大多采用耐腐蚀的低合金钢材CORTEN钢制造，并将底部框架制成可以拆除式，以便于更换和检修冷端受热面。

图10.7　热风再循环及暖风器系统

（a）利用送风机再循环；（b）利用再循环风机；（c）加装暖风器

1—空气预热器；2—送风机；3—调节挡板；4—再循环风机；5—暖风器

⑥有效地进行吹灰。