结渣和高温积灰及高温腐蚀

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第十六章结渣和高温积灰及高温腐蚀1 受热面的灰污或灰沉积：飞灰在炉内因各种化学反应或物理力的作用而沉积在受热面上。结渣：一般是指在接受炉膛辐射的受热面上形成的熔融、半熔融、或固态沉积物。积灰：发生在对流受热面上的灰沉积高温积灰（高温粘结性积灰）：常发生在烟温高于700～800℃的对流受热面（高过、高再等）上中低温积灰（松散性积灰）：发生在烟气温度处于600～700℃以下，约250～300℃以上的受热面区域，如省煤器。低温受热面积灰（空气预热器积灰）第一节煤粉锅炉受热面的积灰和腐蚀2 烟气侧腐蚀：锅炉烟气中污染性气体或受热面沉积物与受热面金属的化学反应导致的受热面损坏。水冷壁高温腐蚀（硫化物和氯化物）高温对流受热面腐蚀（煤灰腐蚀）低温受热面腐蚀（低温酸腐蚀）高温氧化性腐蚀（蒸汽侧的蒸汽氧化）第一节煤粉锅炉受热面的积灰和腐蚀3 煤中的矿物质及其成灰煤中的矿物质粘土矿物和页岩等铝硅酸盐类矿物，如高岭石；硫化物，如黄铁矿、白铁矿（FeS2）；石英/硅酸盐，如石英、长石等；碳酸盐，如方解石、白云石、菱铁矿；硫酸盐；其它矿物质（如氯化物、氧化物等）；等煤中矿物质种类多，分布严重不均匀，测量困难。第二节燃煤矿物质成分的化学物理特性4 第二节燃煤矿物质成分的化学物理特性成灰过程和煤灰成分成灰过程：煤中矿物质在炉内燃烧过程中经过复杂的物理、化学过程转变成煤灰（飞灰和炉渣）。煤灰的主要化学成分：硅酸盐(大多为非晶态的玻璃体)、氧化物、硫酸盐和少量其它化合物的混合物。煤灰的化学组成以氧化物的百分含量表示：酸性氧化物：SiO2、Al2O3、TiO2碱性氧化物：Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O煤灰化学组成分析时一般还包括SO3碱酸比：5 煤灰的熔融特性：DT，ST，HT，FTSiO2影响复杂，一般SiO2/Al2O3高则灰熔点低Al2O3增加，灰熔点增加Fe2O3增加，灰熔点降低CaO在一定范围内增加，灰熔点降低，随后增加其它碱性成分增加，灰熔点降低煤灰成分之间会生成低熔点共熔体。第二节燃煤矿物质成分的化学物理特性6 一、黄铁矿FeS2和结渣煤中铁：90％以上以亚铁（Fe2＋）的形式存在的，并以黄铁矿（硫铁矿）FeS2居多，少量以菱铁矿FeCO3、硫酸盐、含铁粘土等形式出现，只有不到10％是以正铁（Fe3＋）的形式存在。FeS2的转化氧气充足（氧化性气氛）下，迅速分解氧化成铁氧化物和SO2氧气不足（还原性气氛）时，分解成磁黄铁矿再缓慢氧化形成FeS-FeO共熔体，熔点低而易导致结渣。铁氧化物（FeO）会与灰中其它成分如CaO、SiO2等生成低熔点共熔体，也有利于结渣。FeS2的影响FeS2易导致结渣（密度大、中间产物熔点低）FeS2反应产物：还原性气氛下H2S、S导致水冷壁腐蚀；SO2影响高温积灰和腐蚀；SO3导致低温腐蚀。灰中的Fe：Fe2O3增加，灰熔点降低，并显著受气氛影响。第三节影响高温受热面灰污染的几个主要化学反应7 二、碱金属反应和高温积灰煤中碱金属（主要是Na及K）的含量不多，但对结渣和高温对流受热面积灰有重要影响。煤中碱金属在火焰中挥发，通过炉内烟气中反应主要以气态M2O、MOH、MCl、M2SO4等形式存在，烟温低时以M2SO4较稳定。烟温降低或接触到受热面、灰颗粒时，上述成分凝结，并可与SO2、SO3反应转化成M2SO4。因M2SO4熔点低，在受热面上易烧结，引起高温积灰及腐蚀；在飞灰表面增加颗粒表面粘性，也有利于积灰。三、SiO2的反应第三节影响高温受热面灰污染的几个主要化学反应8 一、水冷壁结渣1.结渣过程水冷壁结渣是由熔融或半熔融颗粒撞击到管壁或管壁上原积有粘性灰所引起。结渣形成过程是，首先在水冷壁表面应存在粘性的沉积物，然后通过壁温的提高和粘附捕捉，以及反复的理化作用，则会形成厚而硬的结渣，外层灰渣甚至处于熔化和流动状态。第四节炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀9 2.结渣危害影响传热，炉膛水冷壁吸热量减少，降低锅炉运行经济性；导致炉膛出口烟温升高和过、再热汽温超温，为了维持汽温，需要降低负荷；燃烧器喷口结渣影响流动状态和炉内燃烧状况；给水循环的安全性和水冷壁的热偏差带来不利影响，也导致高温对流受热面吸热不均；掉渣会砸坏冷灰斗，影响锅炉的安全运行。第四节炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀10 3.影响结渣的主要因素煤灰成分和组成煤灰中低熔点成分的含量炉膛的设计特性（炉内温度水平和热负荷）qV↑，炉内燃烧温度高，易结渣；qA↑，燃烧器区域易结渣，qA，炉膛出口易结渣；qB↑，燃烧器区域温度高，易结渣炉内空气动力特性火焰中心偏斜、火焰贴墙或冲墙燃烧器风粉分配不均水冷壁附近的局部还原性气氛锅炉运行负荷：负荷高时易结渣。第四节炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀11 4.结渣预测（我国常用指数）灰熔点（ST）ST<1260C，结渣倾向严重；ST=1260-1350C，结渣倾向中等；ST>1350C，结渣倾向轻微。碱酸比：B/AB/A>0.4，结渣倾向严重；B/A=0.206-0.4，结渣倾向中等；B/A<0.206，结渣倾向轻微结渣指数（Rs=B/A*St,d）(适合于烟煤型的灰)Rs>2.6，结渣倾向严重；Rs=2.0-2.6，结渣倾向强；Rs=0.6-2.0，结渣倾向中等Rs<0.6，结渣倾向轻微第四节炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀12 5.防止结渣的运行措施燃用煤种与设计煤种的匹配燃烧调整：降低炉内的最高温度水平和改善炉内的燃烧气氛以防止还原性气氛（特别是在水冷壁附近）的出现吹灰和优化吹灰第四节炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀13 二、水冷壁高温腐蚀1.硫化物型腐蚀煤中硫（FeS2和有机硫）在火焰中还原性气氛下反应生成S和H2S；硫及H2S与受热面的氧化层、受热面金属反应导致腐蚀。FeO+H2SFeS+H2OFe+SFeS第四节炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀14 二、水冷壁高温腐蚀2.氯化物型腐蚀煤中氯在烟气中挥发，在火焰中或受热面生成HCl；HCl与受热面的氧化层、受热面金属反应(在400-600C时反应最活跃)导致腐蚀FeO+HClFeCl2+H2OFe+2HClFeCl2+H2Fe3C+HCl3FeCl2+H2+C第四节炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀15 水冷壁高温腐蚀影响因素燃料性质（特别是燃煤的含硫量、含氯量等）；炉内燃烧的气氛特别是水冷壁壁面附近的气氛；空气动力场和燃烧工况；水冷壁温度。防止措施控制管壁温度；控制燃烧气氛特别是水冷壁壁面附近的气氛；合理组织炉内燃烧工况，防止水冷壁结渣、火焰中心偏斜或冲、刷墙等可能引起热偏差的现象发生；保证水动力的稳定以避免传热恶化的出现。第四节炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀16 一、高温积灰是指布置在炉膛上部和水平烟道中的屏式和对流式过热器或再热器受热面上的沾污通常发生在受热面的迎风面，属高温烧结性积灰，烟温为700~1100℃，是由沉积的灰粒经化学反应和积灰层烧结而形成的。熔融积灰层会被高温烧结，形成有较高机械强度的密实积灰层。一旦烧结，难以吹灰清除。第五节高温对流受热面的积灰和腐蚀17 碱金属化合物型积灰煤中碱金属在火焰中挥发碱金属化合物在烟气中或受热面上生成硫酸盐MCl/MOH/MCl+SO2+O2M2SO4碱金属硫酸盐熔点低（Na2SO4为884C，K2SO4为1069C），易凝结而沉积在高温对流受热面上，并易烧结。在受热面上易生成复合硫酸盐，复合硫酸盐在500~800℃范围内呈熔融状，会粘结飞灰并继续形成粘结物，使灰层迅速增厚。钙化物型积灰高氯或高钙煤沉积物中钙含量高，主要为硫酸盐碱金属硫酸盐的初始沉积也起关键作用。第五节高温对流受热面的积灰和腐蚀18 积灰特性的预测烟煤型灰（Fe2O3>CaO+MgO）积灰综合指数RF0.2，沾污倾向轻微RF0.2-0.5，沾污倾向中等RF0.5-1.0，沾污倾向重RF>1.0，沾污严重褐煤型灰（Fe2O3>CaO+MgO,CaO+MgO>20%）积灰综合指数RF0.5%，沾污倾向轻微RF0.5-1.0%，沾污倾向中等RF1.0-1.5，沾污倾向重RF>1.5，沾污倾向严重第五节高温对流受热面的积灰和腐蚀19 高温积灰及其严重程度的影响因素煤中灰分的成分和含量灰中碱性成分（主要是Ｎa2O以及K2O）锅炉的设计燃料燃烧方式运行条件第五节高温对流受热面的积灰和腐蚀20 二、高温对流受热面的煤灰腐蚀高温腐蚀和高温粘结性积灰紧密相连．第一步：管壁上因碱金属成分的凝结形成极细灰粒沾污层；第二步：冷凝的Na2O等与SO3作用形成Na2SO4；Na2SO4有粘性，呈淡白色，熔点低，会进一步吸收SO3，并与Fe2O3、Al2O3等作用生成具有腐蚀性的复合硫酸盐；第三步：随着硫酸盐沉积量的增多，热阻加大，表面温度升高至硫酸盐熔点时，管壁上金属氧化膜Fe2O3保护层会被溶解破坏。第四步：复合硫酸盐会与铁反应，形成Na2Fe(SO4)3循环作用使腐蚀不断进行。第五节高温对流受热面的积灰和腐蚀21 一、高温对流受热面的煤灰腐蚀复合硫酸盐的熔点很低，且复合硫酸盐具有由高温处向低温壁面移聚的能力，从而使腐蚀过程继续下去和增强。金属壁温在650~700℃时腐蚀速度达到最严重。Na3Fe(SO4)3熔点624℃K3Fe(SO4)3熔点618℃高温积灰和腐蚀如图所示第五节高温对流受热面的积灰和腐蚀22 高温对流受热面煤灰腐蚀的影响因素煤中含硫和煤灰含碱金属材质和壁面温度受热面布置区域的烟气温度第五节高温对流受热面的积灰和腐蚀23 高温积灰和腐蚀的防止措施控制管壁温度采用低氧燃烧技术选择合理的炉膛出口烟温定时对过热器和再热器进行吹灰，清除含有碱金属氧化物和复合硫酸盐的灰污层，阻止高温腐蚀的发生。合理组织燃烧，改善炉内空气动力及燃烧工况，防止水冷壁结渣、火焰中心偏斜或后移等可能引起热偏差的现象发生，减少过热器与再热器的沾污结渣；采用顺列管排，加大管间节距。第五节高温对流受热面的积灰和腐蚀24 一、蒸汽侧高温氧化现象因高温水蒸汽中的结合氧与受热面金属发生的氧化反应，就称之为蒸汽侧高温氧化。3Fe+4H2OFe3O4+4H2高参数（超临界以上）机组中常见。二、蒸汽侧金属氧化膜的特点金属氧化膜的生长速率主要与金属的温度、材料特性及其接触高温蒸汽的时间有关。不同金属材料在同样的温度下，蒸汽侧氧化膜的生长速率是不同的。第六节对流受热面的蒸汽侧氧化25 三、蒸汽侧高温氧化的影响蒸汽侧金属氧化膜有利于防止蒸汽侧氧化腐蚀，但也影响锅炉运行的安全性和经济性。1.减小金属部件的有效承载厚度。2.使受热面金属温度升高。3.氧化膜的脱落四、蒸汽侧氧化膜危害的防止措施1.减缓氧化膜的生成速度（提高金属的抗氧化能力）2.防止氧化膜的脱落（控制启、停和变负荷时的升温或降温速率。）第六节对流受热面的蒸汽侧氧化26 1.锅炉受热面灰污的类型和特点。2.锅炉受热面烟气侧的腐蚀类型及其特点。3.燃料的灰成分及其对灰熔融特性的影响。4.煤粉燃烧过程中黄铁矿（FeS2）的主要反应、气氛影响和结渣。5.煤中碱金属成分炉内转化和积灰。6.炉膛水冷壁结渣过程及其影响因素以及预防措施。7.水冷壁高温腐蚀机理及其影响因素以及预防措施。8.高温对流受热面积灰机理及主要影响因素以及预防措施。9.高温对流受热面煤灰腐蚀机理及其影响因素以及预防措施。10.高温对流受热面水蒸汽氧化的机理及其影响因素以及应对措施。本章小结27 锅炉的灰沉积：结渣和积灰28 水冷壁结渣29 对流受热面积灰烟气流向高温过热器的严重积灰30 煤粉燃烧时煤中矿物质成灰过程示意图31 飞灰和炉渣32 Fe、灰熔融特性和气氛（B&W）33 煤中碱金属的转化34 结渣过程初始沉积层：松而弱粘结，1-2mm粘结层：固体层，部分烧结或烧结；半熔融或熔渣层35 吹灰36 初始沉积物半熔融态沉积物温度增加热流炉膛水冷壁固体沉积物熔融态沉积物—熔渣沉积层表面的温度；—临界粘度的相应温度；—固化温度；—管子表面温度结渣沉积层的结构与温度37 高温积灰过程（Couch）脱落的氧化皮38 高温对流受热面煤灰腐蚀烟气流向被腐蚀的过热器管横截面烟气流向被腐蚀的过热器管横截面39 脱落的氧化膜脱落的氧化皮40