循环流化床垃圾焚烧锅炉运行故障及影响因素的探究

循环流化床垃圾焚烧锅炉运行故障及影响因素的探究

何勇锋

何勇锋

昆明中电环保电力有限公司昆明650208

摘要：通过分析设计数据与运行工况，查找过热器管子腐蚀速率过快的原因。认为锅炉严重缺氧燃烧，在炉内形成了强烈还原性气氛将导致过热器腐蚀加剧、并带来返料量过大和积灰加剧等系列运行故障。

关键词：循环流化床垃圾焚烧锅炉：腐蚀：积灰：返料异常

1前言

我国目前已经投入运行的垃圾焚烧锅炉有机械炉排炉、回转窑、循环流化床锅炉等几种炉型。其中循环流化床锅炉因其采用煤与垃圾混烧，煤中硫对二恶英的生成具有一定的抑制作用[1]。且由于循环流化床锅炉设备国产率较高，投资费用低等优点，在国内得到了一定程度的普及。至2010年我国已建及在建筹建的生活垃圾焚烧发电厂116座，其中循环流化床垃圾焚烧炉为36座。但是目前在运行的循环流化床垃圾焚烧锅炉仍然存在诸多问题，如磨损、腐蚀、积灰以及进料和出渣堵塞等。仍然困扰着各焚烧发电厂。本文针对我单位异重循环流化床垃圾焚烧锅炉二次风系统出现堵塞导致受热面磨损和高温过热器出口段腐蚀加剧、以及返料量巨大等故障，从原理上进行了分析。对采取调整措施后取得的效果和存在不足之处进行了探讨。旨在抛砖引玉，引起大家对此问题更加深入的研究与探索，为循环流化床垃圾焚烧锅炉的经济、安全运行找到更优化的设计与运行调整的方法。

2锅炉运行过程中出现的问题

2.1二次风系统问题

由于垃圾给料间布置有垃圾给料链板和双螺旋给料机，其密封效果较差。为了防止臭气和锅炉正压时喷出的烟尘无组织排放，设计时将二次风取风口布置在垃圾给料间。但由于取风口设置过高，在运行过程中清扫困难。造成取风口滤网堵死。进而造成二次风量不足，二次风喷口的风压降低至0.5Kpa。又由于氧量计不准确，显示氧量在10%以上，造成操作人员误以为氧量充足，二次风已无必要再加大。因此造成锅炉长时间严重缺氧燃烧。其中#1、#2炉堵塞最严重。#3和#4炉由于二次风取风口滤网堵塞后导致破损，出现了一个400×600mm的破口。二次风量相对要稍高一些，二次风喷口风压尚可保持在1.5Kpa左右。

2.2返料量过大

返料量的大小一般可由炉膛差压值的大小来进行判断，该炉型的炉膛差压设计为200Pa。但运行中长时间在500Pa以上，垃圾入炉不均匀时甚至超过1000Pa。

2.3过热器腐蚀

布置在尾部烟道的过热器磨损、腐蚀严重。高低温过热器局部磨损经常引起过热器泄漏。高温过热器出口管圈出现较多的腐蚀坑，腐蚀主要集中在壁温较高的管段。其中#2炉运行仅1.5年后高温过热器出口几层管圈腐蚀坑深度达到2mm（壁厚4mm），被迫对高温过热器进行大面积换管。

2.4受热面积灰严重

过热器积灰和一次风空预器积灰严重，运行25天过热器处烟气阻力可达1000pa，一次风空预器烟气阻力高达1500pa。

3系列故障的原因分析

3.1二次风不足造成炉膛出口飞灰浓度升高

通过分析设计数据与运行工况，认为二次风系统堵塞导致二次风量和射流刚度不足，炉内严重缺氧燃烧，是造成返料量过大根本原因。当炉内严重缺氧燃烧时，势必造成稀相区乃至尾部烟道有大区域的还原性气氛。从炉膛出口携带飞灰颗粒中的含碳量较高，由于灰粒子中的固定碳未能燃烧转化为气态的CO和CO2，也使得飞灰量增多。从分离器捕捉下来的大颗粒飞灰也就增多，炉膛差压严重偏离了设计值。

3.2二次风堵塞造成磨损加剧

二次风不足也是过热器磨损加剧的重要原因。当前述原因使得炉膛出口的飞灰不正常的增多时，在旋风分离器效率一定的情况下，从分离器逸出的小颗粒（d<100um）也就增多、烟气中颗粒浓度增大，是造成过热器部位磨损加剧的一个重要原因。当然循环流化床锅炉的磨损原因还有很多，如烟气偏斜、局部涡流、烟气走廊等等也会造成磨损。这里不再加以叙述。

3.3二次风系统堵塞造成过热器腐蚀加剧

垃圾焚烧锅炉过热器区域的腐蚀主要原因是烟气中的cl及其化合物在壁温较高区域产生的高温腐蚀，单二次风不足也还是高温过热器高温腐蚀加剧的重要原因。垃圾焚烧炉中的金属腐蚀主要为Cl腐蚀，其次为S腐蚀。下面对它们在还原性气氛和氧化性气氛中的腐蚀分别进行分析。

3.3.1还原性气氛下的S腐蚀：

还原性气氛下H2S的浓度远远高于SO3的浓度，成为还原性气氛下硫腐蚀的主体，它可以与铁直接反应生成硫化铁，硫化铁可与金属生成低熔点的共晶体。H2S透过附面层，与磁性氧化铁层中的复合FeO作用。

反应方程：

H2S+Fe=FeS+H2

H2S+FeO=FeS+H2O

3.3.2氧化性气氛下的S腐蚀：

氧化气氛下的S腐蚀是SO2、SO3与管壁产生电化学腐蚀，另外酸性的SO3在硫酸盐灰垢中具有溶解氧化物的倾向。其在低温受热面壁温低于酸露点温度时所造成的腐蚀比较明显。

反应方程：

2SO2十O2=2SO3

SO3+2e=SO2+O2-

Me=Men++ne-（金属的阳极氧化)

Fe2O3(坚固)十3SO3(气体)=Fe2(SO4)3(松散)

3.3.3还原性气氛下的S腐蚀

实验表明[3]，对S腐蚀而言，还原性介质要比氧化性介质更具有腐蚀性。过热器采用碳钢，工作温度在500℃情况下，H2S的腐蚀量大约是同浓度SO2腐蚀量10倍左右；采用低合金钢12Cr1MoV情况有所改善，同样工作温度为500℃，烟气中H2S浓度为002％～0．07％时，烟气的腐蚀性是同等条件下纯空气腐蚀性的2～4倍。

3.3.4还原性气氛中的Cl腐蚀：

由于高温低氧燃烧条件下使烟气中产生大量CO还原性气体,使得保护性的Fe2O3、Fe3O4氧化膜转化为不具保护性的魏氏体FeO。[6]CO对高温腐蚀的作用主要表现在对Fe2O3保护膜的还原破坏[5]。Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2

在还原性气氛中气体中几乎所有的Cl以HCl形式出现,可以直接与氧化膜反应[6]，Fe3O4+6HCl=3FeCl2+3H2O+1/2O2

因此在氧化膜直接和CO及HCl反应下，金属的防护能力基本消失，腐蚀速率大大加快。

3.3.5氧化性气氛下的Cl腐蚀：

张鹤生提出[7]，如受热面管子所处的烟气环境为含氧较高的氧化气氛，则氧在积灰层的碱金属氯化物硫化反应中消耗了一部分后，又有多余的氧透过积灰层深入到紧贴管壁表面的腐蚀前沿，与FeCl2发生下列反应：

4FeCl2+3O2=2Fe2O3+4Cl2，

因此，在氧化性气氛的烟气中，管壁表面已形成了Fe2O3保护层，Cl2就不再与管壁金属反应，氯腐蚀反应即终止。而上述反应所释放出来的Cl2只能与其他部分的清洁管壁金属起反应。许明磊认为[8]受热面的金属管壁表面一般都会生成一层光滑致密的氧化保护膜，这层膜可以阻止氧化性气体与金属基体的接触，减少腐蚀的发生。但是，如果腐蚀性气体能够穿透这一氧化保护层，就可能发生加速的腐蚀反应。一般认为气态氯就具有这种能力。

通过第3.3.1-3.3.5的分析可以认为锅炉严重缺氧燃烧，在炉内形成了强烈还原性气氛将导致过热器腐蚀加剧。我单位#3、#4炉的高温过热器出口段的腐蚀相对较轻，其腐蚀坑的深度不超过0.5mm，受腐蚀的管子也相对较少。而#1、#2炉（二次风量相对更低）的腐蚀坑深度最高达2mm，50%的管子均已发现较多的腐蚀坑。也从实际中验证了这种理论的正确性。

3.4还原性气氛对积灰的影响

过低的氧量(如<2.5%)和过高的含碳量可能会加速积灰的形成[8]。且炉膛氧量过低也会引锅炉高温分离器后存在严重的后燃现象。而过热器的烧结灰与温度场关系密切。过热器的积灰烧结强度和温度成正比。其积灰速度与受热面壁温成正比。这也是设计比较好的垃圾焚烧锅炉将过热器入口烟温控制在650℃的原因之一。

4解决措施及不足

4.1解决措施及效果

通过对二次风系统进行彻底清理，包括二次风取风口滤网、二次风空预器、二次风环形箱体。并要求操作人员必须提高二次风机变频开度，提高二次风压及射流刚度，以消除锅炉存在的中心贫氧区。采取以上措施后，炉膛差压降低到300pa左右。过热器积灰情况的到好转，目前运行45天以上过热器处的烟气阻力仍然小于300pa。一次风空预器烟气阻力目前运行45天任然只有500pa左右。检查过热器管子的腐蚀速率来看，比以前的2mm/a将大大降低。

4.2该炉型仍然存在的不足

由于过热器入口的设计烟温高达872℃虽然将高、低过采取了特殊布置，壁温最高点不超过521℃。但对于腐蚀和积灰来说，仍然处于腐蚀和积灰的严重温度区域。

一次风空预器进风温为常温，空预器部分管壁温度低于酸露点温度以下。虽然设计采用了搪瓷管，可以避免低温腐蚀，但空预器的烟气侧发生积灰的情况目前仍然无法避免。运行周期不足2个月就被迫停炉对过热器和一次风空预器进行清灰。

5结论

5.1还原性气氛会加剧流化床垃圾焚烧锅炉过热器的腐蚀和积灰，导致运行参数严重偏离设计值。保证二次风足够的风量和刚度，有助于减轻腐蚀和积灰，延长过热器使用寿命和运行周期。

5.2将过热器布置在较低烟温环境中，并将壁温控制在中、低腐蚀区域是一个较好方法，比如在过热器前布置对流受热面，使过热器入口烟温低于650℃。国外引进的比较成熟的炉排炉均有采用这种设计，在工质参数为4Mpa、400℃的情况下腐蚀和积灰均比较轻。再采用振打+燃气脉冲式清灰装置和较大的管间距布置，连续运行周期可长达6个月以上，运行近3年尚未发现过热器管子存在较严重的腐蚀。

5.3增设蒸汽式空气预热器，将进入烟气式空气预热器的空气加热到高于80℃，或者取消烟气式空气预热器，可以避免空预器管子壁温低于酸露点温度引起的腐蚀和积灰。对管子的耐腐蚀性能要求也较低。

5.4烟气中含有cl及其化合物是造成过热器管子严重高温腐蚀的根源，如采取在炉内投入石灰石对其进行脱除，将是减轻腐蚀的方法之一。

参考文献

[1]EnvironmentalScienceandTechnology，2006,40(22),7040-7047

[2]曹玉春吴金星李言钦魏新利李晓东严建华.流化床垃圾焚烧技术及其污染物排放特性.电站系统工程.2008(9)31-36

[3]左军陈思鉴林伯川闽常峰杨卫斌.垃圾焚烧炉过热器高温腐蚀与防护的研究概况.锅炉技术2002(3)26-31

[4]岑可法等锅炉和热交换器的积灰、结渣磨损和腐蚀的防止原理与计算[M]科学出版社

[5]龚柏勋.垃圾焚烧炉烟气成分对过热器高温腐蚀的影响及其防止方法初探.热力发电1995.（6）54-57