结渣和高温积灰及高温腐蚀课件

2024/7/5动本091-21第五篇 锅炉外部过程及燃煤污染物净化技术第十六章 结渣和高温积灰及高温腐蚀第一节 煤粉锅炉受热面的积灰和腐蚀第二节 燃煤矿物成分的化学物理特性第四节 炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀第五节 高温对流受热面的积灰和腐蚀第六节 对流受热面的蒸汽侧高温氧化2023/8/13动本091-21第五篇 锅炉外部过程及燃煤2024/7/5动本091-22第一节 煤粉锅炉受热面的积灰和腐蚀一、积灰类型1、水冷壁结渣2、高温黏结性积灰（高温对流受热面积灰）3、中低温积灰（尾部受热面积灰）二、管子外部腐蚀1、水冷壁高温腐蚀2、高温对流受热面腐蚀3、低温腐蚀2023/8/13动本091-22第一节 煤粉锅炉受热面的积2024/7/5动本091-23第二节 燃煤矿物成分的化学物理特性一、煤灰成分 主要矿物成分8种元素：Si、Al、Fe、Ca、Mg、Ti、K、Na 在灰分分析中，灰组分均以氧化物成分给出。见表16-1 酸性氧化物；碱性氧化物2023/8/13动本091-23第二节 燃煤矿物成分的化学2024/7/5动本091-24二、煤灰主要矿物质的熔化温度 见表16-2 低熔点化合物 中熔点化合物 高熔点化合物共熔体熔点更低。2023/8/13动本091-24二、煤灰主要矿物质的熔化温2024/7/5动本091-25灰熔点的影响因素：灰分成分 一般酸性氧化物，灰熔点；碱性氧化物，灰熔点。灰所处周围环境的性质 还原性气氛，共晶体生成，灰熔点。FeFe2 2O O3 3+CO=2FeO+CO+CO=2FeO+CO2 2 Fe Fe2 2O O3 3+H+H2 2=2FeO+H=2FeO+H2 2O O FeO又形成低熔点的共晶体。灰分含量 2023/8/13动本091-25灰熔点的影响因素：2024/7/5动本091-26第四节 炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀一、结渣（1）结渣过程在煤粉炉的炉膛中，燃烧形成的熔融灰渣黏结在受热面上，并积聚发展成一层硬结的灰渣层，这个现象称为结渣。部位：通常在燃烧器区域水冷壁、炉膛折焰角、屏式过热器及其后面的对流受热面等处，有时炉膛下部的冷灰斗处也会发生结渣。2023/8/13动本091-26第四节 炉膛水冷壁结渣和高2024/7/5动本091-272023/8/13动本091-272024/7/5动本091-28（2）结渣危害1）使炉内传热变差；2）炉膛出口的受热面超温；3）炉膛内未结渣的受热面金属表面温度升高，引起高温腐蚀；4）排烟温度提高，锅炉效率降低；5）结渣严重时，大块渣落下，可能扑灭火焰或砸坏炉底水冷壁，造成恶性事故。2023/8/13动本091-28（2）结渣危害2024/7/5动本091-29（3）影响结渣的主要因素 一是火焰贴近炉墙时，烟气中的灰仍呈熔化状态。二是火焰直接冲刷受热面。1）炉膛温度水平和热负荷：炉内燃烧器区域的温度越高，结渣的可能性就越大。锅炉负荷越高，结渣的可能性也越大。2）灰的特性：灰的熔点温度；灰的黏性；灰的组成成分。3）炉内燃烧区的气氛：还原性气氛，低熔共晶体使得灰的熔点明显降低。4）炉内流场：煤粉气流的流动特性，实际运行中，造成火焰贴墙，形成死旋涡区并出现还原性气氛，锅炉超负荷运行、炉膛漏风严重、送风量过大、风煤配合不当以及煤粉细度过大等，都可能导致炉内熔化的灰渣与水冷壁接触形成结渣。2023/8/13动本091-29（3）影响结渣的主要因素2024/7/5动本091-210二、水冷壁高温腐蚀（一）高温腐蚀 高温腐蚀是燃料中的硫在燃烧过程中生成腐蚀性灰污层或渣层以及腐蚀性气氛，使高温受热面金属管子表面受到侵蚀的现象。腐蚀严重的现象通常出现在燃烧器区域。2023/8/13动本091-210二、水冷壁高温腐蚀（一）2024/7/5动本091-211（二）水冷壁高温腐蚀形式 硫化物型腐蚀 SO3气体腐蚀 氯化物型腐蚀2023/8/13动本091-211（二）水冷壁高温腐蚀形式2024/7/5动本091-212 1、硫化物腐蚀 （1）黄铁矿硫粉末FeS2随着高温烟气流过水冷壁的管壁，在还原性气氛下受热分解，产生硫化氢（H2S）和游离气态S原子。当水冷壁管子附近有一定浓度的H2S和SO2时2023/8/13动本091-212 1、硫化物腐蚀 2024/7/5动本091-213（2）在还原性气氛中，由于缺氧，自由硫原子S可以存在。当水冷壁管壁温度达到350时，会有硫化反应，同时还有硫化亚铁与氧化亚铁的反应：H2S+FeFeS+H2 2023/8/13动本091-213（2）在还原性气氛中2024/7/5动本091-214 原因：内因-燃料中的硫(H2S S)外因-还原性气氛 CO+3FeCO+3Fe2 2O O3 33Fe3Fe3 3O O4 4+CO+CO2 2 CO+Fe CO+Fe3 3O O4 43FeO+CO3FeO+CO2 2 CO+FeFeO+C CO+FeFeO+C2023/8/13动本091-214 原因：2024/7/5动本091-215黄铁矿FeS2和有机硫化合物燃烧时生成SO2：由SO2转化为SO3方式：2、SO3气体腐蚀 1）在高温下，SO2与烟气中的自由氧原子反应，生成SO3。而自由氧原子可以由如下三种方式产生：氧气在炉膛内的高温条件下分解；2023/8/13动本091-215黄铁矿FeS2和有机硫化2024/7/5动本091-2162）催化反应生成SO3。当高温烟气流过水冷壁积灰层的时候，由于有灰层中的五氧化二钒和氧化铁的催化作用，产生了下列反应：2023/8/13动本091-2162）催化反应生成SO3。2024/7/5动本091-2173）煤中的硫酸盐热解产生SO3：SO3气体可以穿过灰层直接与壁面的氧化铁膜反应生成硫酸铁：水冷壁温度对腐蚀发展的影响见图16-1。2023/8/13动本091-2173）煤中的硫酸盐热解产2024/7/5动本091-218(3)氯化物型腐蚀 煤灰中含有NaCl 2NaCl+H2NaCl+H2 2O NaO Na2 2O+2HClO+2HCl 2NaCl+H 2NaCl+H2 2O NaOH+HClO NaOH+HCl 2NaCl+H 2NaCl+H2 2O+SOO+SO3 3 Na Na2 2SOSO4 4+2HCl+2HCl HCl气体具有破坏管子表面氧化膜的作用：2HCl+Fe2HCl+Fe2 2O O3 3+CO+CO FeO+FeClFeO+FeCl2 2+H+H2 2O+COO+CO2 2 当燃煤含氯量（大于0.35%）时，高温水冷壁会发生严重的氯化物腐蚀。2023/8/13动本091-218(3)氯化物型腐蚀2024/7/5动本091-2193、防止高温腐蚀的措施（1）在水冷壁金属表面喷涂耐腐蚀材料，或提高水冷壁金属材料的耐腐蚀性能。（2）采用低氧燃烧技术。减小炉内的过量空气系数，自由氧原子的生成量减少，二氧化硫转化为三氧化硫的转化率降低，三氧化硫的浓度低，发生高温腐蚀的机会就会减少。（3）合理配风和强化炉内气流的湍流混合过程，避免出现局部还原性气氛，以减少H2S和硫化物型腐蚀。2023/8/13动本091-2193、防止高温腐蚀的措施 2024/7/5动本091-220（4）采用烟气再循环，可以降低炉膛内火焰温度和烟气中的SO3浓度，减轻高温腐蚀。（5）采用贴壁风技术，在水冷壁壁面附近形成氧化气氛的空气保护膜，避免高温腐蚀。（6）水冷壁管壁温度过高是引起水冷壁结渣和高温腐蚀的重要原因，应当避免出现水冷壁局部管壁温度过高现象。2023/8/13动本091-220（4）采用烟气再循环，可2024/7/5动本091-221第五节 高温对流受热面的积灰和腐蚀一、高温积灰 高温过热器和高温再热器布置在烟温高于700800的烟道内。管子外表面的灰层由两部分组成。内层灰紧密，与管子粘结牢固;外层灰松散，容易清除。2023/8/13动本091-221第五节 高温对流受热面2024/7/5动本091-222形成机理：（1）低熔灰（700700-850850）在高温过热器区未凝固，当接触温度较低的受热面时凝固，形成粘性灰层。一些中熔（900-1100900-1100）、高熔灰粒（1600-28001600-2800）被粘附在粘性灰层中。（2）烟气中的氧化硫气体在对灰层的长期作用下，形成白色硫酸盐的紧密结实灰层，这个过程称为烧结。中熔和高熔灰在紧密结实灰层表面进行着动态沉积，形成松散而且多孔的外灰层。2023/8/13动本091-222形成机理：2024/7/5动本091-223二、高温腐蚀（一）机理（一）机理 过热器和再热器的高温腐蚀主要是由于管壁外存在过热器和再热器的高温腐蚀主要是由于管壁外存在高温粘结性灰层，灰层中含有的高温粘结性灰层，灰层中含有的碱金属碱金属，烟气，烟气三氧三氧化硫化硫与凝结在管壁的与凝结在管壁的碱金属氧化物碱金属氧化物及金属表面或灰及金属表面或灰分中的分中的氧化铁氧化铁长期作用，生成碱金属复合硫酸盐长期作用，生成碱金属复合硫酸盐NaNa3 3Fe(SOFe(SO4 4)3 3 K K3 3Fe(SOFe(SO4 4)3 3 等复合物。在管壁形成烧等复合物。在管壁形成烧结性结性复合硫酸盐复合硫酸盐内灰层。内灰层。2023/8/13动本091-223二、高温腐蚀2024/7/5动本091-224 复合硫酸盐的熔点复合硫酸盐的熔点较低，在较低，在550-710550-710内为液态，温度低于内为液态，温度低于550 550 时固态，温度时固态，温度高于高于710 710 时，它们就分解出时，它们就分解出三氧化硫三氧化硫而而成为硫酸盐。成为硫酸盐。由复合硫酸盐烧结而成的内灰层，在固由复合硫酸盐烧结而成的内灰层，在固态没有腐蚀作用，若处于熔化或半熔化状态没有腐蚀作用，若处于熔化或半熔化状态，则对金属产生强烈的腐蚀，尤其在态，则对金属产生强烈的腐蚀，尤其在650-700650-700时腐蚀最强。时腐蚀最强。2023/8/13动本091-224 2024/7/5动本091-2252023/8/13动本091-2252024/7/5动本091-2261.管壁上的碱性金属氧化物与周围烟气中的SO3发生化学反应生成硫酸盐2.SO2、SO3透过积灰层向管子表面扩散，与氧化保护膜反应。3SO3+Fe2O3 Fe2(SO4)3(二）腐蚀过程二）腐蚀过程 2023/8/13动本091-2261.管壁上的碱性金属氧2024/7/5动本091-227K3Fe(SO4)3熔化，并与铁发生反应产生腐蚀：2K2K3 3Fe(SO4)Fe(SO4)3 3+10Fe3K+10Fe3K3 3SOSO4 4 +3FeS+3Fe+3FeS+3Fe2 2(SO(SO4 4)3 3 3.熔融的复合硫酸盐形成 3K3K3 3SOSO4 4 +Fe2(SO4)32K3Fe(SO4)32023/8/13动本091-227K3Fe(SO4)3熔化2024/7/5动本091-228（三）影响因素 1、煤中含硫和煤灰含碱 2、金属材质和壁温 钢材中铬Cr是抗腐蚀元素。见图16-3 说明：含Cr量越大，腐蚀速率越小。最大腐蚀速度一般处于660-730之间。限制汽温来控制高温腐蚀。超临界和超超临界压力锅炉，末级过热器和再热器的壁温很高，采用奥氏体高铬钢材。2023/8/13动本091-228（三）影响因素2024/7/5动本091-2292023/8/13动本091-2292024/7/5动本091-230第六节第六节 对流受热面的蒸汽侧高温氧化对流受热面的蒸汽侧高温氧化一、蒸汽侧高温氧化机理一、蒸汽侧高温氧化机理 3Fe+4H2OFe3O4+4H2二、蒸汽侧金属氧化膜的特点二、蒸汽侧金属氧化膜的特点1.1.金属氧化膜生长速率：金属氧化膜生长速率：影响因素：金属温度、材料特性、接触高温蒸汽时间影响因素：金属温度、材料特性、接触高温蒸汽时间2.2.金属氧化膜成分：金属氧化膜成分：FeFe3 3O O4 4、FeFe2 2O O3 3、FeOFeO三、蒸汽侧高温氧化的影响三、蒸汽侧高温氧化的影响1.1.减小金属部件的有效承载厚度；减小金属部件的有效承载厚度；2.2.使金属受热面温度升高；使金属受热面温度升高；3.3.氧化膜脱落。氧化膜脱落。2023/8/13动本091-230第六节 对流受热面的蒸汽2024/7/5动本091-231四、蒸汽侧氧化的防止措施四、蒸汽侧氧化的防止措施1.1.减缓氧化膜的生成速度；减缓氧化膜的生成速度；2.2.防止氧化膜脱落。防止氧化膜脱落。2023/8/13动本091-231四、蒸汽侧氧化的防止措施