生物质电站锅炉省煤器爆管分析

时间：2022-10-11 14:48:25

关键字：生物质锅炉省煤器爆管

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[导读]摘要:近年来我国生物质电站锅炉数量急剧增加,而受热面爆管是生物质锅炉最常见的事故。现针对某电厂生物质锅炉省煤器爆管事故进行分析,结合生物质电厂实际运行情况得出此次爆管的主要原因为生物质燃料不达标,燃料中灰分过大,造成烟气吹损:给水质量不合格,造成内部氧腐蚀:外表面存在氯化铵腐蚀。

引言

我国是煤炭消耗大国,而每年火力发电用煤占全国用煤总量的1/3。燃煤锅炉对环境造成的污染非常严重,随着环保要求越来越严格,燃煤锅炉在环保方面的投入也越来越大。在我国碳达峰、碳中和的战略目标指导下,电力结构亟需调整,燃煤锅炉装机容量需要降低,清洁能源装机容量有待提高。

我国作为农业大国,农林生物质资源丰富,且农林生物质具有对环境友好、可再生等优点,非常适合替代部分煤电以减轻环保压力。生物质燃料锅炉的开发,对节约化石能源、优化我国能源结构、减轻环境污染有着积极意义。

近年来,安徽省生物质发电锅炉数量迅速增加,平均每个县级区域至少一台。但生物质锅炉受热面爆管事故频发,尤其是省煤器管爆管,会增加锅炉非停次数,直接影响电厂经济效益。因此,降低锅炉受热面爆管风险就显得尤为重要。

1基本情况

安徽某生物质电厂2016年开始建厂,2017年年底锅炉投入运行。锅炉从运行至2021年年底,每年都会因为省煤器爆管而紧急停炉检修,给使用单位带来重大损失。

该锅炉设计为高温、高压参数自然循环炉,采用单锅筒、单炉膛、平衡通风、室外布置、固态排渣、全钢构架、底部支撑结构。设计燃料为黄色秸杆和灰色秸杆掺烧,设计燃料成分如表1所示。

该锅炉几次爆管位置均不在最上面一层,而在从上往下数第3、4层的位置,如图1所示。

2省煤器爆管处理分析

2.1光谱分析

对爆管位置用手持式x射线荧光光谱仪进行光谱分析,其材料化学元素成分如表2所示。

由表2可知,该爆管处化学成分符合GB/T5310—2017中对20G的要求。

2.2金相检测

在爆管位置取样进行金相检测,经过打磨、研磨、腐蚀后,用光学显微镜观察钢材组织,其组织为珠光体+铁素体,组织没有发生劣化。金相组织如图2所示。

图2爆管处金相组织

2.3壁厚测量

对爆管处及周围管壁进行壁厚测量。爆管位置最薄处1.7mm,周围管壁厚度在m.5~4.0mm,壁厚正常。

3爆管原因分析

根据对省煤器爆管处的理化检测分析,该省煤器管无材质错用,材料无劣化,壁厚为局部减薄。

3.1烟气腐蚀

生物质燃料成分复杂,含有多种盐类(如氯化物盐),燃烧产生的烟气腐蚀性很强。该锅炉采用sNCR方式脱硝,即在炉膛里喷洒氨水。烟气中的氯化盐和氨水反应会生成氯化铵。

氯化铵随烟气附着在受热面管上,在一定温度下结晶成垢。氯化铵盐在有少量水的情况下就可以造成严重的腐蚀,而氯化铵盐又有很强的吸湿性。氯化铵盐对碳钢的最大腐蚀速率可达2.5mm/a[1],同时在无水情况下也会产生腐蚀现象,而且多为垢下点蚀,常规目视极难发现。所以即使省煤器部位烟气温度高于露点温度,如果有氯化铵盐附着在省煤器管子上形成垢层,也会发生腐蚀。该锅炉省煤器管采用20G材质,对氯化铵腐蚀的耐受度极低,从省煤器爆管破口形貌看,也符合氯化铵点蚀的腐蚀特征。

在锅炉运行过程中,由于燃料成分不均匀,烟气量及烟气成分会出现变化,而喷淋氨水量不能随之变化,在氨水量相对烟气量较多时,就会产生较多的氯化铵,造成腐蚀。

生物质燃料中虽然s含量比煤中少,但是锅炉烟气脱硫装置在布袋除尘器之前,且由表1可知,该生物质锅炉设计燃料成分中全水占23.93%,占比非常高。而在实际生产中,使用单位收到的物料会带有更多的水分,且会夹杂一些其他设计燃料之外的物料,生产现场燃料中s含量和水分只会比设计燃料更高。有研究表明,随着烟气中s02、s03等硫化物气体分量的增加,烟气的露点温度也会升高。所以,在尾部低温区域极有可能发生硫酸性腐蚀。

3.2烟气吹损

该锅炉省煤器设计由小38×4、20G管子弯制而成的光管蛇形管屏组成,管屏通过支撑板坐在模块底部的梁上,周围设有内护板,起到密封和防低温腐蚀的作用。给水沿蛇形管自下而上与烟气成逆向流动,可将管内可能产生的气体及时带出。管子沿烟气方向顺列布置。吹灰系统采用蒸汽吹灰。

由表1可以看出,设计生物质燃料的成分中,固定碳占13.3%,挥发分占59.6%,灰分只占3.17%。

就当前生物质燃料市场而言,50km是生物质燃料收购面积的最佳半径。一旦超过50km,燃料价格中运输费用所占比例就会明显增加(大概1t燃料多运送1km会增加1元费用)。如果燃料收购半径超过100km,则运输成本对生物质电厂来说是难以接受的。

然而在安徽北方地区,情况恰恰相反,生物质电厂密集,燃料供不应求,距离近的两家电厂常常会出现抢购燃料的现象。在这种供求关系下,送料方在利益的驱使下,燃料质量往往与设计燃料相去甚远,而电厂则为了有燃料可用,只能有什么样的就收什么样的。

实际生产中使用单位收到的物料中掺灰、掺土甚至掺石头的情况很常见,这就导致在实际锅炉运行过程中,燃料中的灰分极大。燃料中灰分占比大,对锅炉带来的最直接的影响就是会加大受热面管的磨损。

该锅炉采用光管省煤器,且是顺列布置。锅炉中省煤器一般有光管和H型肋片两种型式,光管省煤器对比H型肋片省煤器来说,热效率低约15%,排烟温度高约50℃。所以,在相同热效率下,光管省煤器布置会比H型肋片省煤器密集,且需要增加省煤器体积,这就会使烟风阻力增加,从而使省煤器管磨损增大。光管省煤器的优点在于更换方便,H型肋片省煤器更换困难,一旦出现爆管,维修工作量会大大增加。

省煤器管采用顺列布置,容易形成烟气走廊。烟气走廊中烟气流速比正常的烟气流速要快很多,且飞灰浓度也要更高。烟气对受热面管的磨损程度与烟气流速的三次方成正比,所以一旦形成烟气走廊,则该部位受热面管的磨损速度会大大加快。锅炉尾部区域的烟气温度比较低,飞灰硬度比高温区域要高,所以尾部受热面,尤其是省煤器区域,最容易出现受热面管磨损减薄。一般省煤器上数第1层和第2层管子都会有防磨瓦保护,基本不会发生磨损,最容易发生磨损的位置反而是靠下侧的管子。

该锅炉省煤器采用蒸汽吹灰,在所有吹灰方式中,蒸汽吹灰效果最好,但是对受热面的损害也最大,且在尾部用蒸汽吹灰会增大腐蚀的概率。

3.3给水氧腐蚀

给水腐蚀中最常见的是氧腐蚀(溶解氧腐蚀),当锅炉给水除氧不彻底时,就会发生氧腐蚀。氧腐蚀是一种电化学腐蚀,其腐蚀机理如下:

阳极: