超临界对冲燃烧锅炉高温硫腐蚀分析及电弧喷涂防腐应用

谢卫国

(山西兴能发电有限责任公司，山西 太原 030206)

1 机组概况

山西兴能发电有限责任公司二期工程(2×600 MW)锅炉为HG－2000/25.4－YM12型一次中间再热、超临界压力变压运行、带内置式再循环泵启动系统、单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、Π形布置的本生直流锅炉，锅炉下部水冷壁及灰斗采用螺旋管圈，上部采用一次垂直上升管屏。30个低NOx轴向旋流燃烧器前后墙布置，采用对冲燃烧方式。配置正压直吹制粉系统，前墙从上至下布置B，D，F磨煤机，后墙从上至下布置 A，C，E磨煤机。每台磨煤机带1层燃烧器，任意5台磨煤机能长期带额定负荷运行。煤粉细度(设计煤种)R90=17%。

山西兴能发电有限责任公司#3锅炉投产运行1年后，发现燃烧器高度区域水冷壁左右侧墙向火侧外壁高温腐蚀严重(如图1所示)，进行了局部换管。经统计实际入炉煤的煤质资料，电厂实际用煤中硫的质量分数最高达1.50%，与设计煤种硫的质量分数0.82%相差较大。为寻求合理的解决方案，相关技术人员对兄弟电厂进行了调研。众所周知，解决劣质煤的稳定燃烧与防止高温腐蚀的发生，在许多技术的应用上是矛盾的，运行调整和设备改造效果并不是很理想，且无特别成熟的经验。

2 水冷壁高温硫腐蚀的形成过程

图1 水冷壁左右侧墙向火侧外壁高温腐蚀

对冲燃烧锅炉的高温硫腐蚀通常发生在炉膛两侧墙水冷壁上，这是因为对冲燃烧锅炉通常采用双调风旋流燃烧器，前后墙的一次风相碰后煤粉气流冲向两侧水冷壁，煤粉在水冷壁附近燃烧产生高温，导致煤粉冲刷水冷壁并形成腐蚀性气氛;同时，水冷壁两侧墙附近的旋流燃烧器出口煤粉易偏向两侧墙，并随着旋流强度的增加而加重，使两侧墙附近易形成还原性气氛和腐蚀性气体，因此，对冲燃烧锅炉的腐蚀部位一般在水冷壁两侧墙。

水冷壁高温硫腐蚀是一个比较复杂的过程，它与炉膛管壁附近的温度、气体成分、煤质和煤粒的运动状况有关。煤的硫分越高，燃烧后腐蚀性物质含量就越高，与水冷壁发生化学反应的可能性就越大。

大型锅炉水冷壁高温硫腐蚀过程如下:

(1)在炉膛内，烟气温度一般在800℃以上，煤粉中的黄铁矿(FeS2)受热分解，反应式为

一定浓度的H2S和SO2存在时，便生成硫

(2)在还原性条件下，硫直接与Fe发生反应生成 FeS，即

(3)H2S能通过 Fe2O3层，与磁性氧化铁层Fe3O4中复合的FeO发生反应

(4)高温条件下，FeS会被继续缓慢氧化成Fe3O4，即

从上述分析可知:煤中的硫和硫化物是形成硫腐蚀的物质基础，也是高温硫腐蚀的内因;外部条件是高烟温导致水冷壁温度高和煤粉火焰贴墙，形成近壁面强还原性气氛。而煤的燃烧特性则直接影响水冷壁管周围还原性气氛的生成量，影响管壁的腐蚀速度。炉膛中还原性气氛增加，可燃硫以及硫化氢等气体含量增高，这是造成高温腐蚀的重要原因;另外，除直接化学反应外，借助FeS层的半导体性能和密集的深入龟裂纹，烟气中的氧气与H2S结合，便可能发生电化学腐蚀，使腐蚀速度加快;再者，由于煤粉过粗，煤粉气流和煤粉回流区气流冲刷水冷壁管，使管壁腐蚀产物脱落，腐蚀不断进行，导致腐蚀和磨损并存。

3 防腐喷涂技术的应用

燃煤电厂锅炉水冷壁在长期经受硬固体颗粒冲击和碰撞的同时，也受到硫酸盐、亚硫酸盐、硫化氢等物质的化学腐蚀，这种典型的腐蚀与磨损并存的工况是水冷壁管工作失效的主要原因。当炉管处于高温状态时，这种腐蚀会向深层次发展，因此，对其表面进行防腐处理是非常必要的。针对锅炉工作面的腐蚀情况及运行工况参数，对锅炉水冷壁受热工作面采用超音速电弧喷涂技术进行防护，可获得良好的效果，大大延长设备的使用寿命，降低维护成本。

3.1 防腐喷涂的必要性

(1)涂层能防磨防腐，有效阻止腐蚀，防止层层剥落。

(2)采取运行调整及设备改造的措施后，虽然部分电厂有效果，但有的会加重腐蚀，其结果具有不确定性。采用电弧喷涂工艺可有效解决上述问题，且易于操作，可靠性高。

3.2 材料

防腐电弧喷涂特种丝材生产技术已比较成熟，该丝材就是针对在高温环境中经受酸、碱、盐严重腐蚀和磨粒磨损的工作表面，采用超音速电弧喷涂工艺进行有效强化而设计制造的喷涂材料。

(1)防腐特种丝材采用了特种陶瓷组分，在喷涂过程中形成硬度极高的硬质相及塑性金属相，从而使涂层既有硬质陶瓷相，又有包围这些硬质相的具有良好塑性的金属黏合相，构成抗磨损性能优异的涂层体系。涂层中的微观结构与冲蚀颗粒有一定的配比要求。

(2)构成防腐特种丝材的粉芯采用了团聚工艺，使各组分在每个颗粒中都占据相同的质量比，保证了涂层成分的均质性，避免了传统混合法存在的不均匀问题。

(3)防腐特种丝材粉芯中含有放热性成分，在喷涂过程中发生放热反应，加强了涂层与基体的结合以及涂层本身的凝聚性。

(4)防腐特种丝材涂层具有与受热面大致相近的线性膨胀系数(8.8 ×10－6/K)。

3.3 超音速电弧喷涂防腐防磨工艺介绍

超音速电弧喷涂的施工过程主要有4道工序:机械除渣、喷砂表面粗化、喷涂及涂层封闭。在各个施工阶段有着严密的检测手段及检测方法。

(1)机械除渣。除去水冷壁表面积灰及焦块等杂物。

(2)喷砂。选用#16～#20石英砂粗喷，使其表面清洁度达Sa3.0级。一般来说，工件管壁厚度不小于4mm即可进行喷砂，正常的喷砂工艺不会影响管壁的力学性能。喷砂后管壁表面应干燥，无灰尘、油污、氧化皮、锈斑及其他杂物，基材表面呈现均质的灰白色并保持一定的粗糙度，以利于喷涂层粘接，管壁打磨后减薄量为0.08～0.10 mm。

(3)喷涂。根据锅炉的具体工况选取不同的喷涂材料，了解水冷壁腐蚀、磨损情况，根据不同工况下工件所要求的耐磨、耐腐蚀性能选择相应的材料。以特种丝材为例，其喷涂工艺控制参数见表1。

表1 防腐特种丝材采用电弧喷涂工艺的控制参数

(4)涂层封闭。为防止烟气中的腐蚀性气体通过涂层孔隙渗透到涂层与基层结合层面造成内腐蚀，当天喷完的区域应及时封闭。对喷涂表面进行封孔处理，强化喷涂效果。涂层表面喷涂均匀、光滑，无挂珠现象。

3.3.1 电弧喷涂涂层应具有的性能

(1)涂层厚度为0.3～0.6 mm。

(2)结合强度为38.16 MPa，硬度≥51.9 HRC。

(3)涂层孔隙率控制在1%以内。

(4)800℃时抗冲击、抗氧化性是#10钢的20倍。

(5)耐磨粒磨损性能。以15CrMoG锅炉管材为对比材料，经磨损试验测定，防腐特种丝材的磨损量为140.5mg，15CrMoG 的磨损量为446.3mg，表明防腐特种丝材的耐磨性能为后者的3.19倍，大约是45CT的2.00倍。

(6)平均磨损速度≤0.13 mm/年。

(7)膨胀系数与金属相近，为8.8×10－6/K。

(8)超音速雾化减小了粒子的粒度，降低了涂层的粗糙度，也降低了粒子扁平化过程中的飞溅，有利于降低涂层的孔隙率。

(9)锅炉长期运行后涂层不脱落、不开裂。

3.3.2 注意事项

(1)喷涂时合理控制喷涂温度，防止管子过热及电弧损伤。

(2)涂层表面喷涂均匀，平整光滑，无剥落、起皮及漏喷现象。

4 结束语

超音速电弧喷涂涂层性能良好、喷涂效率高、成本低且适宜现场原位大面积施工，即使在比较恶劣的环境中喷涂，同样能获得可靠的涂层质量。近年来，随着超音速电弧喷涂枪以及专用于电弧喷涂粉芯丝材的问世，涂层的组织和性能有了进一步的改善，使超音速电弧喷涂技术得到了更广泛的应用，应用前景更加广阔，在燃用高硫煤的锅炉水冷壁防腐方面具有其他方法难以替代的优点。对锅炉水冷壁管进行电弧喷涂，提高了管壁表面的耐磨、耐腐蚀性能，保证了电站锅炉连续、经济、稳定运行，社会效益和经济效益良好。

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