关于垃圾电厂锅炉超负荷运行对锅炉安全运行的研究

关于垃圾电厂锅炉超负荷运行对锅炉安全运行的研究

万义安

广州永兴环保能源有限公司 广东省广州市 510000

摘 要：锅炉负荷是锅炉的重要技术参数之一。本文根据某垃圾电厂锅炉运行状况、参数、热负荷高区域水冷壁、过热器、省煤器取样分析并结合设备的实际情况，对近年来爆管进行检查分析，得出锅炉超负荷运行对锅炉安全运行的影响，并提出了相应的解决方法和防范措施，对锅炉的安全经济运行具有重要参照意义。

关键词：爆管，垢层，超温，蒸发量，超负荷。

一、前言

锅炉负荷是指在给定的输入、输出工质条件下，单位时间内所产生的蒸汽量，也称锅炉出力、锅炉容量。当运行中锅炉的出力大于锅炉的额定出力时，就叫做锅炉超负荷运行。垃圾余热锅炉的超负荷运行主要有超温、超压、超额定蒸发量、超设计垃圾处理量运行。

二、主要设备及主要参数

某垃圾电厂三台SLC750—63.29—4.0/400型锅炉，处理垃圾能力3×750吨/天，额定过热蒸汽压力：4.0 MPa（+0.2、-0.3），温度400℃（+5、-10℃），配套25MW×2Q汽轮发电机组。采用丹麦（BWV）垃圾焚烧处理技术，焚烧炉由丹麦BWV公司提供，炉排为多级倾斜顺推式。配套余热锅炉由江西江联能源环保股份有限公司设计、制造，为自然循环中温中压锅炉，型号：单锅筒自然循环，四垂直烟道+一个水平烟道，全悬挂结构，采取室内布置、微负压运行方式。垃圾在焚烧区燃烧后产生的烟气依次通过余热炉竖直第一通道、U型第二、三通道、水平第四通道、省煤器，再进入尾气处理系统。第三通道布置屏式蒸发器，水平烟道依次布置一级蒸发管屏、二级过热器、三级过热器、一级过热器、二级蒸发管屏Ⅰ段、二级蒸发管屏Ⅱ段，第五通道布置四组省煤器，机组于2014年投产。

三、锅炉受热面管取样分析

通过抽取#1、#2、#3锅炉水冷壁管、过热器管、省煤器管热负荷区域最高的管段进行检验，检验分析项目包括:宏观检查、光谱分析、机械性能、金相检验，其中取样清单如下表，具体分析结果如下：

1、宏观检查

水冷壁管：取样管子为左侧与右侧部位，为机组投产至今未更换过的管段，管子炉内侧表面为浇注料包裹，内外壁均未见明显腐蚀。二级过热器管：取样管子为二级过热器中心线段部位，为机组投产至今未更换过的管段，管子表面积灰较多，向火面比背火面积灰严重，管子内壁未见明显腐蚀，清洗干净后，管子外壁可见有腐蚀坑。三级过热器管：取样管子为三级过热器中心线段部位，为机组投产至今未更换过的管段，管子表面积灰较多，向火面比背火面积灰严重，管子内壁未见明显腐蚀，清洗干净后，管子外壁可见有腐蚀坑。省煤器管：取样管子为上级省煤器管，为机组投产至今未更换过的管段，管子表面积灰较多，向火面比背火面积灰严重，内外壁均未见明显腐蚀。

二级过热器管 三级过热器管

2、机械性能、硬度试验

对爆管进行取样，加工后进行机械性能检测，根据GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》、GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验 第1部分:试验方法》进行试验，管样的规定下屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均符合或接近GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》对于新管的规定，管样的硬度值均符合或接近DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》的规定。

3、金相分析

对#1、#2、#3炉水冷壁管、二级过热器管、三级过热器管、省煤器管进行制作取样，其中向火面和背火面都进行取样，在Axiovert200MAT光学显微镜下进行金相分析，放大位数为500倍，按照GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》、DL/T 884-2004 《火电厂金相检验与评定技术导则》、DL/T 787-2001《火力发电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准》、DL/T 674-1999《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》进行金相球化评级，所有管样的金相组织均为F+P，即铁素体+珠光体，球化级别为1.5级以内，蠕变损伤级别为1级，评定结果为合格， 4、垢样分析

对#1、#2、#3炉水冷壁管、二级过热器管、三级过热器管、省煤器管制取垢量测量试样，按照DL/T 794-2012 《火力发电厂锅炉化学清洗导则》对管样内壁垢量进行测定，管内壁仅有少量垢化物，垢样成分主要为碳酸盐水垢，管内壁未发现有其它的腐蚀物质，垢样值尚远未达到DL/T 794规定的需要化学清洗上限值，管外壁有氯、硫等腐蚀元素。

四、垃圾电厂锅炉受热面高温腐蚀

垃圾焚烧过程对余热锅炉受热面的腐蚀相当严重，使余热锅炉受热面使用寿命大大缩减，具体腐蚀性成分、因素以及机理如下：

1、CL的腐蚀

垃圾中的合成树脂类如聚氯乙烯（PVC）、人造橡胶、人造革、泡沫塑料等含有较多的有机氯化物，而厨房垃圾则含有氯化钠、氯化钾和氯化镁等无机氯化物，造成了烟气中的各种有机氯和无机氯浓度提高。CL在高温下，往往以气态HCL、CL2和金属氯化物KCL、NaCL、ZnCL2、PbCL2等沉积物出现在焚烧环境中，导致了几种腐蚀形式出现：

其一是气相腐蚀：在焚烧炉的高温含氯气氛中，直接导致气相腐蚀。

其二是氧化还原反应腐蚀：金属氯化物低熔点灰分沉积盐与金属表面的氧化膜发生氧化还原反应腐蚀基体。

其三是电化学腐蚀：金属氯化物与烟气中其他无机盐共同沉积在金属表面，形成低熔点共晶体，大大降低积灰的熔点，在高温的管壁上产生熔融性的腐蚀性盐，在积灰-金属交界面形成局部液相，形成电化学腐蚀氛围，基体金属发生阳极溶解，相应地气氛中的两种氧化剂O2和CL2被还原，基体金属被进一步氧化并与结合成疏松的氧化物粒子形成沉积，或与CL结合生成氯化物，这样随着腐蚀的进行，就在熔融氯化物的外表面形成一层疏松的外氧化膜，由于金属离子在熔融盐中的扩散速度较大，因此这一电化学过程严重腐蚀垃圾焚烧炉的受热面管。

2、S的腐蚀

硫的腐蚀主要是碱金属的热腐蚀，即Na3Fe(SO4)3及K3Fe(SO4)3的腐蚀。

3、高温腐蚀

高温的产生，一是锅炉实际运行温度越来越高，二是锅炉受热面的清灰不及时或清灰效果不佳，使得受热面的传热受阻，导致受热面的表面温度过高。高温腐蚀，与前述CL腐蚀、S腐蚀是相伴存在的。高温环境引发了CL2和HCL的产生，加速了腐蚀量和腐蚀速度。

4、腐蚀环境下的磨损

垃圾燃烧时产生的大量灰粉冲刷受热面管，使受热面管外表面受到不同程度的磨损。

五、锅炉超负荷运行对锅炉安全的影响

垃圾余热锅炉的超负荷运行主要有超温、超压、超额定蒸发量、超设计垃圾处理量运行，具体形式的超负荷运行对锅炉安全影响分析如下：

1、超温运行对锅炉安全的影响

锅炉受热面在设计时都具有一定的技术参数，如果温度在设计允许的范围内，受热面则可以正常运行，但如果温度超出了受热面能够承受的极限范围，则会对受热面造成严重的损坏，如：短期过热超温爆管和长期过热超温爆管，直接影响到锅炉运行的安全性，严重时会造成巨大的经济损失。

受热面管长期超温或短期大幅度超温时，会使材料金相组织球化、机械性能降低，当金相组织老化至5级（严重球化）时，管子则会发生过热爆管。长期过热以及短期过热会使管子内外壁存在较多的沿壁厚方向发展的蠕变微裂纹和孔洞，显微组织中存在较多蠕变孔洞，从而引起爆管。根据本文：“三、锅炉受热面管取样分析”中受热面管取样分析，受热面管均未存在材料金相组织老化至2级及以上的情况，且各取样点的机械性能、金相组织、蠕变损伤均在合格范围内。原因为：材质为20G的管材耐热温度（壁温）为≤450℃，材质为15GrMoG的管材耐热温度（壁温）为≤560℃，根据受热面管材金属温度运行值，水冷壁管、蒸发屏管、一级过热器管、二级过热器管、三级过热器管、省煤器管的实际金属温度（壁温）运行值远低于金属材料的耐热温度值，部分系统金属温度（壁温）运行值比金属材料的耐热温度值低接近200℃，反映到烟温的话则有接近350℃的烟温数值，详见“二、主要设备及主要参数”中的表1.3、受热面管材金属温度以及表2.3、受热面管材金属温度。这也是为什么有时超烟温运行，但对管子金相组织、机械性能、硬度等未有影响，仍在标准允许合格范围内的原因。根据2018年11月至2019年7月间爆管的原因分析，其均不属于超温爆管类型。

结论：目前偶尔超烟温运行，对锅炉受热面管影响不大，管子机械性能、金相组织、蠕变损伤、硬度均在标准允许的范围内，管子性能支持目前运行状态下的超温运行。

2、超压运行对锅炉安全的影响

锅炉超压运行是指管材实际运行压力超出设计值运行。锅炉均设计有对空排汽门、汽包安全门、过热器出口安全门，且安全门每年都会进行定期校验，故锅炉暂未存在超压运行的可能性。

3、超额定蒸发量、超设计垃圾处理量运行对锅炉安全的影响

蒸汽锅炉在额定蒸汽参数、额定给水温度、使用设计燃料并保证热效率时所规定的蒸发量，称为额定蒸发量。每台锅炉设计额定蒸发量为63.29t/h，设计垃圾处理量为750t/d。

超额定蒸发量主要原因：（1）、垃圾热值超出实际设计值，使锅炉蒸发量增加；（2）、保证垃圾在三级炉排前烧空的情况下，通过配比一次风量，超设计垃圾处理量运行，使锅炉蒸发量增加。

超额定蒸发量、超设计垃圾处理量运行对锅炉造成以下影响：（1）、使炉膛中的单位面积内烟气浓度、飞灰、灰渣增加，即相对应的烟气、飞灰、灰渣所含的CL、S等腐蚀物质增加，使管子所受到的CL腐蚀、S腐蚀、灰粉冲刷增加，加快管子的外部腐蚀以及灰粉冲刷。同时，超额定蒸发量、超设计垃圾处理量运行会使管子的积灰增加，使得受热面的传热受阻，导致受热面的表面温度过高，形成高温腐蚀，高温腐蚀与前述CL腐蚀、S腐蚀是相伴存在的。管子表面大量的积灰，使其在高温环境下引发了CL2和HCL的产生，加速了腐蚀量和腐蚀速度。

因垃圾成分存在差异，所含的CL元素、S元素存在差异，超额定蒸发量、超设计垃圾处理量多少与管子所受到的CL腐蚀、S腐蚀、高温腐蚀的速率多少暂未有相关研究数据，经了解，目前西安热工研究院正在进行该项课题研究，但未有相关的研究数据，但不可否认的是超额定蒸发量、超设计垃圾处理量运行肯定会使管子使到的CL腐蚀、S腐蚀、高温腐蚀、灰粉冲刷增加。

六、结论

综上所述，根据3台锅炉取样分析，锅炉超负荷运行时，其受热面管材自身的机械性能、硬度、金相组织、内壁结垢均未有进一步的恶化情况，可支持锅炉超负荷运行。

超额定蒸发量、超设计垃圾处理量运行时，会加快管子的外部腐蚀以及灰粉冲刷，即受热面管子的整体使用寿命降低，但超额定蒸发量、超设计垃圾处理量多少与管子所受到的CL腐蚀、S腐蚀、高温腐蚀的速率多少暂未有相关研究数据。

目前主要爆管泄漏为过热器爆管，过热器管爆管类型主要为积灰高温腐蚀，核心问题为管子表面积灰。在不采取堆焊管改造的情况下，若能每半年进行一次喷砂清灰的方式（清灰效果待试验）来解决管子表面的积灰问题，则可延缓积灰高温腐蚀，减少局部腐蚀坑的形成，提高管子的使用寿命，降低过热器管的换管频率以及泄漏次数；或者通过采用提高过热器换管的频率来解决过热器的积灰高温腐蚀泄漏的问题。

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