陳小強， 龔 琨， 彭月璽， 張 琳， 雷健康， 趙伶玲

(1. 中電華創(chuàng)電力技術研究有限公司， 江蘇蘇州 215123；2. 中電神頭發(fā)電有限責任公司， 山西朔州 036800；3. 東南大學 能源與環(huán)境學院， 南京 210096)

空氣預熱器(簡稱空預器)作為鍋爐的重要設備之一，可有效利用煙氣余熱、降低排煙溫度，同時提高鍋爐的燃燒效率和熱效率[1]，其運行效果直接關系到電站鍋爐運行的經濟性和安全性。

然而，空預器的工作環(huán)境惡劣，換熱介質煙氣中含有大量的黏性物質、腐蝕性氣體和灰分，使得蓄熱板表面易產生積灰、腐蝕、磨損等一系列失效問題[2]，影響空預器的換熱性能，嚴重時造成空預器堵塞，威脅鍋爐的安全運行。目前，國內電站鍋爐在選擇性催化還原法(SCR)脫硝改造后普遍存在空預器蓄熱板失效狀況，針對此類現象，研究學者們多從煤種、燃燒條件等宏觀因素分析問題并提出解決方案[3-5]，通過對失效蓄熱板進行試驗測試進一步分析失效原因的研究內容還較少。

筆者以某600 MW機組空預器蓄熱板為例，從磨損、積灰及腐蝕3個方面分析了蓄熱板失效的原因，并對失效蓄熱板進行了掃描電鏡、能譜分析及X射線衍射分析等試驗測試，可以為防止或減輕空預器蓄熱板失效提供一定的理論基礎。

1 存在問題

該電廠1 號機組裝機容量600 MW，裝設2臺32VNT2300型三分倉容克式空預器，其換熱元件設計為三段蓄熱板：熱端和中溫段蓄熱板厚度為0.5 mm，高度分別為350 mm和1 000 mm，材料為低碳鋼；冷端蓄熱板厚度為0.75 mm，高度為950 mm，材料為抗腐蝕搪瓷鋼。

為滿足國家對火電廠NOx排放要求，對該機組進行了SCR脫硝改造。機組在運行1年后，空預器煙氣側壓降上升到2 kPa左右，達到原設計鍋爐額定蒸發(fā)量(BMCR)工況下煙氣側壓降(1.27 kPa)的1.57倍。同時，空預器熱一次風溫在BMCR工況下約為310 ℃，遠遠低于空預器設計要求(332 ℃)。由此推斷，空預器蓄熱板發(fā)生了嚴重的堵塞。

機組停爐檢修時，發(fā)現空預器三段蓄熱板均出現了不同程度的失效現象(見圖1)，具體情況如下：

(1) 熱端蓄熱板失效以磨損和腐蝕為主。熱端蓄熱板成片松散，發(fā)生大面積坍塌，散落在空預器倉格內，并且大部分蓄熱板彎曲變形，表面發(fā)黑生銹，存在許多直徑為3～6 mm的小孔。

(2)中溫段和冷端蓄熱板失效以積灰和腐蝕為主。中溫段和冷端蓄熱板表面凹處黏附有厚度約為2 mm的積灰，難以清除，并且大部分表面腐蝕生銹，其中冷端蓄熱板腐蝕破損尤為嚴重。

圖1 空預器蓄熱板失效現象

2 蓄熱板失效原因分析

2.1 磨損失效

燃煤鍋爐運行時，尾部煙氣中攜帶大量的未燃盡飛灰顆粒，高速的飛灰顆粒沖刷空預器對流受熱面，使得蓄熱板表面不斷被磨蝕甚至破損。受熱面的磨損速率與煙氣流速、煤質、灰分成分等因素有關[6]，其表達式為：

(1)

式中：Eab為磨損速率；Iab為飛灰相對磨損指數；R為煤中灰碳比；ω為灰粒撞擊速度，一般取煙氣流速；T為煙氣的熱力學溫度。

該電廠的設計煤種中，煤灰質量分數較高，達32%，導致煙氣中飛灰濃度較大。同時，煤灰中含有大量的石英(SiO2)，而SiO2是煤灰中最硬的礦物成分，其硬度高于錳鋼，而且SiO2的熔點很高，達1 723 K，這使得飛灰顆粒在爐膛中保持尖角形，而不能融化成光滑表面的球形，會加劇對受熱面的磨損[7]。因此，飛灰中SiO2的含量直接決定了飛灰的磨損性，尾部煙氣中飛灰濃度越大，飛灰中SiO2含量越高，飛灰顆粒直徑越大，表面越粗糙，對空預器的磨損越嚴重。此外，空預器發(fā)生堵灰時，需要停爐吹灰，吹灰介質參數高、吹灰頻繁，也會加劇對受熱面的磨損。

在回轉式空預器的熱端入口，煙氣流速較大，攜帶的飛灰顆粒速度較高，直接沖刷金屬受熱面，加之熱端蓄熱板相對冷端較薄，因此空預器熱端磨損更嚴重。

2.2 積灰失效

該電廠1 號機組采用SCR進行脫硝，其原理為在特定催化劑V2O5的催化作用下，利用NH3的還原性，將NOx轉換為對環(huán)境無毒無害的N2[8]。為了提高脫硝效率，運行人員往往過量噴氨，逃逸的NH3會結合SO3、H2O生成硫酸氫銨(NH4HSO4)[9]。NH4HSO4的熔點為420 K，其在空預器的中溫段和冷端(溫度為420～493 K)發(fā)生液化，且具有很強的黏性[10]，極易黏附在布置緊密的蓄熱板上，吸附煙氣中大量的飛灰顆粒，造成空預器積灰。

NH4HSO4的積灰特性與傳統(tǒng)的高溫積灰、松散性積灰等不同[11]，其黏結性很強，積灰增長速度極快；同時，NH4HSO4易溶于水，難溶于水蒸氣，因此用傳統(tǒng)的水蒸氣吹灰、微波吹灰等方式很難清除。久而久之，冷端蓄熱板表面的積灰越積越厚，使煙氣通道的橫截面積逐漸減小，煙氣流動阻力逐漸增大，蓄熱板換熱能力逐漸變差，影響鍋爐的安全經濟運行。

2.3 腐蝕失效

SCR脫硝改造后，空預器中低溫段出現了嚴重的NH4HSO4積灰狀況，NH4HSO4具有腐蝕性，因此會腐蝕與之接觸的金屬蓄熱板表面；同時，在空預器的冷端，由于煙氣溫度低于硫酸蒸氣的露點，煙氣中的SO3與水蒸氣結合生成的硫酸蒸氣會凝結在金屬波紋板的表面，造成低溫腐蝕[12]。雖然空預器冷端材料為抗腐蝕搪瓷鋼，但長期吹灰會使搪瓷脫落，加劇蓄熱板腐蝕。

空預器積灰和腐蝕是一個相互促進的過程[13]。黏附在受熱面上的腐蝕性物質會對金屬造成腐蝕破壞；同時，腐蝕增大了金屬表面粗糙程度，使其極易黏附飛灰。空預器受熱面發(fā)生腐蝕時，不僅降低了受熱面的換熱效果，而且影響鍋爐的安全運行。

3 失效蓄熱板試驗分析

為了更好地研究該電廠空預器蓄熱板失效的機理，筆者分別選取了具有代表性的空預器熱端、中溫段和冷端的蓄熱板材料進行試驗分析。試驗采用掃描電鏡(SEM)的方法觀察蓄熱板表面積灰和腐蝕的形貌，通過能譜(EDS)分析和X射線衍射(XRD)分析分別測得腐蝕產物的元素組成和物相組成，并對打磨拋光后的試樣進行了微觀金相分析。

3.1 SEM分析

首先對失效蓄熱板進行了SEM試驗測試[14]，進而觀察到空預器熱端、中溫段和冷端的腐蝕產物微觀形貌(見圖2)。

由圖2可以看出：熱端、中溫段和冷端蓄熱板均被均勻腐蝕，其中，熱端蓄熱板受高溫煙氣的沖刷，磨損和腐蝕更為嚴重，多處出現破損穿孔現象；相比于材料為低碳鋼的熱端腐蝕狀況，冷端因鍍搪瓷而腐蝕較輕，沒有腐蝕穿孔現象，但是中溫段和冷端蓄熱板表面積灰更為嚴重。

3.2 EDS和XRD分析

通過EDS分析[14]獲得失效蓄熱板表面腐蝕產物的元素組成(見圖3)。結合圖3及各元素質量分數可以看出腐蝕產物中均含有Fe、Si、S、O等元素，其中：熱端和冷端腐蝕產物中Fe的質量分數最高，分別為83.17%和90.37%，O的質量分數僅次于Fe，分別為7.80%和4.98%；中溫段腐蝕產物中Si的質量分數最大，遠大于Fe和O的質量分數，而Si是灰分的主要組成元素之一，這說明中溫段蓄熱板表面積灰嚴重；熱端和中溫段腐蝕產物中S的質量分數分別為5.49%和8.06%，遠高于冷端腐蝕產物中S的質量分數(0.43%)，說明熱端和中溫段蓄熱板表面腐蝕嚴重。

進一步通過XRD分析獲得失效蓄熱板表面腐蝕產物的物相組成，結果見圖4。

3.3 金相分析

為了研究空預器蓄熱板本身的材料屬性，分別對熱端、中溫段和冷端失效蓄熱板試樣拋光、打磨后進行了金相分析，結果見圖5。

由圖5可以看出：熱端蓄熱板材料的金相組織為鐵素體，其晶粒均為細長形，稱為纖維化組織，這使得材料脆性和強度很高；同時，晶粒平均尺寸為25 μm，沒有再結晶現象，說明蓄熱板自身材料良好；中溫段蓄熱板材料的晶粒部分出現再結晶現象，而冷端蓄熱板材料的晶粒形狀嚴重不均勻，大部分產生混晶現象。分析其原因為：(1)材料在熱處理時溫度過高，使得某些晶粒迅速長大，產生缺陷；(2)燒結時溫度高，產生等軸組織，即再結晶組織，使得材料的脆性偏高。

4 改造措施

針對該電廠空預器蓄熱板失效嚴重的現狀，提出以下改造建議：

(1) 蓄熱板采用兩段式，盡量減小NH4HSO4沉積區(qū)域，從而減輕空預器冷端堵塞；同時，熱端蓄熱板應稍做加厚，減輕磨損，冷端蓄熱板采用抗腐蝕搪瓷鋼，減輕腐蝕。

(2)對SCR脫硝裝置進行噴氨優(yōu)化，在嚴格控制氨逃逸量的同時，保證SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度和煙氣流速不均勻度均處于較低水平，從源頭上減少NH4HSO4的生成。

(3) 提高空預器冷端綜合溫度，確保該溫度處于煙氣酸露點之上，減輕積灰和冷端腐蝕。

5 結語

該電廠在完成SCR脫硝改造之后，空預器出現了嚴重的失效情況。通過對三段失效蓄熱板進行試驗分析，得出以下結論：

(1) 空預器熱端蓄熱板磨損和腐蝕嚴重，中溫段蓄熱板存在NH4HSO4積灰和腐蝕，冷端蓄熱板因鍍搪瓷而腐蝕較輕，但存在大量的積灰。

(2)空預器熱端蓄熱板材料屬性良好，而中溫段和冷端蓄熱板材料偏脆，加劇了空預器的失效。