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科普一下——燃氣工業鍋爐冷凝水危害與防治

來源:力威鍋爐   發布時間:2021-06-26 16:21:37   點擊:0
 

  隨著世界能源需求的持續增長和對溫室氣體減排的日益重視,研究和開發新型清潔能源系統成為世界各國的共識。我國的能源資源儲藏及能源布局決定了以煤和天然氣為主的能源格局在相當長的時期內不會改變。

      天然氣作為一種潔凈燃料,含硫量和含氮量比煤低得多,燃料中也沒有灰分,燃燒后產生的煙氣幾乎無煙塵。因此,在國家和各級政府實施的“藍天工程”中,要求把燃煤鍋爐逐步改為燃天然氣鍋爐。然而,燃氣鍋爐在運行的過程中也存在一些問題,其中比較突出的一個問題就是冷凝水腐蝕。

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煙氣中水蒸氣的冷凝機理及特性

 

      天然氣的主要成分是甲烷,甲烷在燃燒過程中會產生H2O,煙氣中的水分還包括天然氣和空氣中帶入的水分,因此,燃氣鍋爐煙氣中水蒸氣的容積百分比可高達 15% ~ 19% 。

      當煙氣溫度低于煙氣露點溫度時水蒸氣便會凝。煙氣露點主要包括酸露點和水露點,如果不考慮煙氣中的酸性氣體,水露點主要取決于水蒸氣在煙氣中的分壓力,通常情況下該溫度低于 60 ℃。然而,天然氣中主要成分為 CH4,且幾乎不含 S,且燃燒后的煙氣中含有 CO2、NOx,這使得煙氣露點溫度遠高于水露點。二氧化碳和氮氧化物與水反應,會生成亞硝酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽和酸。     

     因此,當鍋爐煙氣溫度低于露點溫度或受熱面壁溫低于煙氣露點溫度時,煙氣中水蒸氣就會產生冷凝,或在受熱面壁面凝結。上海理工大學曹麗麗團隊通過實驗研究發現,冷凝水量與排煙溫度、進水溫度、過量空氣系數成反比,而且與換熱面的結構密切相關,如節能器采用翅片管式結構,冷凝水量將大幅減少。

      臥式內燃鍋爐多為熱功率較小的鍋爐,該爐型燃燒主要在爐膽內,對流換熱部分有煙管、節能器等,冷凝水容易在溫度相對較低的第三回程煙管、后管板、尾部煙道、節能器、冷凝器等部位產生,容易因疏水不及時在前、后煙箱部位淤積,而雙鍋筒室燃爐,多為熱功率較大的中大型鍋爐,燃燒在水冷壁圍繞的爐膛內進行,冷凝水主要在對流管束區域和尾部節能器部位產生!

冷凝水特性

 

      由于煙氣中的 CO2、NOx、SOx 等氣體溶解在冷凝水中,使冷凝水具有較高的酸性。不同部位冷凝水酸性濃度不同,從煙氣在受熱面冷凝開始部位到尾部冷凝器,冷凝水酸性濃度逐步降低,這使得爐膛內聚集的冷凝水 pH 值低于冷凝器部位的冷凝水pH 值,同時,因為受熱面的腐蝕作用,提高了爐膛內冷凝水的鐵離子含量及電導率。

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圖一

 通過對 WNS 型燃氣鍋爐相同工況下 316 不銹鋼、306 不銹鋼、普通低碳鋼三種材質節能器煙氣冷凝水進行化學分析,發現隨著材質抗腐蝕性能降低,冷凝水的 pH 值降低,電導率、全鐵、溶解性總固體等指標升高,鍋爐不同部位的冷凝水特性不同,同一部位因材質的不同,冷凝水特性也會存在差異( 如表 1 所示) ,并且根據表中數據可知,如不經過處理,冷凝水各項指標都不適合直接作為鍋爐補給水。

 

通過對一臺 29 MW 燃氣鍋爐的計算發現,當煙氣余熱利用裝置后的排煙溫度在 50 ℃ 時,額定運行工況凝結水量達到 1.95 t /h。然而冷凝水不經過處理,其各項指標都不符合鍋爐用水的要求。

 

      出于成本的考慮,絕大部分冷凝水都沒有回收利用而被直接排放,不僅造成熱量的損失,而且浪費了大量水資源。

 

冷凝水的危害


對鍋爐受熱面的危害


      冷凝水的主要危害是對受熱面的腐蝕。受熱面冷凝水的產生主要取決于壁面溫度及煙氣氣流截面溫度分布,例如 WNS 型煙管爐壁面溫度低于露點、煙氣的芯流溫度高于露點時僅有部分水蒸氣冷凝。一般受熱面的冷凝水腐蝕以化學腐蝕為主,如有腐蝕產物造成冷凝水聚集會產生電化學腐蝕。

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圖二:

      圖 2 是臥式內燃鍋爐煙管的冷凝水腐蝕,隨著時間的推移,會使煙管壁厚減薄,強度降低。酸性冷凝水對受熱面腐蝕時,析氫反應和吸氧反應同時發生,產生的Fe( OH) 2 在富氧環境下被氧化為 Fe ( OH ) 3 和Fe3O4,Fe( OH) 3 進一步脫水生成 Fe2O3,因此腐蝕產物主要為鐵的氧化物。這類物質及冷凝水在煙管內部聚集,會增加煙氣的阻力甚至堵塞煙管,不僅增加燃燒器風機的電耗,甚至影響燃燒工況,嚴重影響受熱面的換熱效率,增加燃料消耗。

 

 

對燃燒器保溫材料的影響

 

      在鍋爐定期檢驗過程中,發現某單位供暖鍋爐房鍋爐額定出力遠大于用熱量,與用暖建筑存在一定高度差且使用一次網直接供熱,導致鍋爐長期低負荷運行,頻繁啟停,冷凝水量大且未能及時排出而返回至爐膛內聚集,對燃燒器金屬材料及耐火材料造成損壞( 如圖 3 所示) ,嚴重時還會滲入燃燒器,導致運行過程中鍋爐燃燒器熄火,嚴重影響鍋爐的安全運行。當鍋爐再次啟動時,爐膛內的冷凝水吸收熱量后蒸發,影響鍋爐的經濟運行。

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圖 冷凝水對臥式內燃鍋爐燃燒器金屬材料及耐火材料的損壞

 

對保溫密封材料的影響

     

     由于前后煙箱部位的冷凝水不能及時排除,冷凝水慢慢滲入到鍋爐煙箱的保溫材料中( 如圖 4 所示) ,并透過保溫材料從煙箱外包滲出。保溫材料長期在冷凝水的侵蝕下,保溫效果降低,嚴重時甚至會脫落,增加鍋爐的散熱損失,降低鍋爐熱效率。同時,密封材料變形老化后密封效果變差,致使煙氣泄露,造成一定的能量損失。此外,泄露煙氣中的有害成分還會威脅鍋爐運行人員的生命安全。

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圖 臥式內燃鍋爐尾部煙箱滲出冷凝水

 

 


冷凝水危害的防止措施

 

疏水管加粗且疏水可見

     

      我們在鍋爐檢驗過程中發現,通常水管鍋爐因爐膛尺寸較大,冷凝水疏水管管徑大、分布均勻,不容易聚集冷凝水,冷凝水可及時排出。臥式內燃鍋爐雖然設置了多處冷凝水疏水管,但不僅冷凝水量大且不易排出,這是因為其燃燒空間小,結構限制原因,僅在前后煙箱下部布置有小管徑疏水管,且考慮到防止煙氣泄露的原因,疏水管一般直接插入排污管,致使運行過程中如果氧化產物堵塞疏水管,司爐工也無法及時發現或維修,冷凝水無法正常排出。針對以上情況,首先應采用大管徑疏水管,其次在管路上加裝存水彎管,防止煙氣泄露,最后開放末端,方便運行人員檢查及維修。

 

調整節能器安裝位置

 

      臥式內燃鍋爐通常將節能器布置在鍋爐正上方,如圖 5 所示,這使得鍋爐運行過程中節能器中產生的冷凝水因重力作用回流至鍋爐后管板和后煙箱。另一方面,節能器通常采用 ND 鋼等耐酸鋼,具有極強耐酸腐蝕能力,而鍋爐本體受熱面通常采用20G、Q345R 等低碳鋼材質,抗腐蝕能力相對較差,這使得回流的冷凝水更容易腐蝕鍋爐本體。因此,調整節能器位置,避免鍋爐本體置于煙氣流程的最低點,能夠防止冷凝水回流。同時,調整節能器位置時,還應對鍋爐煙氣阻力重新核算,防止煙氣阻力過大。

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圖 布置在臥式內燃鍋爐本體上方的節能器

 

適當提高鍋爐負荷或回水溫度

 

      在對大量供暖熱水鍋爐運行工況進行能效測試后發現,大部分熱水鍋爐出水壓力、出水溫度、負荷都相對較低,例如設計出水壓力為 1.0 MPa,但實際運行時僅為 0.5 MPa 左右,這使得鍋爐受熱面、尾部煙道溫度都比額定工況低,進而產生冷凝水。

     因此調整供暖策略,提高鍋爐出力,保持運行工況穩定; 二網系統中降低一網流量,提高一網出水壓力、出水溫度、回水壓力,能夠有效減少冷凝水。

      另外,低氮改造后的鍋爐,煙氣再循環將煙氣中的水分重新帶入鍋爐,不可避免地增加冷凝水,因此低氮改造時應考慮該方面的影響,為用戶提供解決方案。鍋爐在選購時,應根據當地氣候、采暖面積、發展規范,合理選擇鍋爐出力,避免大馬拉小車,長期低負荷運行。

      另外一方面鍋爐房選址時,應充分考慮地勢差,并靠近熱負荷中心,同時采用二網系統,通過板式換熱器隔壓換熱,一方面能夠使鍋爐提高出水壓力、出水溫度,另一方面避免直接供熱時高溫高壓對末端暖氣片、地暖等采暖設備的損壞。


 

      隨著燃氣工業鍋爐煙氣余熱回收、低氮改造等項目不斷推進,以及節能器、冷凝器等裝置的普及應用,使得燃氣鍋爐產生冷凝水的現象越來越普遍,冷凝水的產生量也越來越大。

      由于煙氣冷凝水腐蝕對鍋爐的損害是一個長期的過程,應引起鍋爐制造單位和使用單位足夠的重視,從設計、制造及運行維護中能夠借鑒本文中提出的有效措施,減少冷凝水對鍋爐本體產生的腐蝕,并對冷凝水及其熱量進行回收利用,從而有效提高鍋爐安全經濟運行水平。