Паровые котлы ТЭС

Коррозия поверхностей нагрева

Высокотемпературная коррозия. Под тер - мищхм высокотемпературная коррозия пони­мается коррозионное разрушение металла труб поверхностей нагрева, соприкасающихся с продуктами сгорания высокой температуры (Фг]>700оС). Сюда относятся два вида кор­розии металла, происходящие в разных зонах котла и имеющие различный химический ха­рактер. Одним из них является коррозия экранов топочной камеры в зоне расположе­ния ядра факела, определяемая контактом сернистых газов с металлом труб. Другой ха­рактеризуется коррозией труб пароперегрева­телей и разрушением элементов их креплений за счет присутствия в газовом потоке окислов ванадия.

Наружная коррозия труб экранов наблюдается при сжигании в котлах угольной пыли топлив с малым вы­ходом летучих веществ (антрациты, полуантрациты, тощие угли), а также сернистого мазута. Коррозия раз­вивается интенсивно на уровне расположения горелок или несколько выше их в зонах стен топки, непосред­ственно омываемых факелами от горелок. При небла­гоприятных условиях скорость коррозионного разру­шения металла лобовой части труб может составить 3—4 мм/год, т. е. трубы экранов в этой зоне выходят из строя менее чем через год (при толщине стенки трубы 5—6 мм).

Исследованиями установлено, что основным корро - зионно-активным компонентом является газ сероводо­род (H2S). Даже при незначительных объемных кон­центрациях HaS у поверхности (0,04—0,07%) скорость коррозии металла возрастает примерно в 10 раз. При наличии кислорода и температурах 1400—1600°С серо­водород сгорает практически мгновенно. Следовательно, его наличие в пристенной зоне может иметь место толь­ко в условиях восстановительной среды около стен при местной глубокой нехватке кислорода.

Первичным продуктом реакции II2S с металлом труб является сульфид железа FeS, который затем пе­реходит в сульфаты железа и отслаивается от стенки трубы, давая возможность дальнейшему развитию про­цесса окисления.

Для исключения коррозионного разрушения экра­нов необходимо обеспечить равномерную раздачу топ­лива и воздуха по горелкам так, чтобы в каждой из них избыток воздуха был больше единицы. Желатель­но предотвратить удар факела в экраны, для чего сле­дует отодвинуть от боковых стен крайние горелки или развернуть их к центру топки.

Коррозия труб конвективных пароперегре­вателей обнаружена при сжигании мазутов, когда температура стенки трубы превышает 610—620°С. Этот тип коррозии носит назва­ние ванадиевой коррозии. Она определяется образованием в потоке дымовых газов паров пятиокиси ванадия V2O5. При наличии в ма­зуте окислов натрия в продуктах сгорания •образуются ванадаты натрия (5V2Os-Na2OX XV2O4), имеющие низкую температуру плав­ления ^пл~600°С. На поверхности труб пере­гревателя при fCT>610°C они образуют жид­кую пленку, агрессивную по отношению к ста­лям разного типа (углеродистой, слаболеги­рованной, аустенитной). Сильно подвергаются ванадиевой коррозии также неохлаждаемые крепежные и дистанционирующие элементы с температурой, близкой к температуре газов.

Коррозионный процесс усиливается при наличии в потоке газов окислов серы. Наибо­лее опасны для металла пиросульфаты натрия Na2S207, которые в сочетании с V205 создают повышенную агрессивность среды уже при 600°С. Максимум скорости коррозии дости­гается при 700—750°С и характерен для кре­пежных элементов.

Снижения скорости ванадиевой коррозии можно достигнуть применением специальных щелочных присадок в мазут, например вод­ного раствора хлористого магния MgCl2 в ко­личестве 0,6—0,8 кг/т мазута. Однако наибо­лее действенным способом является работа труб пароперегревателя с ^Ст<600°С.

Низкотемпературная коррозия. К этому ви­ду коррозии относят разрушение металла по­верхностей нагрева воздухоподогревателей, находящихся в области наиболее низких тем­
ператур как газов, так и рабочей среды (воз­духа).

Определяющим фактором интенсивной низ­котемпературном коррозии чпляется наличие в потоке дымовых х-азов паров серной кислоты H2S04. При горешш серы топлива в зоне ядра факела образуется сернистый ангидрид S02. В дальнейшем при наличии некоторого избыт­ка воздуха S02 частично доокисляется в S03 атомарным кислородом О", образующимся в высокотемпературной зоне факела за счет цепных реакций горения и термической диссо­циации. Серный ангидрид SO3 может раз­рушаться, но только при весьма высоких тем­пературах. Общий процесс образования и раз­ложения S03 в зоне факела можно выразить следующим образом:

S0I+0"-S0,-S02+1/20„ (16.3)

Где k и к2 — константы скорости прямой и обратной реакций, при этом k{>k2. В итоге на границе ядра факела образуется заметная концентрация S03, которая после завершения горения снижается в результате постепенного разложения S03.

Однако по мере снижения температуры га­зов этот процесс тормозится и практически прекращается при ■0Г= 1200 - н 1250°С. Чем быстрее происходит охлаждение газов, тем выше будет остаточная концентрация SO3.

При дальнейшем прохождении газами кон­вективных поверхностей нагрева может про­исходить увеличение концентрации SO3. Ка­тализаторами процесса доокисления S02 в S03 являются отложения на поверхностях нагрева, в том числе сажевые частицы. В ито­ге содержание S03 в газах составляет 1—5% количества S02 или 0,002—0,010% полного объема газов.

В зоне температур газов ниже 500°С начи­нается образование паров серной кислоты за счет реакции S03 с водяными парами, находя­щимися в газовом потоке. Этот процесс завер­шается при температуре около 250°С.

Коррозия поверхности нагрева может на­чаться при условии, если температура стенки и пристенного пограничного слоя окажется ниже температуры конденсации паров влаги или паров серной кислоты, соответствующей их парциальному давлению в газах. Темпера­тура, при которой начинается конденсация влаги на поверхности, называется термодина­мической температурой росы (точка росы) tT, p. Температура росы чистых водяных паров при их парциальном давлении в продуктах сгора­ния рн о =0,01 -ь-0,015 МПа составляет

= 45ч-54°С. При наличии в потоке газов па­ров серной кислоты температура конденсации (сернокислотная точки росы. гур) значительно

Увеличивается и может достигать 140—160°С.

Оценочно ее можно определить по форму­ле (для сжигания мазута)

^Т. р = ^.Р + 205У5нО;, (16.4) где S" = SP/QPH—приведенная сернистость топ­лива, 0/о-кг/МДж; 0,=2' ^ — концентрация

Избыточного кислорода в газовом потоке, %.

С увеличением содержания серы в топливе и избытка воздуха а возрастает образование SO3 в потоке газов, что ведет к росту темпе­ратуры росы.

На рис. 16.8 приведена диаграмма фазового равно­весия жидкости и пара двухкомпонентной системы НгО и H2SO4 при различных парциальных давлениях водя­ных паров. Нижняя ветвь кривых при p=const харак­теризует зависимость температуры кипения водного раствора серной кислоты от ее концентрации, а верх­няя— температуру начала конденсации (точку росы) парового раствора. Видно, что даже незначительное содержание паров H2S04 в дымовых газах (левая пунктирная линия) резко повышает температуру нача­ла конденсации, при этом образующаяся пленка жидкости на стенке имеет высокую концентрацию сер­ной кислоты.

На рис. 16.9 приведены две характерные кривые для низкотемпературных поверхностей нагрева, пока­зывающие изменение скорости коррозии при разных температурах металла поверхности в условиях контак­та с уходящими газами после сжигания сернистого ма­зута. Как видно, скорость коррозии в зависимости от температуры стенки изменяется не монотонно (рис. 16.9, кривая 1). При снижении tcт от точки росы (около 145°С) вначале коррозия резко возрастает, до­стигая максимума при £Ст=105-ь110°С, затем проис­ходит глубокий спад скорости коррозии, при /0т<85-н 90°С имеет место второй подъем коррозионного раз­рушения металла.

Коррозия металла происходит при наличии на его поверхности пленки сконденсировавшейся влаги, содер­жащей H2S04. Продолжение коррозии возможно при новом поступлении в пленку H2SO4 из потока газов. Таким образом, скорость коррозии пропорциональна скорости конденсации паров H2S04.

Свойствами. В результате взаимодействия па­ров серной кислоты с летучей золой происхо­дит частичное поглощение серной кислоты, ее концентрация в газах и последующая интен­сивность коррозии несколько снижаются.

Для исключения низкотемпературной кор­розии необходимо иметь ^T. D однако это экономически оправдано при сжи­гании малосернистых мазутов и сернистых твердых топлив, у которых /Зт. р не превышает 100—110°С. В других случаях определяемая значением /ст температура уходящих газов будет чрезмерно велика.

Минимальную температуру стенки поверх­ности нагрева трубчатого воздухоподогрева­теля можно определить по формуле

Интенсификация коррозии при ^Ст^85-7-90"С опре­деляется воздействием на металл раствора сернистой кислоты H2SO3, которая образуется при низких тем­пературах вследствие соединения на поверхности плен­ки влаги Н2О с S02.

Скорость коррозии в зоне температур 80— 120°С существенно снижается при уменьшении избытка воздуха (рис. 16.9, кривая 2), что связано с уменьшением образования S03 и паров H2S04 в дымовых газах. Таким же об­разом изменяется коррозия и при снижении содержания SP в топливе. При этом максимум коррозии в зависимости от /ст сохраняет свое положение. Увеличение скорости коррозии при /Ст<80°С практически не зависит от воз­душного режима, так как определяется воз­действием на металл не серной, а сернистой кислоты.

При сжигании твердого топлива в потоке дымовых газов находится большое количество частиц летучей золы, обладающей за счет со­единений Са и щелочных металлов основными

0,8ar3yx-WB ' 0,95осг + ав

Где аг и осв — расчетные коэффициенты тепло­отдачи с газовой и воздушной сторон поверх­ности, Вт/(м2-К); t'B — температура ухо­дящих газов и поступающего в поверхность воздуха, °С.

Коэффициенты 0,8 и 0,95 учитывают влия­ние загрязнения труб с газовой стороны и не­равномерность температурного поля газов по сечению газохода.

При прочих равных условиях минимальная температура стенки РВП на 10—15°С выше, чем трубчатых воздухоподогревателей (ТВП), поскольку коэффициент ОСг—ОСв, в то время как в ТВП ав~1,8аг.

Методы повышения /ст поверхностей воз­духоподогревателей и способы снижения кор­розионного разрушения металла поверхности изложены в гл. 19.