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科普一下——燃气工业锅炉冷凝水危害与防治

来源:9001zz以诚为本   发布时间:2021-06-26 16:21:37   点击:0
 

  随着世界能源需求的持续增长和对温室气体减排的日益重视,研究和开发新型清洁能源系统成为世界各国的共识。我国的能源资源储藏及能源布局决定了以煤和天然气为主的能源格局在相当长的时期内不会改变。

      天然气作为一种洁净燃料,含硫量和含氮量比煤低得多,燃料中也没有灰分,燃烧后产生的烟气几乎无烟尘。因此,在国家和各级政府实施的“蓝天工程”中,要求把燃煤锅炉逐步改为燃天然气锅炉。然而,燃气锅炉在运行的过程中也存在一些问题,其中比较突出的一个问题就是冷凝水腐蚀。

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烟气中水蒸气的冷凝机理及特性

 

      天然气的主要成分是甲烷,甲烷在燃烧过程中会产生H2O,烟气中的水分还包括天然气和空气中带入的水分,因此,燃气锅炉烟气中水蒸气的容积百分比可高达 15% ~ 19% 。

      当烟气温度低于烟气露点温度时水蒸气便会凝。烟气露点主要包括酸露点和水露点,如果不考虑烟气中的酸性气体,水露点主要取决于水蒸气在烟气中的分压力,通常情况下该温度低于 60 ℃。然而,天然气中主要成分为 CH4,且几乎不含 S,且燃烧后的烟气中含有 CO2、NOx,这使得烟气露点温度远高于水露点。二氧化碳和氮氧化物与水反应,会生成亚硝酸盐、硝酸盐、碳酸盐和酸。     

     因此,当锅炉烟气温度低于露点温度或受热面壁温低于烟气露点温度时,烟气中水蒸气就会产生冷凝,或在受热面壁面凝结。上海理工大学曹丽丽团队通过实验研究发现,冷凝水量与排烟温度、进水温度、过量空气系数成反比,而且与换热面的结构密切相关,如节能器采用翅片管式结构,冷凝水量将大幅减少。

      卧式内燃锅炉多为热功率较小的锅炉,该炉型燃烧主要在炉胆内,对流换热部分有烟管、节能器等,冷凝水容易在温度相对较低的第三回程烟管、后管板、尾部烟道、节能器、冷凝器等部位产生,容易因疏水不及时在前、后烟箱部位淤积,而双锅筒室燃炉,多为热功率较大的中大型锅炉,燃烧在水冷壁围绕的炉膛内进行,冷凝水主要在对流管束区域和尾部节能器部位产生

冷凝水特性

 

      由于烟气中的 CO2、NOx、SOx 等气体溶解在冷凝水中,使冷凝水具有较高的酸性。不同部位冷凝水酸性浓度不同,从烟气在受热面冷凝开始部位到尾部冷凝器,冷凝水酸性浓度逐步降低,这使得炉膛内聚集的冷凝水 pH 值低于冷凝器部位的冷凝水pH 值,同时,因为受热面的腐蚀作用,提高了炉膛内冷凝水的铁离子含量及电导率。

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图一

 通过对 WNS 型燃气锅炉相同工况下 316 不锈钢、306 不锈钢、普通低碳钢三种材质节能器烟气冷凝水进行化学分析,发现随着材质抗腐蚀性能降低,冷凝水的 pH 值降低,电导率、全铁、溶解性总固体等指标升高,锅炉不同部位的冷凝水特性不同,同一部位因材质的不同,冷凝水特性也会存在差异( 如表 1 所示) ,并且根据表中数据可知,如不经过处理,冷凝水各项指标都不适合直接作为锅炉补给水。

 

通过对一台 29 MW 燃气锅炉的计算发现,当烟气余热利用装置后的排烟温度在 50 ℃ 时,额定运行工况凝结水量达到 1.95 t /h。然而冷凝水不经过处理,其各项指标都不符合锅炉用水的要求。

 

      出于成本的考虑,绝大部分冷凝水都没有回收利用而被直接排放,不仅造成热量的损失,而且浪费了大量水资源。

 

冷凝水的危害


对锅炉受热面的危害


      冷凝水的主要危害是对受热面的腐蚀。受热面冷凝水的产生主要取决于壁面温度及烟气气流截面温度分布,例如 WNS 型烟管炉壁面温度低于露点、烟气的芯流温度高于露点时仅有部分水蒸气冷凝。一般受热面的冷凝水腐蚀以化学腐蚀为主,如有腐蚀产物造成冷凝水聚集会产生电化学腐蚀。

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图二:

      图 2 是卧式内燃锅炉烟管的冷凝水腐蚀,随着时间的推移,会使烟管壁厚减薄,强度降低。酸性冷凝水对受热面腐蚀时,析氢反应和吸氧反应同时发生,产生的Fe( OH) 2 在富氧环境下被氧化为 Fe ( OH ) 3 和Fe3O4,Fe( OH) 3 进一步脱水生成 Fe2O3,因此腐蚀产物主要为铁的氧化物。这类物质及冷凝水在烟管内部聚集,会增加烟气的阻力甚至堵塞烟管,不仅增加燃烧器风机的电耗,甚至影响燃烧工况,严重影响受热面的换热效率,增加燃料消耗。

 

 

对燃烧器保温材料的影响

 

      在锅炉定期检验过程中,发现某单位供暖锅炉房锅炉额定出力远大于用热量,与用暖建筑存在一定高度差且使用一次网直接供热,导致锅炉长期低负荷运行,频繁启停,冷凝水量大且未能及时排出而返回至炉膛内聚集,对燃烧器金属材料及耐火材料造成损坏( 如图 3 所示) ,严重时还会渗入燃烧器,导致运行过程中锅炉燃烧器熄火,严重影响锅炉的安全运行。当锅炉再次启动时,炉膛内的冷凝水吸收热量后蒸发,影响锅炉的经济运行。

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图 冷凝水对卧式内燃锅炉燃烧器金属材料及耐火材料的损坏

 

对保温密封材料的影响

     

     由于前后烟箱部位的冷凝水不能及时排除,冷凝水慢慢渗入到锅炉烟箱的保温材料中( 如图 4 所示) ,并透过保温材料从烟箱外包渗出。保温材料长期在冷凝水的侵蚀下,保温效果降低,严重时甚至会脱落,增加锅炉的散热损失,降低锅炉热效率。同时,密封材料变形老化后密封效果变差,致使烟气泄露,造成一定的能量损失。此外,泄露烟气中的有害成分还会威胁锅炉运行人员的生命安全。

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图 卧式内燃锅炉尾部烟箱渗出冷凝水

 

 


冷凝水危害的防止措施

 

疏水管加粗且疏水可见

     

      我们在锅炉检验过程中发现,通常水管锅炉因炉膛尺寸较大,冷凝水疏水管管径大、分布均匀,不容易聚集冷凝水,冷凝水可及时排出。卧式内燃锅炉虽然设置了多处冷凝水疏水管,但不仅冷凝水量大且不易排出,这是因为其燃烧空间小,结构限制原因,仅在前后烟箱下部布置有小管径疏水管,且考虑到防止烟气泄露的原因,疏水管一般直接插入排污管,致使运行过程中如果氧化产物堵塞疏水管,司炉工也无法及时发现或维修,冷凝水无法正常排出。针对以上情况,首先应采用大管径疏水管,其次在管路上加装存水弯管,防止烟气泄露,最后开放末端,方便运行人员检查及维修。

 

调整节能器安装位置

 

      卧式内燃锅炉通常将节能器布置在锅炉正上方,如图 5 所示,这使得锅炉运行过程中节能器中产生的冷凝水因重力作用回流至锅炉后管板和后烟箱。另一方面,节能器通常采用 ND 钢等耐酸钢,具有极强耐酸腐蚀能力,而锅炉本体受热面通常采用20G、Q345R 等低碳钢材质,抗腐蚀能力相对较差,这使得回流的冷凝水更容易腐蚀锅炉本体。因此,调整节能器位置,避免锅炉本体置于烟气流程的最低点,能够防止冷凝水回流。同时,调整节能器位置时,还应对锅炉烟气阻力重新核算,防止烟气阻力过大。

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图 布置在卧式内燃锅炉本体上方的节能器

 

适当提高锅炉负荷或回水温度

 

      在对大量供暖热水锅炉运行工况进行能效测试后发现,大部分热水锅炉出水压力、出水温度、负荷都相对较低,例如设计出水压力为 1.0 MPa,但实际运行时仅为 0.5 MPa 左右,这使得锅炉受热面、尾部烟道温度都比额定工况低,进而产生冷凝水。

     因此调整供暖策略,提高锅炉出力,保持运行工况稳定; 二网系统中降低一网流量,提高一网出水压力、出水温度、回水压力,能够有效减少冷凝水。

      另外,低氮改造后的锅炉,烟气再循环将烟气中的水分重新带入锅炉,不可避免地增加冷凝水,因此低氮改造时应考虑该方面的影响,为用户提供解决方案。锅炉在选购时,应根据当地气候、采暖面积、发展规范,合理选择锅炉出力,避免大马拉小车,长期低负荷运行。

      另外一方面锅炉房选址时,应充分考虑地势差,并靠近热负荷中心,同时采用二网系统,通过板式换热器隔压换热,一方面能够使锅炉提高出水压力、出水温度,另一方面避免直接供热时高温高压对末端暖气片、地暖等采暖设备的损坏。


 

      随着燃气工业锅炉烟气余热回收、低氮改造等项目不断推进,以及节能器、冷凝器等装置的普及应用,使得燃气锅炉产生冷凝水的现象越来越普遍,冷凝水的产生量也越来越大。

      由于烟气冷凝水腐蚀对锅炉的损害是一个长期的过程,应引起锅炉制造单位和使用单位足够的重视,从设计、制造及运行维护中能够借鉴本文中提出的有效措施,减少冷凝水对锅炉本体产生的腐蚀,并对冷凝水及其热量进行回收利用,从而有效提高锅炉安全经济运行水平。