燃气余热锅炉化学清洗介质选择及优化研究_唐晓辉

2019-03-10 20:03:00 zixun
20 化学工程与装备 Chemical Engineering & Equipment 2016 年 第 10 期 2016 年 10 月 燃气余热锅炉化学清洗介质选择及优化研究 唐晓辉,张建鹏,涂孝飞,杨彦科 (华北电力科学研究院(西安)有限公司,陕西 西安 710069) 摘 要:燃气热电厂余热锅炉相较于常规煤粉锅炉具有结构复杂、管道排布多样、多汽包、化学清洗周期 长等特点。因此,余热锅炉化学清洗应当在煤粉炉清洗工艺基础上进行优化选择,从而探析更适于余热锅 炉化学清洗的工艺方案。本文通过酸洗静态试验,从酸洗腐蚀速率、腐蚀总量及清洗成本等角度出发探析 并得出余热锅炉化学清洗最佳清洗方案,同时通过用酸洗实例加以印证。 关键词:余热锅炉;化学清洗;腐蚀速率;腐蚀总量 引 言 近年来, 燃气发电项目越来越多的开始建设投产。 尤其 烟道为卧式系统, 则余热锅炉各级受热面采用竖直的立式系 统以充分吸收尾部热量; 若尾部烟道采用立式系统, 则余热 锅炉受热面采用水平受热结构。 虽然两种系统对锅炉受热不 会产生影响, 但在酸洗时对管道沿程阻力和清洗泵的选型有 一定影响。 此外, 采用水平排列的受热面不容易彻底排掉化 学清洗液。除此之外,余热锅炉省煤器、蒸发器各系统管道 横截面积有较大差异, 对酸洗流速的控制也会造成困难。 因 此余热锅炉化学清洗时应重点考虑酸洗临时管连接方式, 保 证酸洗质量。 1.2 燃煤锅炉与燃气余热炉制作管材对比 余热锅炉和燃煤锅炉在加工制作工艺以及采用的管材 上是存在一定区别的。 从表 1 可以看出, 常见燃煤汽包炉与 燃气余热炉在管道材质上几乎相当, 但省煤器及水冷壁的管 壁厚度则有较大差异。 对于余热锅炉而言, 其汽水管道尤其 是省煤器和蒸发器管壁较薄,一般采用 2.6 mm ~ 3.4 mm 管壁厚度,而燃煤汽包炉省煤器及水冷壁普遍采用 6.0 mm ~ 是在全国雾霾较为严重的北京地区, 燃气发电项目全面取代 燃煤机组成为北京治理雾霾的先锋旗帜, 而与燃机系统配套 的余热锅炉也正式登上历史舞台。 余热锅炉相较于一般燃煤 锅炉而言,没有输煤、除灰等辅机设备,但炉本体汽水系统 则更为复杂。余热锅炉常常具有多汽包、结构复杂、管道排 [1] 布多样、模块集成化等特点 。此外,为了便于余热锅炉充 分受热、 最大限度进行余热利用, 余热锅炉的管道设计尤其 是省煤器、 蒸发器的汽水管道较于燃煤锅炉更细更薄, 这就 要求我们在酸洗时必须考虑在去除管道内表面铁锈的同时 最大限度的降低基质铁的腐蚀, 防止因酸洗腐蚀总量过大而 引起管道泄露或内壁减薄的情况。 1 余热锅炉基本结构 余热锅炉主要用于燃机排气的余热利用?因燃机出力? 尾部烟道结构?供热等原因影响,余热锅炉的结构也略有不 同? 1.1 系统结构 余热锅炉常具有多汽包、汽水管路复杂、多级受热、管 道排布呈多样化等特点。高、中低压系统相互连通,并给供 热系统提供热源。 常见的余热锅炉受热面安装结构有两种模 式,一种是水平排列系统,另一种是立式排列系统。区别的 主要原因在于排放燃机尾气的尾部烟道的结构安排。 若尾部 表1 7.2 mm 的管壁厚度。两者管壁厚度相差 2 倍多。这就决定 了燃气余热炉在化学清洗时在保证清楚表面铁锈的前提下, 应尽可能的减少基质铁的剥蚀, 以防止管壁减薄而导致的安 全隐患。 常见燃煤汽包炉与燃气余热炉管材对比 燃煤汽包炉 燃气余热炉 管壁厚度(mm) / 6.0~7.2 6.0~7.2 材质 SA299 SA-210-A SA-210-A 管壁厚度(mm) / 2.6~3.4 2.6~3.4 部位 汽包 省煤器 水冷壁(蒸发器) 材质 SA-299/13MnNiMo54 20G/SA-210C 20G/SA-210C 唐晓辉:燃气余热锅炉化学清洗介质选择及优化研究 2 化学清洗工艺的选择 余热锅炉汽水系统常常划分为高压、 中压、 低压三个部 分,三部分通过相应的管道或泵相连通。高、中、低三部分 相应的压力等级不同, 在酸洗时可以进行区别对待。 根据 《火 力发电厂锅炉化学清洗导则 DLT 794-2012》规定: “直流炉 和过热器出口压力为 9.8MPa 以上的汽包炉在投产前必须进 行化学清洗; 压力在 9.8MPa 以下的汽包炉, 当垢量<150g/m 时,可不进行酸洗,但必须进行碱洗或碱煮。 ” [2] 2 21 可。因此,对于余热锅炉的化学清洗,可以根据汽包压力等 级将余热锅炉汽水系统划分为高压、 中压、 低压系统而区别 对待,选择更为合适的化学清洗方案。 2.1 碱洗(碱煮)与酸洗对比 碱洗及碱煮能够有效去除锅炉水冷壁及省煤器中的油 性物质, 并能疏松锅炉结垢, 去除部分硅酸盐垢和硫酸盐垢 [3] 。对于基建锅炉而言,其管道内的主要垢质为锅炉加工和 对于典型 安装过程中产生的氧化皮及铁锈、 焊渣等。 并且如今加工工 艺的进步,基建锅炉管道内的油性物质也大大降低。因此, 采用碱洗或碱煮工艺并不能针对性的去除附着于基建锅炉 管道内的铁锈垢质。 的具有高、中、低三个汽水系统的余热锅炉而言,高压系统 过热器出口压力往往大于 9.8 MPa,中压、低压系统则相对 较小。 根据导则要求, 余热锅炉高压部分是必须进行酸洗的, 而中、低压部分则可以不进行酸洗而只进行碱洗或碱煮即 表2 清洗对象 碱洗(碱煮) 碱洗(碱煮)与酸洗优缺点比较 优点 除油能力强 对铁性氧化物去除率高、 汽水品质提 高快 缺点 除垢能力弱 油性物质、少量硅垢、硫 酸盐垢 焊渣、铁锈、氧化皮 酸洗 不除油、腐蚀性强 表 2 是将碱洗 (碱煮) 工艺和酸洗工艺进行的简单对比。 从表 2 可以直观的发现碱洗 (碱煮) 工艺只具有较强的除油 能力,仅适合于含油较高的系统。此外,碱洗(碱煮)除垢 能力也较弱,并不适合于单纯的用于基建锅炉的化学清洗, 但其具有除油、 疏松垢质、 改善管道表面微观性状等特点 , 而更适合于作为酸洗前的碱化处理工艺。酸洗工艺对焊渣、 铁锈、 氧化皮等铁性氧化物具有较强的去除能力, 更适合用 于基建锅炉的化学清洗。同时,采用酸洗的锅炉汽水系统, 钝化结束后管道表面能够形成较为完整的钝化膜, 在锅炉整 套启动时,能够快速的提高锅炉汽水品质。因此,酸洗应该 是基建锅炉化学清洗最好的选择,而无论碱洗或碱煮工艺, 均不宜单纯用于基建锅炉的化学清洗, 但可以作为酸洗前的 碱化处理工艺。 对于基建期余热锅炉而言, 汽水系统可分为高压、 中压、 低压系统,化学清洗可以分别进行。由以上结论可以得出: 当余热锅炉化学清洗时,应当采用高压、中压、低压系统全 部酸洗的工艺, 若系统中含有较多油性物质, 可以先进行碱 洗或碱煮工艺,除去油性物质后再进行酸洗。 2.2 2.2.1 化学清洗介质的选择 清洗介质的选择 [4] 过程中产生的铁锈、 焊渣等杂质, 以便在机组整套启动时能 快速满足机组对汽水品质的要求。 锅炉化学清洗可以选择的 介质有很多种,较为常用的有盐酸、柠檬酸、EDTA 及复合 有机酸等。 根据上面得出的结论, 在选择余热锅炉清洗介质 时, 应当在清洗效果相当的基础上选择腐蚀速率和腐蚀总量 较低的化学清洗介质, 以保证管材的基质铁不会过量流失而 导致管材壁厚减损。 锅炉酸洗最为常用的酸洗介质有: 盐酸、 柠檬酸和 EDTA 等,其中,盐酸为无机酸,柠檬酸和 EDTA 为有机酸。 表3 不同清洗介质下余热炉管样的腐蚀速率 2 盐酸(g/m ?h) 1 2 3 4 2.1088 2.0821 3.4934 2.6432 柠檬酸 (g/m2?h) 0.2934 0.3525 0.4685 0.3261 EDTA(g/m2?h) 0.3542 0.4615 0.4321 0.4816 表 3 和表 4 为分采用盐酸、柠檬酸和 EDTA 为清洗介质 对燃气余热锅炉管样(材质为 SA-210-A)进行的小型酸洗 静态试验。其中盐酸浓度 4%,温度 55℃,盐酸缓蚀剂浓度 0.3%;柠檬酸浓度 3%,pH 3.7,温度 90℃,柠檬酸缓蚀剂 锅炉化学清洗主要目的是清除锅炉在制造、 运输及安装 22 唐晓辉:燃气余热锅炉化学清洗介质选择及优化研究 EDTA 与金属氧化物的络合反应是明显比盐酸的强酸溶解反 应更弱的化学反应。 所以, 在直观上反映就是柠檬酸或 EDTA 的腐蚀速率要远低于盐酸的腐蚀速率。 此外,盐酸作为化学清洗介质还存在一定的安全隐患。 [5] 盐酸中游离的 Cl 对管壁会有侵蚀作用 。游离的部分 Cl 浓度 0.3%;EDTA 铵盐 5%,pH 5.1,温度 90℃,EDTA 缓蚀 剂浓度 0.3%。酸洗所有缓蚀剂缓蚀效率均大于 98%, 酸洗时 间均为 4 小时, 4 个样品取自同一段管样, 锈蚀、 垢量相当。 小试结束时三种不同介质下的管样试片锈迹清洗干净, 目测 清洗效果几乎相当。 从表 3 和表 4 可以明显的看到, 酸洗静态试验采用盐酸 作为清洗介质时, 余热锅炉管样的腐蚀速率和腐蚀总量要明 显高于柠檬酸和 EDTA。由上面数据可以计算盐酸作为清洗 ,平均腐蚀总 介质时的平均腐蚀速率为 2.5819 g/(m ?h) 量为 10.3276g/m ;柠檬酸作为清洗介质时的平均腐蚀速率 ,平均腐蚀总量为 1.4405 g/m ;EDTA 为 0.3601 g/(m ?h) 的平均腐蚀速率和平均腐蚀总量为 0.4324 g/(m ?h)和 1.7294 g/m 。三者均未超过《火力发电厂锅炉化学清洗导 则 DLT 794-2012》中关于平均腐蚀速率和平均腐蚀总量的 要求。 但三者互相比较而言, 盐酸作为清洗介质的平均腐蚀 速率是柠檬酸的 7.17 倍,是 EDTA 的 5.97 倍,如果在动态 试验时腐蚀速率及腐蚀总量会更高。 2 2 2 2 2 2 与管壁金属接触后,会直接侵入金属内部,破坏金属晶格, [6] 与之相互作用而导致金属腐蚀。 另外,当冲洗不彻底时, 管道内残存的 Cl- 也会造成危害。 由于 Cl- 较小, 能够穿过 [7] 导致钝化膜脱落[8]及基质铁腐蚀。 钝化膜 而与基质铁作用, 由此, 采用盐酸作为清洗介质清洗余热锅炉是存在一定的安 全隐患的。 表5 盐酸 三种清洗介质优缺点对比 柠檬酸 腐蚀速率低、 危险隐患性小 成本较高、清 洗温度高、废 液难处理 EDTA 腐蚀速率低、 用水量少、工 艺简单 成本高、清洗 温度高、废液 难处理 成本低、清 优点 洗温度低、 废液易处理 腐蚀速率 表4 不同清洗介质下余热炉管样的腐蚀总量 2 缺点 2 高,存在一 定安全隐患 盐酸(g/m ) 1 2 3 4 8.4352 8.3284 13.9736 10.5728 柠檬酸(g/m ) 1.1734 1.4099 1.8740 1.3044 2 EDTA(g/m ) 1.4168 1.8460 1.7284 1.9264 表 5 为三种清洗工艺的优缺点对比。 从对管壁腐蚀情况 分析,使用盐酸腐蚀总量最大,柠檬酸和 EDTA 效果相当; 从酸洗成本上分析,使用盐酸成本最低,柠檬酸次之,EDTA 成本最高。从废液处理上分析,盐酸处理起来较为容易,而 可见,盐酸对管样的腐蚀速率最大,EDTA 和柠檬酸对 管样的腐蚀要小得多, 两者相互接近, 但柠檬酸最低。 因此, 单纯从对锅炉管样腐蚀的强弱来分析, 余热锅炉采用柠檬酸 和 EDTA 作为清洗介质显然是更为合适的选择。但从成本上 分析, 柠檬酸在价格上更有优势, 也更适合作为余热锅炉化 学清洗介质。但是,通过降低盐酸浓度、增大盐酸缓蚀剂比 例、减小化学清洗时间也可以有效降低化学清洗腐蚀总量。 盐酸清洗的腐蚀速率和腐蚀总量远远大于 EDTA 和柠檬 酸等有机酸是有理论依据的。从化学清洗原理上进行分析, 盐酸作为化学清洗介质主要是利用了盐酸的强酸性特点。 盐 酸是无机强酸, 进入系统后能很快溶解掉铁性氧化物, 这个 反应是无机反应,非常迅速。随着时间推移,盐酸将表层氧 化皮被剥蚀完全后, 与基质铁发生析氢反应, 使基质铁腐蚀, 近而侵蚀管壁, 造成管壁的腐蚀。 虽然在酸洗时添加的盐酸 缓蚀剂能极大限度的降低盐酸的腐蚀效率, 但因腐蚀速率较 快,在腐蚀总量上比较仍然是较高的。而柠檬酸和 EDTA 作 为化学清洗介质时, 主要是与金属氧化物形成络合反应, 进 而溶解金属氧化物达到清洗表面残垢的目的。柠檬酸或 [9] 柠檬酸 和 EDTA 废液处理则较为麻烦。但是,一般的燃气 热电联产机组分布在城市附近, 其配置的废水处理系统仅是 将工业废水通过加碱、酸等工艺进行简单 pH 调节后排至市 政污水管道。 而化学清洗所产生酸洗废液通过上述方法并不 能够处理合格, 因此无论采用什么介质的化学清洗其酸洗废 液只能临时存放在废水池, 并需要输送至具备处理酸洗条件 的污水处理厂进行处理。 通过上述分析可得到以下结论: (1) 盐酸不是余热锅炉 化学清洗最理想的清洗介质, 倘若用盐酸作为化学清洗介质 应通过试验选择降低浓度、 增大盐酸缓蚀剂浓度、 降低化学 清洗时间等手段在达到化学清洗效果的同时使腐蚀总量保 持在较低水平。 (2)采用柠檬酸进行化学清洗,腐蚀速率较 低、 清洗效果较好且成本不高, 是余热锅炉较为理想的化学 清洗介质。 2.3 柠檬酸浓度的选择 唐晓辉:燃气余热锅炉化学清洗介质选择及优化研究 23 ??????????????? 2% 1 2 3 4 良 否 良 良 2.5% 良 良 良 良 3% 优 良 优 良 4% 良 优 优 优 SA-210-A1,保留原始锈渍)的清洗效果。通过试验可见, 当柠檬酸浓度为 2%时,可以去除绝大部分铁锈;当柠檬酸 浓度达到 2.5%以上,几乎能够达到完全除锈的目的。但因 为酸洗时, 柠檬酸浓度会逐渐降低, 同时为了能够保证清洗 效果,应适当的提高柠檬酸浓度。因此,采用柠檬酸清洗时 浓度控制在 3%左右较为合适,并随着柠檬酸浓度的降低适 当加以补充。 3 柠檬酸清洗余热锅炉实例 某基建燃气机组 1 号余热锅炉采用柠檬酸化学清洗, 酸 洗系统如图 1 所示。 否:锈迹未清洗干净;良:基本清洗干净;优:表面完全清 洗干净 柠檬酸缓蚀 表 6 是采用柠檬酸为介质的静态小试试验。 剂浓度 0.03%,氨水调节 pH 3.8,温度 90℃,清洗时间 6h, 在不同柠檬酸浓度下试片(试片取自同一根管样,材质 图1 二拖一余热锅炉化学清洗系统图 该基建项目二拖一余热锅炉分高压、 中压、 低压系统三 部分,化学清洗时三部分分别进行柠檬酸化学清洗,低压、 中压系统采用省煤器进酸、 蒸发器下联箱连接回酸罐循环方 式进行清洗循环, 高压蒸发器由于横截面积较大为保证清洗 流速采用省煤器+蒸发器下联箱进酸, 下降管回酸方式进行。 高、中、低余热锅炉三个清洗系统共用一个清洗平台。 蚀总量。由表 7 可见,无论低压、中压还是高压系统还是省 煤器或蒸发器,其动态腐蚀总量虽比静态试验时高出一点, 但其整体均处于较低水准。 由此可见, 采用柠檬酸化学清洗 不仅可以保证酸洗质量, 同时能有有效防止基质铁剥蚀, 是 余热锅炉较为理想的清洗介质。 4 小 结 通过将燃气余热锅炉和燃煤锅炉在结构和管材的对比 表7 柠檬酸化学清洗的腐蚀总量 中压系统 2.12 2.88 高压系统 2.12 1.84 研究,以及分别采用盐酸、柠檬酸和 EDTA 做的酸洗小试对 比分析可以得出以下结论: (1) 余热锅炉比燃煤锅炉结构复 杂,管壁较薄,酸洗时应特别对待。 (2)若具备条件,应对 余热锅炉高、中、低压系统分别进行化学清洗。 (3)余热锅 炉化学清洗应采用柠檬酸、EDTA 等腐蚀速率较低的有机酸 余热锅炉低压、 中压、 高压系统全部分别采用柠檬酸清 洗,柠檬酸浓度均为 3%,缓蚀剂浓度为 0.3%,清洗时间 5 小时, 其他条件均符合导则要求, 清洗结果满足清洗质量要 求。 化学清洗时分别在在三个系统省煤器及蒸发器割管放置 酸洗试片, 酸洗结束后取出干燥称重, 计算前后减重得出腐 进行化学清洗,一般而言采用柠檬酸较为合适。 (4)采用柠 檬酸作为清洗介质时,柠檬酸浓度控制在 3%左右即可,随 着浓度降低,应适当添加柠檬酸。 同时, 通过柠二拖一余热锅炉酸洗实例印证柠檬酸为较 为理想的化学清洗介质。 (下转第 15 页) 低压系统 省煤器 蒸发器 2.19 1.84 吴 斌:CNG 长管拖车气瓶失效模式研究 15 惯性力引起安装法兰内螺纹牙对瓶颈外螺纹牙的轴向磕碰、 摩擦作用,反复作用多次,就会造成螺纹牙的疲劳、变形、 碰伤、磨损、高度变小等;第二种是由于固定不牢而引起瓶 体周向转动, 导致气瓶内外螺纹之间发生相对运动而引起螺 纹的磨损, 而瓶体周向发生转动又有两种原因, 一是瓶体重 心偏离了轴向位置, 致使瓶体受到周向力矩的作用, 从而造 成周向转动, 二是紧固螺纹未起到有效的固定作用。 并且上 述两种作用具有相互促进作用, 瓶颈螺纹被磕碰变形或者碰 伤后, 改变了螺纹之间的配合间隙, 增大了螺纹之间的摩擦 力,会进一步加剧螺纹的磨损;而螺纹牙被磨损变薄后,强 度降低,磕碰更容易使其直接损坏。 处理和收口两个环节的工艺。 其次, 应进一步加强充装环节 的管理,应充分保证充装介质质量,严禁充装超标介质,特 别是对气瓶有应力腐蚀倾向的介质。 (2)长管拖车气瓶鼓包是由于气瓶材料热处理不当, 导致显微组织异常, 出现较多铁素体, 降低了气瓶的局部强 度和硬度造成的。 为了防止出现这种问题, 在长管拖车气瓶 热处理过程中, 应该严格控制淬火及回火温度和时间, 优化 热处理设备, 保证气瓶在回火过程中受热均匀, 防止局部温 度过高。 (3)要防止长管拖车气瓶瓶颈螺纹的机械损伤,主要 应从设计制作环节入手, 一是改进瓶端固定结构, 加强气瓶 与安装法兰连接的紧固性, 具体的可以通过加长安装法兰和 合理设计紧固螺钉使其既能防止气瓶轴向窜动又能防止轴 向转动。 参考文献 [1] 陈希. 我国天然气发展问题与对策思考[J]. 生态经济 (学术版), 2011(2): 123-126. 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