什么是燃气锅炉的低温腐蚀

燃气锅炉中产生低温腐蚀的原因是燃气中含硫化氢量过高。产品设计时应根据燃
气中的硫化氢含量进行露点温度计算 ,使锅炉运行时的金属壁面温度能避开硫酸腐蚀严
重的区域。正确的操作运行方式也能减缓受热面低温腐蚀的程度。
关键词 燃气锅炉 露点温度 低温腐蚀
中图分类号 TU995 TK229. 8
低温腐蚀现象是在锅炉低温受热面上发生的。
对于动力锅炉 ,主要发生在空气预热器中。在低参
数小容量锅炉中 ,由于给水温度低 ,低温腐蚀还可能
在省煤器上发生。对于锅壳式燃气锅炉来说 ,没有
省煤器、空气预热器等低温受热面 ,且设计排烟温度
一般都在 200 ℃以上 ,不应该出现低温腐蚀现象。
我厂设计制造的锅壳式内燃三回程燃气锅炉 ,可用
城市燃气为燃料 ,燃气组成如下 :
CH4
%
C2H6
%
H2
%
CO
%
CO2
%
N2
%
O2
%
H2S
mg/ m
3
Q
Y
dw
kJ/ m
3
20. 8 2. 3 43. 5 6. 3 7. 0 19. 5 0. 5 33. 2 14306
锅炉运行时的各项热力参数均可达到设计值 ,
同时也存在着低温腐蚀现象。在蒸汽锅炉中的表现
形式为 :烟气中的水蒸汽冷凝后 ,顺着烟囱内壁面流
入后烟箱。由于这些冷凝水溶解了烟气中的硫酸蒸
汽(冷凝水化验出的 p H 值 < 3) ,所以对后烟箱的炉
砖、保温层、密封材料及后管板产生了酸腐蚀。热水
锅炉出现低温腐蚀的部位主要在第二回程烟管、前
后管板 ,只使用了两个采暖期 ,就有部分烟管泄漏。
一般来说 ,烟气中水蒸汽的露点 (称之为水露
点) 是较低的。根据烟气中水蒸汽份额不同 ,水露点
也不同 ,约为 30 ℃～60 ℃。除非是燃烧产物中的
水分太多 ,工质温度太低 ,否则不易在受热面上结
露。由于城市煤气中含有 40 %～50 %的氢气 ,燃
烧产物中的水蒸汽分压远高于其它气体燃料 ,其水
露点是较高的。另外 ,在燃烧过程中 ,火焰高温区域
内的氧分子离解成氧原子 ,燃气中的硫化氢在燃烧
后又生成二氧化硫 ,氧原子与二氧化硫反应生成三
氧化硫。烟气中的全部或一部分三氧化硫与烟气中
的水蒸汽化合生成硫酸蒸汽。
SO3 + H2O H2SO4
三氧化硫转化为硫酸蒸汽的转化率为 :
X = PH2
SO4
/ (PSO3
+ PH2
0
)
转化率 X 与温度关系很大。当温度低于 200 ℃时 ,
烟气中的三氧化硫明显地转变成硫酸蒸汽。即 :转
化率增加。而且温度越低转化率越大。当温度低到
110 ℃时 ,几乎全部的三氧化硫都和水结合成硫酸
蒸汽(见图 1) 。当温度进一步降低时 ,硫酸蒸汽结
露成滴 ,凝结在温度低于水露点的壁面上。这个结
露温度既与水蒸汽的分压有关 ,也与三氧化硫含量
有关 ,所以后面称它为露点温度。
图 1 SO3 向 H2SO4 的转化率与温度的关系
第 18 卷 第 5 期 煤气与热力 ·59 ·
Ξ 收稿日期 :1997 - 09 - 25
可用如下两种方法求出露点温度 Tl。
(1) 将炉膛出口过量空气系数α(运行实测αpy
= 1. 15) 和燃气的各项成分数据代入下列公式便可
得到 Tl。而三氧化硫的体积 VSO3可根据燃气中的
硫化氢含量求出。
V
0
= 0. 04762〔0. 5CO + 0. 5H2 + 1. 5H2S +
∑(m + n/ 4) Cm Hn - O2〕
VRO2
= 0. 01 (CO2 + CO + H2S) + ρ Cm Hn
V
0
N2
= 0. 79V
0
+ N2/ 100
V
0
H2
O = 0. 01 ( H2S + H2 + ρ 0. 5Cm Hn + 0. 124ds
)
+ 0. 0161V
0
Vpy = VRO2
+ VN2
+ VH2
O + 1. 0161 (αpy - 1) V
0
通过计算 ,可以得到烟气中 H2O 和 SO3 分压 :
PH2
O = V
0
H2
O/ Vpy = 0. 2007 ×10
5
Pa
PSO3
= VSO3
/ Vpy = 4. 429 ×10
- 6 ×10
5
Pa
将 PH2
O和 PSO3代入下式 :
1000/ Tl = 1. 7842 + 0. 0269lgPH2
O -
0. 1029lgPSO3
+ 0. 0329lgPH2
OlgPSO3
得到露点温度 Tl = 137 ℃。
(2) 由图 2 可看到 ,即使是三氧化硫浓度很低
时 ,露点温度也会随着三氧化硫的浓度增加而显著
提高 ,直到 150 ℃以上 ,当三氧化硫浓度超过 40 ×
10
- 6之后 ,露点温度增长缓慢。按前面提到的燃气
成分和炉膛出口过量空气系数计算 ,33. 2 mg/ † 硫
化氢完全燃烧后 ,烟气中的三氧化硫浓度为 4. 5 ×
10
- 6 。从图 2 上查到相应的露点温度 Tl = 142 ℃。
图 2 酸露点与 SO3 浓度的关系
这类锅炉通常采用钢制无内衬烟囱 ,烟囱高度
按 30 m 计算。由于烟气从烟囱排向大气的过程中
是不断地降温的 ,降温速率按烟囱高度每米降温 2/
D
0. 5计算。D 为锅炉运行时的负荷。对于蒸发量为
2 t/ h 炉来说 ,在额定负荷下运行 ,排烟温度为 250
℃。到烟囱出口段 ,烟气温度只有 208 ℃了 ,这时 ,
烟气中的三氧化硫已经开始向硫酸蒸汽转化 ,凝结
在较冷的烟囱壁面上。并且这类锅炉的供热负荷也
是不稳定的 ,随外界需用热量的变化来回波动 ,还经
常在中、低负荷下运行。而锅炉在低负荷下运行的
排烟温度是会降低的 (带辐射式过热器的锅炉除
外) 。经烟囱排出过程中烟气的温度降也会随运行
负荷的降低而增加。所以排出的烟气还没有到达烟
囱就产生了大量的冷凝水 ,这些冷凝水顺着烟囱内
壁面流进后烟箱 ,形成了前面所说的低温腐蚀现象。
我厂生产的饱和蒸汽锅炉 ,设计工作压力 ≥1. 0
MPa。锅炉运行时 ,只要工作压力控制在 0. 5 MPa
以上 ,锅内工质的温度就不会低于 158 ℃,能够使金
属壁面温度高于露点温度。操作方式上要采用提高
运行负荷、缩短锅炉运行时间的方法。另外 ,在后烟
箱烟囱座上面加装一个环形泄水槽 ,将烟囱流下来
的冷凝水提前引流排出 ,不使之流入后烟箱。采取
以上措施后 ,是可以避免低温腐蚀在炉本体内发生
的。
而热水锅炉的工作条件较恶劣 ,防止低温腐蚀
就困难些。锅炉设计工作压力为 0. 7 MPa ,热水出
口温度为 95 ℃,排烟温度为 200 ℃。锅炉运行时 ,
金属壁面温度只有 140 ℃。若一定比例的硫酸蒸汽
- 水蒸汽与低温受热面相遇受到冷却时 ,它们就降
温并凝结下来。由于酸露点高 ,所以硫酸蒸汽比水
蒸汽更容易凝结。因此 ,烟气中的水蒸汽遇到低温
受热面开始凝结时 ,凝结液中硫酸浓度很大。当有
一部分蒸汽凝结下来以后 ,烟气中硫酸蒸汽和水蒸
汽的浓度都有所降低 ,但前者幅度大。随着烟气的
流动 ,烟气中的硫酸蒸汽和水蒸汽还会继续凝结。
不过这时凝结液中硫酸浓度却在逐渐降低。由此可
知 ,烟气中硫酸蒸汽和水蒸汽在低温受热面上的凝
结是发生在一个相当广的范围内 ,而凝结出的硫酸
浓度是随温度降低逐渐变小的。
硫酸浓度对受热面腐蚀速度的影响如图 3 所
示 ,开始凝结时产生的浓硫酸对钢材腐蚀的作用很
·60 · 煤气与热力 1998 年 9 月
轻微。而当浓度为 56 %时 ,腐蚀速度最高。硫酸浓
度再进一步增加 ,腐蚀速度反而逐渐降低。除浓度
外 ,单位时间在管壁上凝结的硫酸量也是影响腐蚀
速度的因素之一。
图 3 硫酸浓度对碳钢腐蚀速度的影响
随着凝结硫酸量的增加 ,腐蚀加剧。管壁上凝结的硫酸量与管
壁温度有一定的关系。图 4 为受热面上凝结硫酸量随温度的变化。
图 4 凝结硫酸量与管壁温度的关系
受热面壁温除影响凝结硫酸量外 ,还直接影响
化学腐蚀反应速度。随着壁温的升高 ,腐蚀化学反
应速度增大。所以受热面金属的实际腐蚀速度既与
壁面上凝结的硫酸浓度有关 ,又与壁温有关。如图
5 所示 ,腐蚀最严重的区域有两个 ,一个是发生在壁
温为水露点附近 ,另一个是发生于壁温低于酸露点
15 ℃的区域。热水锅炉的壁温也正是处在这个区
域。在燃气质量无法改善的前提下 ,针对硫化氢含
量高的问题 ,在锅炉设计时应选用较高的压力、温度
参数。可考虑用 1. 3 MPa、140 ℃系列。目的也同
样是想提高炉本体的壁面温度 ,避开酸露点 ,当然还
可以选用耐腐蚀钢材来制造烟管、管板 ,缺点是锅炉
成本较高 ,用户不太容易接受。在运行中 ,还可采用
抑制腐蚀添加剂和降低过量空气系数的措施 ,以缓
解低温腐蚀的速度。
图 5 腐蚀速度与管壁温度的关系
总之 ,防止低温腐蚀最有效的方法仍然是清除
燃气中的硫化氢 ,保证气源厂脱硫设备的正常运行。
另外 ,现行的国家标准中硫化氢含量 < 20 mg/ m
3
,
这个指标对煤气输配系统中的储罐、调压器、管道等
的腐蚀性及对人体危害来说是可以接受的。但在煤
气燃烧后对燃烧设备产生的腐蚀性却是太宽松了。
国外煤气中的硫化氢含量指标除前苏联外 ,都十分
严格 ,一般都要求 < 2 mg/ m
3。
(下转第 63 页)
第 18 卷 第 5 期 煤气与热力 ·61 ·
负荷密度 ,宜大于 23. 24 MW/ km
2
,选用单台 ≥20
t/ h 的锅炉才经济。当建筑热负荷密度小于 23. 24
MW/ km
2
,采用集中供热应作专门论证。
(2) 供热范围内占地面积 ,宜呈正方形为宜 ,尽
量避免呈带状 ,且热源厂宜处于热负荷中心。这不
仅因为前述诸原因 ,还因为选择循环水泵扬程时按
满足最远环路压降选用的。带状供热范围必然使外
网长度拉长 ,所需循环水泵扬程增大 ,运行电耗增
加。若热负荷在供热范围内分布稀疏 ,密度小 ,则不
宜马上搞集中供热。
(3) 单个热源厂的供热面积应小于 100 万 m
2
为宜 ,且锅炉经济组合台数为 4 至 3 台 ,并同时考虑
在不同热负荷情况下 ,应能使单台炉负荷率不小于
额定负荷的 90 % ,以保证单炉平均运行热效率 ,提
高运行经济性。

低温腐蚀主要是指水介质对碳素钢的腐蚀能力。介质水（炉内水）温度在50~60摄氏度左右对碳素钢的腐蚀能力最强，随温度的上升腐蚀能力愈弱。普通常压热水锅炉的设计寿命在5~8年，承压或高压锅炉的设计寿命大致在30年。