低氮燃烧锅炉水冷壁防护涂层抗高温腐蚀机理与性能研究

发布时间：2020-07-25 16:48

【摘要】：燃煤电厂在应用低氮燃烧技术后,锅炉水冷壁可能会由于局部贫氧气氛燃烧形成高温腐蚀,严重影响机组的运行安全性和可靠性。针对低氮燃烧燃煤锅炉开发对应的水冷壁抗高温腐蚀防护方法具有重要的理论和应用价值。本文在水冷壁基材表面分别制备了Ni-Cr合金涂层和Al-Si-Cr陶瓷涂层,通过高温腐蚀实验考察两种涂层抗高温腐蚀性能;同时,将两种涂层应用到某300MW机组贫煤锅炉的现场,进一步对其在实际锅炉运行条件下抗高温腐蚀性能进行了验证和分析。本文首先对两种涂层进行了高温还原性气体腐蚀实验,腐蚀环境为CO/SO_2/H_2S/HCl还原性腐蚀气氛,并通过X射线荧光光谱(XRD)、X射线衍射(XRF)、扫描电镜能谱(SEM/EDS)对腐蚀前后涂层的横截面形貌和元素组成进行了分析。研究结果表明:Al-Si-Cr陶瓷涂层由尖晶石氧化物构成,结构致密,涂层与水冷壁基材的结合紧密,其致密氧化物可有效阻止气氛中含S、Cl腐蚀气体的渗透、迁移;Ni-Cr合金涂层主要由耐腐蚀Cr_2O_3氧化层和镍铬合金构成,但内部存在孔隙等缺陷形成的“扩散通道”,导致腐蚀气体向涂层内部渗透并破坏涂层。在相同高温气相腐蚀条件下,Ni-Cr合金涂层的腐蚀速率约为Al-Si-Cr陶瓷涂层的2倍。其次,在还原性气氛中对两种防护涂层进行了高温硫酸盐腐蚀实验,其实验结果表明:Al-Si-Cr涂层的抗高温硫酸盐腐蚀性能来源于Al、Si、Cr元素组成的致密惰性氧化膜,但由于内部热应力的释放会产生裂缝等缺陷,会使硫酸盐渗入涂层内部导致耐腐蚀性能降低;Ni-Cr合金涂层其抗高温硫酸盐腐蚀性能来源于Cr_2O_3氧化膜,虽然腐蚀介质能通过涂层内部缺陷腐蚀破坏氧化膜,但腐蚀速率较低,具有良好的抗硫酸盐腐蚀效果。在相同高温硫酸盐腐蚀条件下,Al-Si-Cr陶瓷涂层的腐蚀速率约为Ni-Cr合金涂层的1.5倍。最后,将Ni-Cr合金涂层和Al-Si-Cr陶瓷涂层应用于了某300MW机组低氮燃烧锅炉水冷壁,电厂实际应用近一年的结果表明:低氮燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀主要由腐蚀性气体及硫化物引起,烟气中的气相H_2S和活性[S]原子等腐蚀介质可以渗透涂层表面的含硫沉积层,并与涂层氧化膜发生反应,进而渗透至金属基材,导致Ni-Cr合金涂层的失效;Al-Si-Cr陶瓷涂层由于Al、Si、Cr等元素构成的惰性氧化层结构致密,孔隙缺陷少,抗高温腐蚀性能和防结焦性能优于Ni-Cr合金涂层。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM621.2
【图文】：

图 1.1 低氮燃烧锅炉水冷壁硫化物腐蚀图，硫化物型高温腐蚀持续发展必须具备以下条件[22]：（1）煤粉够直接接触壁面；（2）水冷壁近壁面处于交替性的还原/氧化性气具有较高的温度（>350℃）。性气体引起的高温腐蚀粉颗粒燃烧不完全的情况下，锅炉水冷壁近壁面会形成一定浓CO），燃烧区缺氧时 CO 含量波动范围达到 3%~25%[23]，CO 能 FeO 从而破坏水冷壁管。采用低氮燃烧技术的锅炉其近壁面更氛，空气分级导致主燃烧区和燃尽风喷口区域处于贫氧燃烧状以外煤中的大部分硫都会以 H2S 气体的形式释放出来，H2S 与 1.2 所示，烟气中 H2S 的含量随 CO 含量增加而增加，缺氧条当水冷壁管壁温度在 300~500℃时，烟气中的 H2S 能够直接与

图 1.2 硫化氢浓度与 CO 燃尽度关系面存在的交替性氧化/还原性气氛条件以及较高的的腐蚀进行得十分迅速。另外，还原性气体腐蚀，进一步提高腐蚀速率，增加水冷壁管破裂的风高温腐蚀常由 HCl 引起，其来源于煤中存在的 NaCl，当燃在高温下汽化并和 H2O、SO2、SO3等物质发生反应产物可以直接与水冷壁基材反应，破坏水冷壁表Cl2，进而高温腐蚀会不断发展下去。我国煤炭含蚀通常只能起到加速高温腐蚀的作用[27 29]。然而氯化物型高温腐蚀可能会起到更加关键的作用。应形成的复合高温腐蚀[30]。在硫化物型腐蚀作用下

图 1-3 课题研究路线图（1）在锅炉水冷壁管材表面制备 Ni-Cr 合金涂层和 Al-Si-Cr 陶瓷涂层，并在实验室模拟燃煤锅炉水冷壁区域还原性气氛和温度条件，对两种防护涂层进行高温气相腐蚀实验，结合多种表征手段分析涂层表面的腐蚀产物，研究涂层的耐高温腐蚀性能以及抗高温腐蚀机理。（2）通过在两种防护涂层表面刷涂饱和盐溶液，进一步在还原性气氛条件下进行高温硫酸盐腐蚀实验，通过涂层表面的腐蚀产物分析，研究 Ni-Cr 合金涂层和 Al-Si-Cr陶瓷涂层的抗高温硫酸盐腐蚀性能。（3）基于上述两部分研究结果，将 Ni-Cr 合金涂层和开发的 Al-Si-Cr 陶瓷涂层应用于国内某 300MW 机组贫煤锅炉水冷壁管表面，并对其表面涂层及腐蚀产物进行分析表征，进一步揭示锅炉受热面高温腐蚀防护机理，为燃煤电厂水冷壁高温腐蚀防护提供借鉴和指导。

【参考文献】

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本文编号：2770094