超超臨界對沖燃燒鍋爐高溫腐蝕研究

張基標

（浙江浙能中煤舟山煤電有限責任公司，浙江 舟山 316131）

由于低NOX排放的需要，超超臨界機組在鍋爐燃燒系統(tǒng)配置方式上，一般采用在鍋爐燃燒器上方區(qū)域配置燃燼風（OFA，overfire air)，保持還原性氣氛。然而，OFA技術(shù)容易導(dǎo)致飛灰含碳量升高以及燃燒器區(qū)域的結(jié)焦和高溫腐蝕，尤其是燃用高硫煤的鍋爐，其高溫腐蝕更為嚴重。同時，超超臨界機組的水冷壁壁溫比亞臨界機組高得多，更易發(fā)生高溫腐蝕。

前后墻對沖燃燒鍋爐采用旋流燃燒器，其對煙氣的卷吸率高、火焰行程短、爐內(nèi)熱負荷比較均勻，因此認為結(jié)渣和腐蝕相對較容易控制。但國內(nèi)外仍有對沖燃燒鍋爐存在較嚴重的水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象，尤其是超超臨界旋流對沖機組的燃燒器區(qū)域兩側(cè)水冷壁引起高溫腐蝕的可能性更大。本文就超超臨界對沖鍋爐發(fā)生高溫腐蝕的原因進行分析比較，并針對造成高溫腐蝕的原因提出相應(yīng)的調(diào)整措施。

1 高溫腐蝕機理

一般認為，煤粉鍋爐的高溫腐蝕分為硫化物型和硫酸鹽型兩種。

1.1 硫化物型高溫腐蝕

煤粉送入爐膛燃燒，煤中的黃鐵礦（主要成分為FeS2）受熱分解出自由硫原子。空氣不足時，煤中的S或已反應(yīng)生成的SO2、SO3轉(zhuǎn)化成H2S。H2S是導(dǎo)致受熱面高溫腐蝕的主要因素之一。據(jù)相關(guān)文獻[1]介紹，當燃燒器過量空氣系數(shù)α＜1.00時，H2S將急劇增加，可達0.06%～0.16%。超超臨界機組主燃燒器區(qū)過量空氣系數(shù)α一般在0.80左右，當爐內(nèi)燃燒工況不良、配風不合理時，在水冷壁附近更易形成局部還原性氣氛，即CO含量升高，而CO含量和H2S濃度呈正相關(guān)關(guān)系，煙氣中CO含量越多，H2S含量也越高。當管壁溫度達到450℃左右時，H2S可以與金屬鐵及氧化鐵反應(yīng)生成硫化亞鐵，硫化亞鐵又與金屬反應(yīng)生成低熔點的共晶體，發(fā)生腐蝕。

發(fā)生高溫腐蝕最重要的內(nèi)在原因是燃料的含硫量。而外部原因是由于水冷壁管處于高溫煙氣的環(huán)境中，壁面溫度很高，當火焰貼近爐墻時，壁面鄰近的區(qū)域形成還原性氣氛，降低了灰的熔點溫度，加劇結(jié)渣過程，并使管子表面產(chǎn)生高溫腐蝕，嚴重的腐蝕現(xiàn)象通常出現(xiàn)在燃燒器區(qū)域。對于墻式燃燒鍋爐，兩側(cè)墻為煙氣流動的死滯區(qū)，因而嚴重結(jié)渣及高溫腐蝕往往發(fā)生在此處。

1.2 硫酸鹽型高溫腐蝕

灰渣中的堿性氧化物與煙氣中的硫發(fā)生反應(yīng)形成硫酸鹽，硫酸鹽會破壞水冷壁管的保護膜（Fe2O3），與其反應(yīng)生成的復(fù)合硫酸鹽在 500～800℃時呈液態(tài)，對管壁有強烈的腐蝕作用，造成水冷管壁快速變薄。對于超超臨界鍋爐，由于水冷管壁溫度的提升，滿足了硫化物腐蝕和加劇硫酸鹽腐蝕的溫度條件。

2 防止高溫腐蝕的措施

根據(jù)水冷壁高溫腐蝕的產(chǎn)生原因，目前常用的預(yù)防措施可分為非表面防護和表面防護。

2.1 非表面防護措施

（1）防止熱負荷過分集中，避免因爐膛局部溫度過高而發(fā)生結(jié)焦。

（2）降低水冷壁管的表面溫度。因為隨著水冷管壁溫度的升高，腐蝕速度會大大加快。試驗表明，當管壁溫度在420～480℃時，溫度每增高10℃，腐蝕速度增加2倍以上。

（3）合理配風，防止火焰中心偏斜，防止熔融硫酸鹽附著在水冷壁上，減緩水冷壁的腐蝕。盡量降低一次風速，提高二次風速，嚴格控制煤粉細度，保證煤粉順利著火及完全燃燒。

止水帶施工工藝要求非常嚴格，由于渡槽大面積施工，施工質(zhì)量不易控制，止水帶附近混凝土施工時未振搗好，存在滲漏通道導(dǎo)致滲水。本工程采取結(jié)構(gòu)縫外表面灌注聚氨酯的措施進行防滲處理，聚氨酯灌漿間距30cm，為伸縮縫兩側(cè)交錯布置，灌漿采用微型壓力注漿機針孔灌漿，聚氨酯灌漿孔針入深15cm，不能扎破永久止水帶，灌漿針孔一般采用漿液封堵。

（4）防止鍋爐缺氧燃燒，爐膛出口應(yīng)保持合適的過量空氣系數(shù)，既可以防止鍋爐因缺氧燃燒造成結(jié)焦，又可以防止水冷壁管附近出現(xiàn)還原性氣氛，減輕高溫腐蝕程度。從鍋爐結(jié)構(gòu)上講，增加側(cè)邊二次風以改善水冷壁管附近的還原性氣氛，對防止高溫腐蝕有較好的效果，但對于燃燒器區(qū)域水冷壁傾斜布置的鍋爐，該技術(shù)手段的實現(xiàn)較為困難。

（5）在煤種多變情況下，合理控制入爐煤的硫含量是防止鍋爐發(fā)生高溫腐蝕的有效手段。

燃煤含硫量較高時，四角燃燒鍋爐的高溫腐蝕部位在燃燒器及偏上區(qū)域，沿燃燒器射流方向下游的半面墻上，高溫腐蝕區(qū)與掛渣嚴重區(qū)域一致。墻式旋流燃燒鍋爐高溫腐蝕多發(fā)生在未裝燃燒器的兩側(cè)墻，與四角燃燒鍋爐一致。實際表明：燃用煤的含硫量平均值高于1.4%～1.5%時，幾乎都出現(xiàn)高溫腐蝕，一般運行約2～3年后便需更換部分腐蝕明顯的水冷壁管。此外，隨著超臨界鍋爐蒸汽溫度的提高，管壁金屬溫度也隨之增高，除了水冷壁高溫腐蝕會加劇之外，高溫過熱器、再熱器管壁溫度會達到600℃以上，正處于腐蝕區(qū)域。一般認為，角式和墻式燃燒超臨界鍋爐的燃煤含硫量應(yīng)控制在1.5%以下。

2.2 表面防護措施

表面處理是防高溫腐蝕的主要措施。在水冷壁表面覆蓋耐腐蝕的隔離層，即噴涂鉻鎳合金，是目前較為有效的防腐辦法。

3 超超臨界鍋爐高溫腐蝕調(diào)整實例

A廠超超臨界旋流燃燒鍋爐配置36只旋流燃燒器，同時設(shè)有OFA系統(tǒng)。鍋爐投產(chǎn)后，在冷態(tài)檢查中發(fā)現(xiàn)燃燒器區(qū)域的兩側(cè)有水冷壁管壁減薄現(xiàn)象，減薄約1 mm，折算后約0.5 mm/a，按照該發(fā)展速度，將危及鍋爐安全運行。

3.1 原因分析

鍋爐燃燒器頂部的OFA系統(tǒng)使主燃燒器區(qū)域處于還原性氣氛中，為高溫腐蝕的發(fā)生提供了外部條件。

此外，該鍋爐爐膛深度偏短，較同出力的亞臨界鍋爐短約2 m。表1比較了該鍋爐與B廠、C廠亞臨界鍋爐的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，A廠鍋爐爐膛深度相對偏短，增加了火焰刷墻的可能，但其爐膛容積熱負荷卻相對偏小，說明在一定程度上火焰刷墻對高溫腐蝕的危害高于爐膛溫度。

表1 3臺600 MW鍋爐部分結(jié)構(gòu)參數(shù)比較

A廠近年來的燃煤煤種多變，燃煤含硫量年平均約1.0%。在煤種差的情況下，燃煤含硫量高達2.0%，因此硫含量高可能是引起鍋爐高溫腐蝕的主要誘因。

3.2 采取的措施

針對該超超臨界鍋爐發(fā)生的高溫腐蝕，采取的對應(yīng)防范措施主要有：

（1）組合匹配煤種，降低硫分；采取有效的技術(shù)手段，控制入爐煤硫分的總含量。

（2）水冷壁噴涂。

（3）提高燃燒器區(qū)域的氧量，同時根據(jù)鍋爐的特征，有效縮短燃燒器單火焰的行程。

利用燃燒調(diào)整，對二次風加大了“碗”型配風的趨勢，即加大兩側(cè)配風的趨勢，圖1、圖2描述了在該鍋爐空氣預(yù)熱器進口處沿鍋爐寬度方向測得的煙氣O2和CO含量情況。調(diào)整前，尾部煙道中間區(qū)域氧含量較高，CO含量較低；兩側(cè)區(qū)域的氧含量相對較低，而CO含量則相對很高，尤其是煙道最外側(cè)區(qū)域。對于對沖燃燒鍋爐，可以認為煙氣流線整體上并不會發(fā)生顯著的扭轉(zhuǎn)或拐彎、偏斜等，尾部煙道兩側(cè)煙氣中的高CO含量即表征了爐膛兩側(cè)水冷壁區(qū)域的強還原性氣氛，這有可能是造成爐膛兩側(cè)高溫腐蝕的原因之一。經(jīng)過調(diào)整后，尾部煙道氧含量分布已較為均勻，兩側(cè)CO含量顯著降低。調(diào)整后爐膛兩側(cè)水冷壁區(qū)域的還原性氣氛得到了顯著的抑制，破壞了H2S存在的條件。

圖1 空預(yù)器進口氧量分布

圖2 空預(yù)器進口一氧化碳含量分布

采取上述措施后，該鍋爐的高溫腐蝕得到了有效抑制。

4 結(jié)語

超超臨界對沖燃燒鍋爐由于爐膛深度較短或配風不均造成了水冷壁區(qū)域的局部高溫腐蝕。對于配風不均引起的對沖鍋爐兩側(cè)水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象，可以在運行調(diào)整中通過提高爐膛出口氧量、提高主燃燒器區(qū)域送風比例、加大兩側(cè)二次風風量等手段進行控制。

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