高硫煤對燃煤機組的影響分析

宋金琳，張 光

(1.江蘇省電機工程學(xué)會,江蘇 南京 210024；2.江蘇南熱發(fā)電有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210035)

隨著電廠煤炭市場的放開，鍋爐設(shè)計煤種很難保證，大量的高硫煤進入爐內(nèi)燃燒，造成爐內(nèi)高溫燃燒區(qū)域的水冷壁大面積腐蝕和空預(yù)器冷端的低溫腐蝕、積灰、堵塞，嚴重影響火電機組的安全運行。文中以江蘇南熱發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱南熱）2×600 MW 燃煤機組為例，分析水冷壁高溫腐蝕的機理，并就燃用高硫煤帶來水冷壁高溫腐蝕、空預(yù)器積灰堵塞、脫硫系統(tǒng)的危害和采取的對策進行了介紹。

1 水冷壁高溫腐蝕

南熱2× 600 MW 超臨界機組鍋爐型號為HG-1965/25.4-YM5，為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π 型布置。鍋爐島為露天布置。鍋爐同步安裝選擇性催化還原法（SCR）脫硝裝置。脫硫系統(tǒng)采用石灰石－石膏濕法脫硫工藝。鍋爐設(shè)計煤種為神府煤，校核煤種為淮南煤。

南熱1 號、2 號機組分別于2010年1 月和8 月通過168 h 試運行。由于煤炭市場變化，燃用煤種偏離設(shè)計煤種較多，尤其在2012年大量高硫煤的燃用導(dǎo)致鍋爐水冷壁高溫腐蝕嚴重。2012年3 月1 號機組102B 和2 月2 號機組臨檢期間發(fā)現(xiàn)2 臺鍋爐水冷壁燃燒器區(qū)域及兩側(cè)墻均發(fā)生大面積高溫腐蝕，面積均高達1600 m2，腐蝕減薄嚴重處高達1.2 mm。

1 號鍋爐高溫腐蝕主要集中在前墻A 層（中層）燃燒器、后墻D 層（中層）燃燒器下方及周圍區(qū)域以及兩側(cè)墻區(qū)域，對上述區(qū)域分別在燃燒器噴口下方500 mm 處和相鄰燃燒器區(qū)域抽取2 點進行測厚，結(jié)果見表1。該處水冷壁管設(shè)計為D38×7.3 mm，由表1可以看出高溫腐蝕減薄量最大1.2 mm，最小0.5 mm，平均約0.9 mm。

2 號鍋爐高溫腐蝕同樣主要集中在前、后墻燃燒器區(qū)域及兩側(cè)墻熱負荷較高區(qū)域，對上述區(qū)域進行了抽樣測厚，高溫腐蝕減薄量最大1.1 mm，最小0.1 mm，平均約0.6 mm。

表1 1 號鍋爐燃燒器區(qū)域水冷壁測厚 mm

通過上述檢查、測厚發(fā)現(xiàn)，2 臺鍋爐才運行2年左右，水冷壁區(qū)域的高溫腐蝕已經(jīng)相當(dāng)嚴重，為此在機組檢修期間，對1 號、2 號鍋爐的水冷壁進行了大面積的防腐噴涂，以期適當(dāng)減緩高溫腐蝕的發(fā)生。2012年3 月1 號機組102B 級檢修對水冷壁腐蝕嚴重區(qū)域進行了防腐噴涂。（1）前后墻：上自中間層燃燒器（A、D 層燃燒器）上部1.5 m 處（標(biāo)高27.7 m），下至水冷壁拐角下1 m 處（標(biāo)高17.2 m）以上區(qū)域，噴涂面積約為500 m2；（2）兩側(cè)墻：上自燃燼風(fēng)燃燒器噴口中心下1.5 m 處（標(biāo)高34.7 m），下至水冷壁拐角下1 m 處（標(biāo)高17.2 m）以上區(qū)域，噴涂面積約為550 m2。2013年2 月1 號機組103C 級檢修期間對上述噴涂區(qū)域進行了檢查，總體效果較好，未發(fā)現(xiàn)噴涂層大面積脫落及高溫腐蝕情況，局部由于噴砂除銹不徹底，小范圍出現(xiàn)噴涂層脫落，在此次103C 級檢修中進行了二次處理。

1.1 高溫腐蝕的機理

鍋爐水冷壁的高溫腐蝕是一個及其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，研究表明：水冷壁的高溫腐蝕大多屬于硫化物型腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物主要是鐵的硫化物和氧化物。引起硫化物型高溫腐蝕的主要原因是煤粉在缺氧條件下燃燒產(chǎn)生了H2S 以及游離態(tài)硫，其與管壁基體金屬鐵以及鐵的氧化物發(fā)生反應(yīng)生成鐵的硫化物。

1.1.1 硫化氫氣體腐蝕

研究表明：當(dāng)爐膛內(nèi)過量空氣系數(shù)α＜1.00 以及當(dāng)水冷壁附近因煤粉濃度過高，空氣量不夠而出現(xiàn)還原性氣氛時，原煤中的硫以H2S的形式釋放出來的比例在75%以上[1]，通常當(dāng)CO/（CO+CO2）由8%上升到24%時，H2S 則由0.02%上升到0.07%，從而引起水冷壁的強烈腐蝕。在H2S 濃度不變時，若管壁溫度低于300℃，則水冷壁不腐蝕或腐蝕很慢；若壁溫在300～500℃范圍內(nèi)，則腐蝕速度與壁溫呈指數(shù)關(guān)系，即壁溫每升高50℃，腐蝕速度增加一倍[2]。H2S 氣體具有滲透作用，它可穿過疏松的Fe2O3層和致密的磁性氧化鐵層（Fe2O3·FeO）與其中復(fù)合的FeO 以及管壁Fe 發(fā)生反應(yīng)，腐蝕速率與煙氣中H2S的濃度幾乎成正比，其反應(yīng)如下：

1.1.2 單質(zhì)硫腐蝕

煤粉在燃燒過程中會產(chǎn)生一定量的單質(zhì)硫，其在350～400℃時很容易與碳鋼直接反應(yīng)生成硫化亞鐵形成高溫硫腐蝕，并且從450℃開始，其對爐管的破壞作用相當(dāng)嚴重。單質(zhì)硫的生成途徑主要有以下幾種：

（1）煤中的黃鐵礦FeS2受熱分解：

（2）H2S 和SO2反應(yīng)分解出單質(zhì)硫：

（3）H2S 與O2反應(yīng)：

（4）FeS2與碳的混合物在有限的空氣中燃燒[3]：

（5）在高溫下H2S 分解也可以產(chǎn)生單質(zhì)硫[4]：

生成的單質(zhì)硫可以直接穿透管壁金屬表面保護膜，并沿金屬晶界滲透，進一步腐蝕鍋爐水冷壁并同時使氧化膜疏松，剝裂甚至脫落。

金屬硫化腐蝕產(chǎn)物層相對基體金屬的體積比很大，一般在2.5～4.0 之間，因此，層內(nèi)會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，腐蝕層易破裂。其熔點溫度較高為1195℃，性質(zhì)非常穩(wěn)定，即使在1000℃高溫下，其與氫氣還原反應(yīng)也非常低，在還原氣體中能保持穩(wěn)定。當(dāng)溫度超過其熔點溫度，煙氣中的氧化性氣體達到一定分壓時，則緩慢氧化轉(zhuǎn)變成Fe3O4：

生成的SO2又可以提高單質(zhì)硫的活性并加速硫酸鹽型腐蝕，使腐蝕不斷惡化。在2775℃以后其會發(fā)生分解，生成硫和自由鐵。

通過上述高溫腐蝕的機理分析，可以看出原煤中的含硫量越高，發(fā)生高溫腐蝕的幾率和速率就越快，國外的研究表明：燃用含硫量低于0.8%的煤種時，高溫腐蝕的速率較低。

2 空預(yù)器低溫腐蝕和積灰堵塞

2.1 空預(yù)器低溫腐蝕

鍋爐燃料中或多或少都含有硫。當(dāng)燃用含硫量較高的燃料時，燃料中的硫份燃燒后除了部分硫酸鹽留在灰中外，大部分變成SO2，其中約有0.5%～5%的SO2在煙氣中過剩氧量及積灰中Fe2O3的催化作用下生成SO3，SO3與煙氣中的水蒸汽形成硫酸蒸氣。硫酸蒸氣的含量越高，酸露點越高，可以達到110～160℃，甚至更高。這就導(dǎo)致硫酸蒸氣凝結(jié)在低于煙氣露點的低溫受熱面上，引起腐蝕，稱之為低溫腐蝕。鍋爐低溫腐蝕最嚴重的部位是空氣預(yù)熱器的冷端。

煙氣的酸露點與燃料含硫量和單位時間送入爐內(nèi)的總硫量有關(guān)，而后者是隨燃料發(fā)熱量降低而增加的。顯然，燃料中的含硫量較高，發(fā)熱量較低，燃燒生成的SO2就越多，進而SO3也將增加，致使煙氣酸露點升高。酸露點越高，腐蝕范圍越廣，腐蝕也越嚴重。

對空預(yù)器冷端加裝防護措施，并盡量降低燃煤硫含量，是減少低溫腐蝕的有效途徑，南熱在機組建設(shè)期間同步安裝了SCR 脫硝裝置，空預(yù)器冷端傳熱元件采用搪瓷鋼板，有效避免了冷端低溫腐蝕的發(fā)生。

2.2 空預(yù)器積灰堵塞

煙氣中的SO3與煙氣中的水蒸汽形成硫酸蒸氣；而南熱2×600 MW 機組為了滿足環(huán)保要求，同步安裝的SCR 脫硝裝置，有時噴氨量較大，因而造成氨逃逸率增加。這樣，氨氣與硫酸蒸氣反應(yīng)，生成硫酸氫氨，硫酸氫氨在180～200℃的環(huán)境中呈鼻涕狀的黏性物，因此在空預(yù)器高溫段和低溫段處，煙氣中的灰塵容易和硫酸氫氨一塊極易粘附于空預(yù)器換熱面上，造成積灰、堵塞，使得空預(yù)器壓差變大，排煙溫度升高，鍋爐效率降低，送、引風(fēng)機電流增加，引風(fēng)機失速，影響機組帶負荷等一系列問題。

1 號鍋爐2012年3～5 月進行了102B 修，期間空預(yù)器進行了沖洗，沖洗后空預(yù)器壓差降低，2012年5月1 號A 空預(yù)器煙氣側(cè)進、出口壓差平均約0.88 kPa，最高時約1.1 kPa；1 號B 空預(yù)器煙氣側(cè)進、出口壓差平均約0.87 kPa，最高時約1.2 kPa。因大量高硫煤的燃用，尤其11 月份，入廠煤平均含硫量高達1.02%，導(dǎo)致空預(yù)器進出口壓差急劇增加。2012年11 月份1 號A空預(yù)器進、出口壓差平均約2.3 kPa，最高時約3.12 kPa；1 號B 空預(yù)器進、出口壓差平均約2.29 kPa，最高時約3.07 kPa。和5 月份相比，空預(yù)器進出口壓差大幅增加，如圖1 所示。

圖1 空預(yù)器進出口壓差

目前多數(shù)燃煤電廠采用吹灰和控制噴氨解決空預(yù)器的積灰及堵塞。南熱曾多次發(fā)生空預(yù)器冷端堵塞，這時，將冷端蒸汽吹灰壓力提高至2.0 MPa，連續(xù)吹灰，可使空預(yù)器壓差降低。SCR 脫硝機組的空預(yù)器吹灰器一般采用蒸汽和高壓水雙介質(zhì)吹灰器，當(dāng)空預(yù)器堵塞嚴重時，可以在線實施高壓水沖洗，亦可以降低空預(yù)器壓差。同時在機組檢修期間，采用高壓水對冷、熱端傳熱元件進行徹底的清洗；還可通過低氮燃燒器改造和燃燒調(diào)整來降低SCR 入口NOx含量，減少噴氨量，控制氨逃逸，減少硫酸氫氨的生成，防止空預(yù)器堵塞。

3 高硫煤對脫硫系統(tǒng)的影響

南熱脫硫設(shè)計收到基硫分為1%，對應(yīng)系統(tǒng)進口SO2濃度2 432.5 mg/m3。實際運行中，因入廠煤硫分搭配問題，例如：2012年11 月份入廠煤平均硫分為1.02%，月平均硫分看似僅超設(shè)計值一點點，但是因為來煤硫分波動較大，一段時間只來高硫煤，一段時間又全是低硫煤，再加上南熱單圓型煤場造成的配煤困難，脫硫系統(tǒng)入口SO2濃度一段時間內(nèi)遠超設(shè)計值，入口3800 mg/m3，4000 mg/m3的SO2濃度成為常態(tài)，這么高的SO2濃度對脫硫系統(tǒng)運行的影響十分嚴重，主要有以下幾方面。

3.1 排放超標(biāo)

脫硫系統(tǒng)目前執(zhí)行200 mg/m3的排放標(biāo)準，因高硫煤問題造成脫硫系統(tǒng)出口排放超標(biāo)，為了避免環(huán)保處罰并獲得脫硫電價，只能以降負荷應(yīng)對。經(jīng)統(tǒng)計，2012年11 月2 日～12 月10 日，為保證SO2排放數(shù)據(jù)共降負荷31 次，時間長達16.67 h，嚴重影響公司月度電量計劃的完成。

3.2 脫硫系統(tǒng)物料平衡發(fā)生問題

高硫分導(dǎo)致石灰石粉的用量增加，原有的有序供粉被打破，粉倉粉位最低時僅有0.5 m，協(xié)調(diào)供粉人員頻繁忙于救急，嚴重影響脫硫系統(tǒng)運行安全。

高硫分導(dǎo)致供漿量大增，為保證排放，供漿泵出口調(diào)門開度至最大，多次造成供漿泵超負荷跳閘。

高硫分導(dǎo)致石膏產(chǎn)量大幅增加，因供漿量增大，漿液氧化不足現(xiàn)象相當(dāng)明顯，脫水系統(tǒng)24 h 運行，有時還不能滿足運行要求，不得不外排部分漿液。

3.3 運行控制困難

漿液密度控制發(fā)生問題，正常情況下漿液密度1150 kg/m3時開始脫水，但為了滿足排放要求，加大供漿量，漿液密度邊脫水邊升高，1180 kg/m3，1200 kg/m3成為常態(tài)，造成攪拌器超負荷運行，電機過熱跳閘。

為應(yīng)對“石膏雨”問題，治理結(jié)束后，規(guī)定了不同負荷、不同SO2濃度下運行參數(shù)的控制規(guī)定，高硫分導(dǎo)致這些規(guī)定得不到執(zhí)行，除霧器壓差上升，“石膏雨”現(xiàn)象抬頭，影響公司正常的生產(chǎn)秩序。

3.4 對設(shè)備的影響不斷顯現(xiàn)

高硫分造成的氧化、密度控制等問題，對脫硫設(shè)備造成的影響十分嚴重，供漿泵、攪拌器電機過熱，除霧器壓差上升，系統(tǒng)設(shè)備、管道、閥門磨損加劇，設(shè)備缺陷大幅度上升，急劇減少這些設(shè)備的使用壽命。

4 燃用高硫煤帶來的主要經(jīng)濟損失

4.1 空預(yù)器壓差增加造成電量損失

空預(yù)器壓差增大導(dǎo)致送、引風(fēng)機電流大幅增加，1號機組2012年5 月份送風(fēng)機平均電流66 A，11 月份送風(fēng)機平均電流75 A，空預(yù)器堵塞導(dǎo)致送風(fēng)機平均電流增加9 A。2012年5 月份引風(fēng)機平均電流227 A，11月份引風(fēng)機平均電流285 A，空預(yù)器堵塞導(dǎo)致引風(fēng)機平均電流增加58 A。單臺引風(fēng)機增加電耗500 kW·h/h，單臺送風(fēng)機增加電耗76.7 kW·h/h，則1 號機組增加電耗1 153.4 kW·h/h，按0.456 元/（kW·h）計，平均每天用電增加電量費用1.26 萬元，按年利用小時7500 h 計，每年用電增加電量費用約為395 萬元。

4.2 水冷壁高溫腐蝕增加防腐噴涂費用

1 號鍋爐102B、103C 修水冷壁噴涂面積約1600 m2，2 號鍋爐臨檢水冷壁噴涂面積1600 m2，共計噴涂費用約200 萬元。因水冷壁仍存在高溫腐蝕，后續(xù)仍將進行防腐噴涂，費用還將增加。

5 結(jié)束語

燃用高硫煤（含硫量≥1%）時，對于燃煤鍋爐，尤其是帶有SCR 脫硝裝置的燃煤鍋爐的影響非常大。主要體現(xiàn)在水冷壁的高溫腐蝕、空預(yù)器堵塞以及排放超標(biāo)等方面。燃煤發(fā)電企業(yè)為了滿足日益嚴格的環(huán)保要求，不得不投用脫硝和脫硫裝置。為了保證NOx達標(biāo)排放，要求脫硝入口的NOx含量盡可能的低，這就導(dǎo)致在燃燒器區(qū)域要求低氧燃燒，形成還原性氛圍，如燃用高硫煤將加劇該處區(qū)域水冷壁管的高溫腐蝕。減緩水冷壁高溫腐蝕的主要措施主要是通過低氮燃燒器改造和燃燒調(diào)整，有效降低爐膛出口NOx含量，同時控制燃燒區(qū)域還原性氛圍。而對于投用SCR 脫硝裝置所造成的氨氣逃逸由此形成硫酸氫氨，附著在空預(yù)器傳熱元件上，造成空預(yù)器積灰、堵塞，導(dǎo)致空預(yù)器壓差增大的危害，目前主要采用低氮燃燒器改造和燃燒調(diào)整來降低SCR 入口NOx含量，減少噴氨量，控制氨逃逸。當(dāng)空預(yù)器發(fā)生冷端堵塞時，將冷端蒸汽吹灰壓力提高至2.0 MPa，連續(xù)吹灰，可使空預(yù)器壓差降低。SCR 脫硝機組的空預(yù)器吹灰器一般采用蒸汽和高壓水雙介質(zhì)吹灰器，當(dāng)空預(yù)器堵塞嚴重時，可以在線實施高壓水沖洗，亦可以降低空預(yù)器壓差。

雖然通過水冷壁的防腐噴涂，可以減緩高溫腐蝕的發(fā)生；加強空預(yù)器吹灰、控制氨氣逃逸率，可以減緩空預(yù)器的堵塞，但都不能從根源上消除隱患。只有控制入爐煤的含硫量，方可消除高硫煤帶來的不利因素，確保機組安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定、可靠運行。

[1]劉 青，呂俊復(fù)，張建勝，等.還原態(tài)下流化床煤熱解硫的釋放[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，32(4)：367-370.

[2]岑可法.鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕的防止原理與計算[M].北京：科學(xué)出版社，1995：25.

[3]趙 虹，魏 勇.燃煤鍋爐水冷壁煙側(cè)高溫腐蝕的機理及影響因素[J].動力工程，2002，22(2)：1700-1704.

[4]楊 波，田松柏.不同形態(tài)硫化合物腐蝕行為的研究[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2004，16(6)：385-388.