工業鍋爐水冷壁高溫腐蝕現象分析

胡紅安

（山西誠正建設監理咨詢有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

工業鍋爐在工廠動力、采暖及人民生活生產中得到了廣泛應用，根據相關數據，我國鍋爐的總數已經超過了65萬臺，其中工業鍋爐的占比在50%以上，工業鍋爐儼然已經成為促進國民經濟及人民生活生產水平提高的必不可少的設備[1-2]。山西某電廠采用單爐膛的汽包爐，采用π型布置，通風方式采用平衡通風，燃燒方式是四角切圓，采用無煙煤及煙煤各占50%的混合煤，在設備檢修過程中，發現燃燒器的水冷壁存在高溫腐蝕現象，具體腐蝕部位如圖1所示。檢修過程中對腐蝕部位進行了測量，水冷壁的原始設計厚度為8 mm，現厚度為6.7～7.0 mm，已經被腐蝕的厚度為1～1.3 mm，按照這樣的腐蝕速度發展下去，幾年時間之內，該鍋爐就會出現水冷壁泄露或者爆破事故，因此，需要分析水冷壁腐蝕原因，并制定相應的改進措施。

圖1 鍋爐水冷壁高溫腐蝕部位示意圖

1 工業鍋爐水冷壁高溫腐蝕類型分析

工業鍋爐水冷壁出現高溫腐蝕的現象是一個復雜的物化過程，從腐蝕發生的機理分析，可以分為硫酸鹽型腐蝕、氯化物型腐蝕及硫化物型腐蝕三種類型。

1.1 硫酸鹽型腐蝕

出現硫酸鹽型腐蝕的主要原因是鍋爐燃燒的原煤中堿性物質通過化學反應生成硫酸鹽以及焦硫酸鹽等化合物對水冷壁等部位進行腐蝕，腐蝕過程中通常會有結渣或者結焦等現象發生。

1.2 氯化物型腐蝕

近些年來，眾多學者開展了相關研究，并取得了豐碩的研究成果。研究結果表明，當燃料中氯化物的含量較高時，鍋爐內會產生一定量的氯化氫，并對鍋爐產生腐蝕作用[3-5]。該工業鍋爐使用的原煤化驗結果表明，氯化物的含量不到2/10 000，原煤燃燒生產的氯化物遠遠小于產生腐蝕的氯化物含量，因此，水冷壁高溫腐蝕不是因為原煤中含有氯造成的。

1.3 硫化物型腐蝕

在爐膛內燃燒區范圍內，當未燃盡的火焰沖刷到水冷壁時，由于化學作用，未燃燒的燃料會消耗大量的氧氣，從而使得水冷壁的外表面出現硫化的腐蝕。工業鍋爐水冷壁高溫腐蝕后的蝕樣的成分分析結果如表1所示。

表1 蝕樣成分分析結果 %

從表1可知，腐蝕的蝕樣中主要成分為氧化鐵及硫化物，其他物質含量相對較低，因此可以斷定該水冷壁高溫腐蝕類型為硫化物型腐蝕。

2 工業鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因分析

2.1 原煤硫化物分析

根據相關統計資料可知，煤炭中硫化物賦存以無機硫為主，占到總硫含量的60%～70%，剩下的30%～40%為有機硫。無機硫中絕大多數以黃鐵礦的形式賦存，硫酸鹽只占到無機硫含量的一小部分，原煤中硫形態測定結果見表2。因黃鐵礦對鍋爐結渣及腐蝕產生較為嚴重的影響，因此在實踐過程中受到人們重視，卻往往忽視了硫酸鹽對水冷壁的腐蝕作用。因此，在具體實踐過程中有必要對燃燒的原煤中硫的形態進行測定。

2.2 煤質分析

表2 原煤中硫形態測定結果 %

該電廠采用的煤是50%的無煙煤及50%的煙煤，根據相關研究機構的煤質化驗數據可知，該化工廠采用的原煤揮發分中，結晶水、CO2等不燃或者阻燃成分含量較高，CH4、H2等可燃物含量較低，揮發分的釋放溫度要求較高，釋放較為緩慢，煤炭燃燒的時間長，燃燒產生的灰分含量高，容易造成水冷壁上出現還原性成分。

2.3 鍋爐內切圓大小分析

鍋爐在設計前期就考慮到使用混合動力煤，來達到增強燃燒的目的，故而鍋爐的切圓設計較大，較大的切圓會引起煤炭燃燒后形成的煤粉氣等物質出現高溫腐蝕現象。相關實驗研究結果也表明了，當鍋爐的切圓直徑在8～8.3 m范圍內時，離開噴口后的一次風流在上下二次摻風混合作用及上浮氣流共同作用下的偏轉明顯較其他切圓大。

2.4 風流及雙通道燃燒器分析

鍋爐設計時就考慮使用煙煤及無煙煤混合的動力煤，因此使用了較高二次風速，較低一次風速，大小分別為43.5 m/s、22.5 m/s，一、二次風速的較大差異造成了射流剛性的明顯不同。由于受到鄰角的上游氣流及兩側補氣條件差異的影響，當一、二次氣流從燃燒器噴出后，氣流會出現向背對火焰的水冷壁方向偏移，這時射流速度較小的一次風流較二次風流發生更為明顯的偏移，使得一次、二次風流之間的分離現象明顯。通過采用長飄帶等相關試驗分析可知，一次風流的下游部分明顯貼著鍋爐墻壁運動，因此這一部分風流偏離了二次風流方向，煤粉等可燃物在氧氣供應不足的條件下燃燒，產生一定量的還原性氣體成分。同時由于采用了雙通道燃燒器設計，一、二次風流分離偏移現象加劇，一定程度上來說，當鍋爐內的回流較強烈時，煙氣的回流效果越好，燃料的燃燒效果越明顯，但回流較強時也會導致一次風流的衰減加劇。雙通道設計使得燃燒器的出口面積較傳統單通道的出口面積大許多，但同樣使得一次風流的出口速度大幅降低。綜上分析，雙通道設計及一、二次風流速度差異，使得一次風流的剛度降低明顯，風流偏移現象嚴重，容易出現水冷壁的高溫腐蝕。

2.5 原煤的粗細度分析

鍋爐的原煤制粉系統是依據燃燒的原煤煤種及煤制而設計的，當采用質量較差的煤質時，制粉系統的負荷增加，分離效果降低，導致煤粉顆粒度增加，煤粉的粗細度對鍋爐的高溫腐蝕有明顯影響，當煤粉的顆粒加大時，容易出現鍋爐內燃燒的火炬長，降低煤粉的燃燒效果，未完全燃燒的粗顆粒煤粉在鍋爐水冷壁附近黏結，使得高溫腐蝕現象加劇。

3 改進措施

3.1 采用一次反風切技術

主要工作原理是通過偏移一次風流噴射口的噴射角度，形成一個與原噴流運動、旋轉方向相反的、運行直徑較小的切圓，由于反風切后的初始運動方向與爐膛內氣流的主氣流運轉方向相反，噴射出的煤粉受到主氣流及上游高溫氣流的阻礙時，煤粉噴射的速度降低很快，增強了煤粉在高溫區域的停滯時間，提升了煤粉的燃燒效果。通過采用一次反風切可以有效地預防高溫腐蝕現象，同時可以提升鍋爐爐膛內的燃穩能力，降低鍋爐結焦情況，如圖2所示。

3.2 采用側邊風技術

圖2 一次反風切示意圖

側邊風技術主要是通過在高溫腐蝕區水冷壁上或者高溫腐蝕區域的上游安裝噴射口，并向鍋爐的爐膛內噴射空氣。采用側邊風技術主要是可以控制高溫腐蝕區域內的還原性氣體，增強局部范圍內的含氧量。

3.3 改進運行控制

采取增大過剩空氣系數，多臺原煤磨粉機不在同一時間投運，降低煤粉顆粒度，增加空預器堵漏設備及防止堵灰系統高溫等運行控制措施，來杜絕高溫腐蝕現象出現。

4 結論

引起鍋爐水冷壁出現高溫腐蝕的主要類型是硫化物型腐蝕，造成高溫腐蝕出現的具體原因是爐膛內燃料燃燒不充分出現還原性氣氛，通過采用一次反風切技術與側邊風技術、改進運行控制等措施可以有效地預防高溫腐蝕現象的發生。