超超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因分析與防治

蔡 勇，張興龍，孫金龍

（華電國際十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277100）

0 引言

火電廠鍋爐水冷壁高溫腐蝕普遍存在，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。高溫腐蝕是金屬管壁在高溫?zé)煔猸h(huán)境下發(fā)生的腐蝕，會造成水冷壁管壁變薄，強(qiáng)度下降，容易發(fā)生爆管、泄漏等事故，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生非停，嚴(yán)重影響機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對整個(gè)電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性造成影響［1-3］。

為降低氮氧化物的排放，許多火電廠不僅增加脫硝系統(tǒng)，還在鍋爐燃燒系統(tǒng)配置方面采取措施，一般在鍋爐燃燒器上方增加燃盡風(fēng)，維持還原性氣氛。但是，增加燃盡風(fēng)后容易導(dǎo)致燃燒器結(jié)焦，引起水冷壁高溫腐蝕。國內(nèi)鍋爐水冷壁腐蝕中對沖燃燒方式的鍋爐水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重，尤其超超臨界、超臨界機(jī)組對沖燃燒方式的鍋爐燃燒器區(qū)域兩側(cè)水冷壁引發(fā)高溫腐蝕的可能性較大［4-5］。

為研究鍋爐水冷壁高溫腐蝕的主要影響因素，探索有效的治理方法，以山東某電廠超超臨界鍋爐為例，利用檢修檢查燃燒器和水冷壁腐蝕情況，參考鍋爐運(yùn)行操作情況，通過分析水冷壁腐蝕的主要影響因素，制定相關(guān)治理方案。

1 水冷壁高溫腐蝕原理

在超超臨界鍋爐水冷壁外表面，若煙氣中含有游離態(tài)硫或者煙氣呈還原性氣氛時(shí)，容易引發(fā)硫化物型高溫腐蝕，其主要化學(xué)反應(yīng)式為［5-8］：

硫化物型腐蝕會使水冷壁管壁的厚度不斷減薄，使管壁的有效承載能力不斷下降。生成的硫化氫氣體可以沿金屬晶界穿過致密氧化層，進(jìn)而腐蝕水冷壁管，其主要化學(xué)反應(yīng)式為［5-8］：

此外，未燃盡的煤灰顆粒會沖擊水冷壁，對水冷壁沖蝕磨損，造成水冷壁管壁厚度不斷變薄。當(dāng)高溫?zé)煔鈹y帶的灰分顆粒對水冷壁的沖擊速度大于8 m/s 時(shí)，且煙氣中包含著硫化氫等腐蝕氣體，會造成水冷壁高溫腐蝕和管壁磨損同時(shí)發(fā)生，對水冷壁的危害更加嚴(yán)重［5-8］。

2 鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電廠8號和9號機(jī)組裝機(jī)容量均為660 MW，該機(jī)組鍋爐為超超臨界直流爐，采用前后墻對沖燃燒方式，磨煤機(jī)采用中速輥式磨煤機(jī)，煤粉燃燒器為外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器，36 只旋流煤粉燃燒器分3 層前、后墻對沖布置，每層6 只，F(xiàn) 層燃燒器為純氧助燃微油點(diǎn)火油槍，其余層燃燒器均配有一個(gè)點(diǎn)火油槍及高能點(diǎn)火器。爐膛采用全焊膜式水冷壁，從水冷壁進(jìn)口到折焰角爐膛下部水冷壁采用螺旋盤繞膜式管圈，螺旋水冷壁管采用內(nèi)螺紋管，管材為15CrMoG，中部螺旋水冷壁管的傾角為19.471°。

為有效防止水冷壁出現(xiàn)高溫腐蝕問題，鍋爐在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了單個(gè)燃燒器具有良好的動(dòng)力場，煤粉氣流在燃燒器中心，二次、三次風(fēng)包裏煤粉進(jìn)行燃燒，形成“風(fēng)包粉”的結(jié)構(gòu)形式，防止發(fā)生火焰偏斜和沖刷水冷壁，同時(shí)在兩側(cè)墻水冷壁設(shè)計(jì)了如圖1 所示的貼壁風(fēng)，在爐膛上部側(cè)墻形成保護(hù)性氣氛，防止燃燒器區(qū)域火焰因上升擴(kuò)散的過程沖刷側(cè)墻水冷壁而發(fā)生高溫腐蝕。

圖1 原設(shè)計(jì)貼壁風(fēng)

3 水冷壁高溫腐蝕狀況

8號機(jī)組在2018年2月檢查性大修期間，中間層燃燒器至上層燃盡風(fēng)區(qū)域兩側(cè)墻水冷壁存在輕微高溫腐蝕，水冷壁管測厚減薄0.50～1.00 mm。2020年4月小修檢查發(fā)現(xiàn)在基本相同位置發(fā)生高溫腐蝕，且腐蝕面積有擴(kuò)展，水冷壁管測厚平均減薄2.00～2.50 mm。

9號機(jī)組在2018年9月檢查性大修期間，下層燃燒器至上層燃盡風(fēng)上部標(biāo)高兩側(cè)墻及部分短吹區(qū)域水冷壁局部有高溫腐蝕現(xiàn)象，水冷壁管測厚平均減薄1.00 mm。

2020 年4 月，對8 號爐高溫腐蝕情況統(tǒng)計(jì)，其東側(cè)墻采用上下層間隔約1.5 m、左右間隔約1 m、測量起點(diǎn)距前后墻約1 m 的位置進(jìn)行測量，測量后的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄如圖2 所示，單位為mm，紅色區(qū)域表示腐蝕比較嚴(yán)重，管壁最薄位置接近4.8 mm，棕色區(qū)域腐蝕相對較小；其西側(cè)墻采用上下層間隔約1.5 m、左右間隔約1 m、測量起點(diǎn)距前后墻約2 m 的位置進(jìn)行測量，測量后的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄如圖3 所示，單位為mm，紅色區(qū)域表示腐蝕比較嚴(yán)重，管壁最薄位置接近5.1 mm，棕色區(qū)域腐蝕相對較小，整體上東側(cè)墻相對比西側(cè)墻高溫腐蝕嚴(yán)重些。2020年9月，對9號爐高溫腐蝕情況統(tǒng)計(jì)，其東側(cè)墻采用上下層間隔約1.5 m、左右間隔約1 m、測量起點(diǎn)距前后墻約1 m 的位置進(jìn)行測量，測量后的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄如圖4 所示，單位為mm，紅色區(qū)域表示腐蝕比較嚴(yán)重，管壁最薄位置接近4.4 mm，黃色區(qū)域腐蝕相對較小；其西側(cè)墻采用上下層間隔約1.5 m、左右間隔約1 m、測量起點(diǎn)距前后墻約1 m 的位置進(jìn)行測量，測量后的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄如圖5 所示，單位為mm，紅色區(qū)域表示腐蝕比較嚴(yán)重，管壁最薄位置接近4.6 mm，黃色區(qū)域腐蝕相對較小，整體上東側(cè)墻相對比西側(cè)墻高溫腐蝕嚴(yán)重些，綜合9 號爐兩個(gè)側(cè)墻高溫腐蝕情況，9 號爐爐膛中層燃燒器至上層燃盡風(fēng)區(qū)域兩側(cè)墻水冷壁存在高溫腐蝕問題，與2020年4月8號爐高溫腐蝕面積相比，9號爐的高溫腐蝕面積相對較小且位置稍偏下，但是東側(cè)墻下層燃盡風(fēng)封口附近比8號爐腐蝕略嚴(yán)重。

圖2 8號爐東側(cè)墻高溫腐蝕情況統(tǒng)計(jì)

圖3 8號爐西側(cè)墻高溫腐蝕情況統(tǒng)計(jì)

圖4 9號爐東側(cè)墻高溫腐蝕情況統(tǒng)計(jì)

圖5 9號爐西側(cè)墻高溫腐蝕情況統(tǒng)計(jì)

2020 年4 月，對8 號爐C、D 燃燒器進(jìn)行檢查，其燒損情況如圖6 所示，2020 年9 月，對9 號爐C、D 燃燒器進(jìn)行檢查，其燒損情況如圖7 所示，9 號爐C、D層燃燒器（1、2、5、6號）均出現(xiàn)燒損，比8號爐燒損情況要輕，而C、D層燃燒器（3、4號）燃燒器噴口前端比8 號爐燒損略輕。在F 層微油點(diǎn)火燃燒器檢查中發(fā)現(xiàn)，8號爐僅有F6有燒損問題，9號爐F層6只全部燒損，其中F1、F2、F3、F6燒損較重。

圖6 8號爐C、D燃燒器燒損

圖7 9號爐C、D燃燒器燒損

4 水冷壁高溫腐蝕原因分析

4.1 入爐煤硫分含量的影響

超超臨界鍋爐采用上層磨煤機(jī)摻燒經(jīng)濟(jì)煤的方式，容易造成入爐煤硫分含量較高，通過對2018—2020 年入爐煤質(zhì)變化分析，入爐煤含硫量是逐年上升的，特別是自2019年3月以后，由于摻燒經(jīng)濟(jì)適用煤，含硫量基本保持在1.5%以上，個(gè)別月份達(dá)到1.78%（設(shè)計(jì)煤含硫量1.08%，校核煤含硫量1.13%），造成爐內(nèi)頻繁結(jié)焦，爐底頻繁落大焦和黏狀焦，加重高溫腐蝕程度。

2019 年1 月至6 月，8 號爐和9 號爐原煙氣折算后的SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)如圖8 所示，9 號爐原煙氣折算后的SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體比8 號爐偏低，即9 號爐比8 號爐的入爐煤的硫分偏低，整體高溫腐蝕情況較8號爐輕些。

圖8 原煙氣折算后的SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

4.2 低氮煤粉燃燒器的影響

超超臨界鍋爐采用東方鍋爐第二代OPCC 旋流低氮煤粉燃燒器，由于低氮燃燒基本原理為缺氧燃燒，主燃區(qū)缺氧燃燒會產(chǎn)生很強(qiáng)的還原性氣氛［8-9］。在爐內(nèi)高溫條件下，高含量的還原性氣體會破壞保護(hù)膜，把致密的氧化鐵保護(hù)膜還原，形成疏松多孔的氧化亞鐵，同時(shí)使得硫與硫化氫等腐蝕性氣體滲透進(jìn)入氧化膜，并對之產(chǎn)生腐蝕作用，加快其腐蝕速度。

4.3 腐蝕溫度的影響

水冷壁管壁溫度低于300 ℃時(shí)，即使有很強(qiáng)的還原性氣氛，也不會發(fā)生高溫腐蝕。腐蝕溫度區(qū)間在400～500 ℃，在此溫度范圍內(nèi)，溫度每提高10 ℃，腐蝕速率增加20%。鍋爐螺旋和垂直水冷壁最高溫度正常約400～430 ℃和450 ℃。

4.4 貼壁風(fēng)和燃盡風(fēng)的影響

2019 年內(nèi)8 號和9 號爐貼壁風(fēng)擋板開度統(tǒng)計(jì)如表1所示，從表中可以看出，9號鍋爐比8號鍋爐的貼壁風(fēng)開度整體要大，對側(cè)墻保護(hù)性整體相對較好。

表1 貼壁風(fēng)擋板開度 單位：%

選擇機(jī)組相同負(fù)荷（450 MW）下氧量數(shù)值進(jìn)行對比，8號爐和9號爐氧量數(shù)值統(tǒng)計(jì)如圖9所示，從圖中可以看出2019 年1 月至6 月，9 號鍋爐省煤器出口氧量比8 號鍋爐稍微略高，相差不大。兩臺機(jī)組燃盡風(fēng)擋板開度統(tǒng)計(jì)如表2所示，從表中可以看出9號鍋爐燃盡風(fēng)擋板開度比8號鍋爐較小，致使9號鍋爐水冷壁處還原性氣氛較8 號鍋爐弱些，一定程度上抑制了H2S還原性腐蝕。

表2 燃盡風(fēng)擋板開度

圖9 450 MW機(jī)組氧量

通過對8號、9號鍋爐燃燒器檢查發(fā)現(xiàn)，9號鍋爐C、D層燃燒器比8號鍋爐燃燒器燒損程度較輕，對爐膛燃燒影響相對較小。

4.5 其他因素的影響

將圖2—圖5 對比可以看出，9 號鍋爐東側(cè)水冷壁腐蝕嚴(yán)重，除考慮到入爐煤硫分、低氮燃燒器使用、腐蝕溫度、貼壁風(fēng)和燃盡風(fēng)的影響外，還發(fā)現(xiàn)9號鍋爐不僅F 層燃燒器燒損嚴(yán)重，對爐內(nèi)燃燒動(dòng)力場影響較大，造成整體火焰偏斜向東側(cè)墻，而且東側(cè)墻嚴(yán)重腐蝕部位也無防腐噴涂處理，還存在東側(cè)墻水冷壁掛焦量較大且頻繁，這些都加重了9 號爐東側(cè)墻高溫腐蝕。

5 水冷壁高溫防治措施

結(jié)合機(jī)組擴(kuò)大性小修已經(jīng)完成了高溫腐蝕超標(biāo)水冷壁管更換工作，同時(shí)對水冷壁易高溫腐蝕區(qū)域進(jìn)行防腐噴涂。

合理優(yōu)化經(jīng)濟(jì)適用煤摻燒方案及比例，煤質(zhì)含硫量盡量控制在允許范圍之內(nèi)，同時(shí)加強(qiáng)分散控制系統(tǒng)（Distri?buted Contrd System，DCS）系統(tǒng)中各磨煤機(jī)煤粉細(xì)度的控制，合理控制煤粉細(xì)度，做好磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器等部件檢修維護(hù)，避免燃燒器火焰過長刷墻。

在鍋爐兩側(cè)墻高溫腐蝕嚴(yán)重區(qū)域增設(shè)一定數(shù)量的煙氣分析取樣管，同時(shí)增加爐膛CO 在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測量鍋爐兩側(cè)墻高溫腐蝕嚴(yán)重區(qū)域壁面還原性氣氛，并基于CO 在線監(jiān)測技術(shù)開展燃燒優(yōu)化，摸索煙氣CO 與爐膛高溫腐蝕之間的關(guān)系，緩解水冷壁高溫腐蝕［9-10］。

結(jié)合水冷壁高溫腐蝕的情況，重視運(yùn)行氧量指標(biāo)的保持，負(fù)荷70%～80%（460～530 MW），保持氧量不低于3.0%，80%以上負(fù)荷時(shí)不低于2.0%～2.5%，尤其是在機(jī)組的高負(fù)荷工況下，嚴(yán)禁出現(xiàn)缺氧燃燒。

降低兩側(cè)墻燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，優(yōu)化兩側(cè)墻燃燒器熱態(tài)旋流強(qiáng)度，保持兩側(cè)墻12 只貼壁風(fēng)擋板最佳運(yùn)行開度。

在確保選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）出口煙氣NOx濃度能夠達(dá)標(biāo)排放條件下，控制SCR 入口煙氣NOx質(zhì)量濃度保持在300～400 mg/m3左右，盡量關(guān)小燃盡風(fēng)擋板開度，當(dāng)上層C、D 燃燒器停運(yùn)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉或關(guān)小最上層的燃盡風(fēng)擋板開，利用下層擋板調(diào)整通風(fēng)量，降低主燃燒區(qū)出現(xiàn)還原性氣氛程度。

結(jié)合爐膛落渣量，在確保爐膛不發(fā)生較大程度結(jié)焦和落渣的條件下，摸索減少最下層兩側(cè)墻吹灰器的投運(yùn)頻次，減緩對腐蝕產(chǎn)物的吹損和保護(hù)影響。

為更好地監(jiān)測制粉系統(tǒng)投停后燃燒器噴口溫度變化，選取鍋爐C、D 層燃燒器噴口前端加裝12 支溫度測點(diǎn)，引入DCS 系統(tǒng)作為燃燒器配風(fēng)調(diào)整的依據(jù)，控制一次和二次風(fēng)量，以便及時(shí)冷卻停運(yùn)的燃燒器。

6 結(jié)語

在研究超超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用機(jī)組檢修機(jī)會檢查燃燒器和水冷壁腐蝕情況，并參考鍋爐運(yùn)行期間氧量的控制、入爐煤樣的分析、貼壁風(fēng)的配置等參數(shù)控制情況，并對比查找出水冷壁腐蝕的主要影響因素，發(fā)現(xiàn)入爐煤含硫量、氧量、貼壁風(fēng)和燃盡風(fēng)配置等因素主要影響水冷壁的腐蝕程度，并以此制定相關(guān)治理方案，同時(shí)通過增加CO 在線檢測裝置，監(jiān)視還原性氣氛的含量，從而建立起比較全面的水冷壁防治方法，有效保障機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。