大型燃煤發電廠鍋爐水冷壁高溫腐蝕燃燒調整試驗研究

談紫星，王晞青，楊 梅，譚姍姍 ，徐 倩

（1.南昌科晨電力試驗研究有限公司，江西 南昌 330096；2.江西東方航空配餐有限公司，江西 南昌 330117）

0 引言

近年來，隨著社會對環境問題的高度關注，國家對大氣污染物排放控制更加嚴格，大型燃煤電廠是能源的消費大戶，排污量大且集中，各大發電集團為完成環保排放指標，紛紛對下轄火電廠進行超低排放改造。氮氧化物是燃煤電廠的三大污染物之一，為降低爐膛出口處氮氧化物的生成，往往采取低NOX燃燒技術[1]，在主燃區缺氧燃燒，燃盡區富氧燃燒，造成主燃區水冷壁近壁區域缺氧燃燒，形成強還原性氣氛，燃煤中的硫元素在此氛圍中將轉化為硫化氫氣體，從而對水冷壁造成嚴重的高溫腐蝕問題。大型燃煤電廠在當今新型能源結構中，起到“托底保供”的基礎性作用，因而高溫腐蝕導致的水冷壁壁面減薄甚至爆管，不僅嚴重影響燃煤電廠運行的安全性和經濟性，也會對電網穩定運行造成較大影響。因此對大型燃煤電廠水冷壁高溫腐蝕燃燒調整試驗[2]的研究具有重要的現實意義。

1 設備概況

某發電廠1 號爐系哈爾濱鍋爐廠設計生產的HG－1025/18.2－YM6 型亞臨界壓力一次中間再熱控制循環汽包爐。鋼爐架、Π 型露天布置，單爐膛、四角布置擺動式燃燒器，采用平衡通風、四角切圓燃燒，固態排渣，四臺ZGM－95G 中速磨爐前布置，每臺磨配一層煤粉噴嘴，采用高壓頭冷一次風機使整個制粉系統作正壓運行。爐膛上部布置壁式輻射式再熱器和大節距分隔屏過熱器以增加過熱器和再熱器的輻射特性。采用內螺紋管膜式水冷壁和低壓頭的循環泵以提高運行的可靠性。裝有兩臺三分倉容克式空氣預熱器。汽溫調節方式：過熱器采用二級噴水減溫，再熱器的調溫主要靠燃燒器的擺動，再熱器的進口導管上裝有兩只霧化噴嘴式的噴水減溫器（主要作事故噴水用）。

鍋爐燃燒器為四角布置，采用大風箱結構，由隔板將大風箱分成若干個風室，每組燃燒器共有6種13個風室15 個噴嘴。一次風噴嘴可上下擺動20°。二次風及油噴嘴可作上下27°的擺動，頂部燃燼風室噴嘴可作向上25°，向下5°的擺動。

2 試驗方法

2.1 試驗邊界確定

水冷壁近壁區煙氣組分對高溫腐蝕有決定性的作用，不同的煙氣氛圍條件下，腐蝕速率差異巨大，其中CO、O2和H2S 三者相互關聯，相互影響。根據相關試驗及參考文獻總結[3]，三者大致具有如下關系（圖1和圖2所示）。

圖1 CO與O2之間的關系

圖2 H2S與O2之間的關系

由圖1 可知，當氧濃度小于1%時，CO 濃度隨著O2濃度的增大而急劇降低；當氧濃度大于1%時，CO濃度降低速度減緩；當氧濃度大于2%時，CO 濃度值基本穩定在一個很小的值附近，基本接近0。

由圖2 可知，H2S 的濃度隨著O2濃度的升高而降低。總體上，當O2濃度小于1%時，H2S 濃度隨著O2濃度的增大而急劇降低；當O2濃度大于1%時，H2S濃度降低速度減低；當O2濃度大于2%時，H2S濃度值基本穩定在一個較小的值。

查閱相關文獻資料[3]，認為爐內強還原性氣氛分界點：H2S 含量>200 ppm，CO 含量>3%（30 000 ppm）即認為是強還原性氣氛。

基于以上，本次試驗期間為方便比較，將H2S含量200 ppm、CO含量3%、O2含量1%作為比較的邊界。

2.2 試驗測點布置

2021年9月，1號爐臨停檢查中發現鍋爐爐膛水冷壁高溫腐蝕嚴重，腐蝕區域主要集中在前/后墻沿爐高方向，C燃燒器中心水平位置（標高約14 m）到燃盡風（SOFA 風）噴口中心水平位置（標高約32 m），區域高度約18 m。據此，在前/后墻沿爐高方向每隔3 m，每層布置10個測點（前/后墻各布置5個），共6層。

2.3 燃煤品質控制

入爐煤含硫量對H2S 的生成至關重要，而H2S 是水冷壁高溫腐蝕的一個主要因素，試驗期間要保持入爐煤質穩定，結合電廠實際，確定煤質目標：Qnet，ar：5000大卡，Vad：15%-20%，St：1.0%左右。

2.4 機組負荷

機組負荷影響貼壁氣氛，負荷越高，管壁溫度越高，還原性氣氛越強，腐蝕速率越快，高溫腐蝕越嚴重。故本次水冷壁高溫腐蝕燃燒調整試驗在300 MW負荷下進行。

2.5 單因素輪轉法

試驗因素選取：爐膛氧量、二次風配風方式（含燃燒器周界風）、一次風壓、煤粉細度[4]。

3 試驗內容

本次水冷壁高溫腐蝕燃燒調整試驗內容見表1。

表1 試驗內容

本次水冷壁高溫腐蝕燃燒調整試驗共計14 個工況，每個工況持續穩定試驗時間4 h。

4 結果和分析

4.1 摸底試驗

摸底試驗在習慣運行方式下，對水冷壁貼壁煙氣成份（O2、CO、H2S）濃度進行測試，以掌握機組運行時，水冷壁近壁區域還原性氣氛的實際狀況，為正式試驗參數的選擇提供依據，并可以和燃燒調整試驗后的水冷壁近壁區域還原性氣氛進行對比（見表2 至表4），檢驗此次試驗效果。

表2 前/后墻H2S濃度測試摸底試驗結果一覽表 ppm

表4 前/后墻O2濃度測試摸底試驗結果一覽表 %

由表2可見，前/后墻均存在部分測點的H2S 濃度大于200 ppm（表中超過200 ppm 的用黃色光標標示），部分甚至高于400 ppm。

由表3可見，前/后墻均存在部分測點CO濃度大于3%，部分甚至高于20%，（表中超過3%的用黃色光標標示）。

表3 前/后墻CO濃度測試摸底試驗結果一覽表 %

由表4 可見，前/后墻均存在部分測點的O2濃度低于1%（表中O2含量低于1%的用黃色光標標示）。

從上述三個工況試驗結果可以看出，后墻O2濃度低于1%、H2S濃度大于200 ppm和CO濃度大于3%測點數量多于前墻，結合本機組最近一次的檢修情況判斷，爐內后墻水冷壁管高溫腐蝕情況，比前墻更嚴重。

4.2 氧量調整試驗

300 MW 負荷下，氧量調整試驗在爐膛出口（SCR 入口）表盤氧量為3.7%和3.9%兩種工況下進行，習慣性運行方式下（表盤氧量為3.5%）。試驗結果見表5至表7。

表5 氧量調整試驗前后墻H2S濃度測試結果對比 ppm

表6 氧量調整試驗前后墻CO濃度測試結果對比 %

表7 氧量調整試驗前后墻O2濃度測試結果對比 %

由表5至表7可知，爐膛氧量的提高，對改善水冷壁近壁區域還原性氣氛具有積極重要的意義。但考慮到環保的壓力，只能在滿足爐膛出口NOX排放濃度的前提下，適當提高爐膛氧量。

4.3 周界風調整試驗

300 MW負荷下，周界風調整試驗，氧量設定為3.7%下進行，共進行了三個工況。試驗結果見表8至表10。

表8 周界風調整試驗，前后墻H2S濃度測試結果對比 ppm

表9 周界風調整試驗前后墻CO濃度測試結果對比 %

表10 周界風調整試驗前后墻O2濃度測試結果對比 %

由表8至表10可知，周界風開度的大小可以影響一次風的剛性，防止氣流偏斜，更易形成“風包粉”，適當提高周界風開度，對改善水冷壁近壁還原性氣氛具有重要意義。

4.4 二次風調整試驗

300 MW 負荷下，二次風調整試驗在爐膛出口表盤氧量設定為3.7%下進行，共進行了5 個工況。參考1 號爐低氮燃燒器改造后，鍋爐廠家針對爐膛出口NOX排放濃度開展的相關試驗結果，在當前煤質下，AA 層和BC 層二次風門開度控制在11%左右，爐膛出口NOX排放濃度可以得到較好控制，一旦這兩層風門開大，NOX排放濃度升高較多，且在之前的檢查中，AA 層對應的附近水冷壁高溫腐蝕并不嚴重，所以本次不對AA 層和BC 層進行調整，保持11%開度不變。同時，為控制NOX排放，燃盡風（SOFA）風門均保持100%全開。綜上，本次燃燒調整試驗只對AB/CD/DD 層二次風擋板開度進行調整，試驗結果見表11 至表13。

表12 二次風調整試驗前后墻CO濃度測試結果對比 %

由表11 至表13 可知，通過改變爐內二次風的配比，能夠較大程度的影響爐內燃燒，從而影響水冷壁近壁還原性氣氛[4]，CD 層二次風擋板對水冷壁近壁還原性氣氛影響較小，AB 層和DD 層二次風擋板開度對水冷壁近壁還原性氣氛影響較大。

4.5 一次風壓調整試驗

300 MW 負荷，習慣運行方式下，本次試驗在一次風母管壓力在8.6 kPa 和9.1 kPa 下進行了2 個工況，試驗結果見表14至表16。

表14 一次風壓調整試驗前后墻H2S濃度測試結果對比 ppm

表16 一次風壓調整試驗前后墻O2測試結果對比 %

表15 一次風壓調整試驗前后墻CO濃度測試結果對比 %

由表14至表16可知，通過改變一次風壓力，可以影響水冷壁近壁還原性氣氛[4]，在保證爐膛安全穩定燃燒的情況下，適當降低一次風壓力對改善水冷壁近壁還原性氣氛非常有益處。

4.6 煤粉細度調整試驗

300 MW 負荷下，煤粉細度調整試驗[5]在氧量設定為3.7%下進行，共進行了1 個工況。將分離器葉片擋板開度調小5%，試驗結果見表17至表19。

表17 煤粉細度調整試驗前后墻H2S測試濃度結果對比 ppm

表18 煤粉細度調整試驗，后墻CO濃度測試結果對比 %

表19 煤粉細度調整試驗前后墻O2測試結果對比 %

由表17至表19可知，在常規運行狀態下，磨煤機出口煤粉細度在R90在10%左右，繼續降低煤粉細度，對近壁還原性氣氛改善作用十分有限。

5 結語

1）氧量調整試驗結果表明，隨著爐膛氧量的增加，H2S 及CO 濃度均呈下降趨勢，能較好的控制爐膛水冷壁近壁區域的還原性氣氛，結合環保因素考量，建議在300 MW 負荷下，將氧量設置在3.7%左右較為合適。

2）周界風調整試驗結果表明，隨著A/B/C/D 層周界風擋板開度由33%增大至44%，H2S 濃度明顯降低，且爐膛出口煙氣NOX含量變化不大；繼續增大至50%，H2S 濃度變化不明顯，且爐膛出口煙氣NOX有所上升。綜合考慮，建議在300 MW 負荷下，將A/B/C/D層周界風擋板開度控制在44%左右較為合適。

3）二次風調整試驗結果表明，隨著CD層二次風擋板開度增大，前/后墻相應層數（第2、3層測點）測得的H2S濃度變化不明顯；隨著AB/DD層二次風擋板開度增大，前后墻相應層數（第1、2層測點）測得的H2S濃度降低明顯。綜合考慮，建議在300 MW負荷下，在習慣配風方式下，可適當將AB層和DD層二次風擋板開度增大（開度控制在43%左右較為合適），同時將CD層二次風擋板開度適當減小（開度控制在33%左右較為合適）。

4）一次風壓調整試驗結果表明，隨著一次風母管壓力降低，鍋爐水冷壁前后墻H2S 濃度整體上降低明顯。建議在300 MW 負荷下，在保證爐內燃燒安全穩定的前提下，盡量將一次風母管壓力降低，有利于水冷壁高溫腐蝕的緩解。

5）煤粉細度調整試驗結果表明，煤粉細度下降，對鍋爐水冷壁前后墻H2S 濃度整體上的降低并不明顯，維持現有煤粉細度即可。