超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因分析及治理措施

國能神福（龍巖）發電有限公司 史雙偉

某發電公司2×640MW 燃煤發電機組，其鍋爐為東方鍋爐廠生產的DG1900/25.4—II2型超臨界參數變壓直流爐，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π 型鍋爐。鍋爐最大連續蒸發量1960t/h；鍋爐(B-MCR)燃煤量239.1t/h(設計煤種)，設計煤種為甘肅華亭煙煤與陜西黃陵煙煤2:1混煤。鍋爐爐膛寬22.12m、深15.5m、高62m，容積熱負荷79.9kW/m3，斷面熱負荷4.36MW/m2，燃燒器區域壁面熱負荷1.63MW/m2。爐膛下部冷灰斗水冷壁和中部水冷壁均采用螺旋膜式管圈，爐膛上部水冷壁均采用垂直管屏。

鍋爐燃燒系統采用前后墻對沖布置的旋流燃燒器，燃燒器采用HT-NR3低NOx燃燒器。燃燒系統共布置有16只燃盡風噴口，36只HT-NR 燃燒器噴口，共52個噴口。燃燒器分前后墻各三層布置，每層共6只；在前后墻距最上層燃燒器噴口一定距離處各設有6個主燃盡風噴口，2個側燃盡風噴口。HT-NR3燃燒器燃燒的空氣被分為三股，它們是直流一次風、直流內二次風和旋流外二次風。煤粉及其輸送用風（即一次風）經煤粉管道、燃燒器一次風管、文丘里管、煤粉濃縮器、燃燒器噴嘴后噴入爐膛；二次風經大風箱、燃燒器內、外二次風通道噴入爐膛；其中內二次風（兼作停運燃燒器冷卻風）為直流，通過手柄調節套筒位置來進行風量的調節；外二次風為旋流，依靠氣動執行器進行風量的調節。單只燃燒器內、外二次風的風量分配通過調節各內二次風套筒開度和外二次風調風器開度來實現。

制粉系統采用中速磨煤機一次風正壓直吹式制粉系統，每臺爐配六臺中速磨煤機，燃燒設計煤種及校核煤種時，五臺運行、一臺備用。磨煤機編號與燃燒器編號一致，前墻從上往下A、B、C，后墻從上往下D、E、F，鍋爐點火裝置為等離子點火燃燒裝置，布置在后墻F 層、共6臺。油燃燒器2013年進行了改造，拆除了啟動油槍，僅保留了C、F層12只點火油槍，作為鍋爐輔助點火裝置。每臺鍋爐煙風系統配置2臺動葉可調軸流式送風機，2臺雙級動葉可調軸流式引風機，2臺雙級動葉可調軸流式一次風機和2臺三分倉回轉式空氣預熱器。圖1中X為離前墻的距離，Y 為離爐膛底部的距離，Z 為離左側墻的距離。

圖1 鍋爐燃燒器及燃盡風布局圖

1 水冷壁存在問題

兩臺機組分別于2006年底和2007年中投產，2009年10月#6機組停運檢查發現鍋爐兩側墻煙氣側水冷壁（主燃燒區域）出現了嚴重高溫腐蝕。水冷壁管高溫腐蝕位置在A、B 側墻中間位置，高度在第一層燃燒器至燃盡風上部，標高21.5米至39.5米，寬約7米。針對上述問題當時采取如下措施：對兩側墻腐蝕嚴重區域的壁厚低于5mm 水冷壁部分管段進行換管，共換500多根，面積約120m2；對未更換的水冷壁管進行噴涂處理。水冷壁管采用超音速電弧噴涂，絲材為45CT 鎳鉻合金絲材。噴涂區域為：A、B 側墻中間位置，標高20m 至45m，寬約10m，面積500m2。

2011年2 月，#6機組停運檢查發現兩側墻水冷壁從標高23.0m～38.5m 區域水冷壁煙氣側出現不同程度的高溫腐蝕。此后幾年每年對兩臺鍋爐水冷壁高溫腐蝕情況進行檢查，發現問題不斷蔓延，甚至冷灰斗位置也存在高溫腐蝕現象且存在未燃盡煤粉顆粒及灰分粘附在管壁上。檢查發現管道壁厚最薄為2.0mm，管壁腐蝕速度約1.2mm/年，每次機組A、B 級檢修更換500～900根壁厚減薄超標的水冷壁管，并在換管后對高溫腐蝕區域水冷壁管表面進行了防腐噴涂處理，但一直未能從根本上解決左右燃燒器區域側墻水冷壁高溫腐蝕嚴重的問題，嚴重影響機組安全運行。

2 高溫腐蝕原因分析

經過對公司采購煤炭的成分及燃燒調整實驗對水冷壁煙氣成分統計分析，認為公司水冷壁高溫腐蝕主要原因是硫腐蝕，還與腐蝕位置煙氣存在的較高濃度還原性氣氛CO 氣體以及H2S 氣體有關，個別嚴重位置還存在煤粉刷墻現象[1]。

入爐燃煤品質差是造成水冷壁高溫腐蝕的主原因。公司地處不產煤地區，采購的煤炭品種較多，煤質波動較大，偏離設計煤種，入爐的摻燒煤硫分含量偏高（低硫煤含硫量約0.8%左右；高硫煤含硫量約2～3%）。高硫煤燃燒時產生的大量H2S、SO2、SO3、原子硫[S]，破壞了管壁的Fe2O3保護膜后侵蝕管子表面，使金屬管壁不斷快速減薄，如不及時發現處理就會造成爆管。在使用揮發分較低的煤種時，因著火點溫度相對較高、燃燒困難，容易產生不完全燃燒，在金屬壁面附近形成CO 以及H2S 氣體還原性氣氛，增加對管壁的腐蝕性。

表1 改造前檢測#6機組鍋爐水冷壁還原性氣氛（600MW O2=3.1%）

磨煤機分離器調節性能差。通過公司燃燒調整實驗結果對制粉系統調節分析，針對神華煤種，推薦值R90在18%，但通過煤粉管道取樣，發現各別磨煤機煤粉細度實測值R90在26%。較粗的煤粉顆粒質量重、慣性大，在對沖氣流影響下沖刷側墻水冷壁；而且煤粉的顆粒越大也就越不易燃盡，比較容易形成還原性氣氛，產生高溫腐蝕。同時，顆粒越大對壁面的磨損也越嚴重，也會破壞了水冷壁管外氧化保護膜，使煙氣中腐蝕介質直接與管壁金屬發生反應，加劇腐蝕[2]。

配風方式不合理，為追求低NOx、燃盡風比例過大，現場檢查燃盡風小風門拉桿開度均位于最大值，致使燃盡風占比過高，導致主燃燒區域缺氧嚴重，煤中的硫由于缺氧生成H2S，此外SO2和SO3也會轉變為H2S，從而加劇了水冷壁高溫腐蝕；燃燒器存在缺陷。冷態檢查燃燒器存在變形，損壞；燃燒器外二次風氣動門不嚴密，導致燃燒器外二次風固定角度改變，最終導致當燃燒器開度一致時每個燃燒器進風量不一致。

燃燒器結構影響。公司采用的是HT-NR3燃燒器，它的外二次風導流筒擴散角較大、約為45°，較大的氣流擴展角易導致氣流飛邊、煤粉刷墻貼壁，從而加劇了水冷壁的高溫腐蝕。F 層燃燒器是等離子點火層，無煤粉濃縮器，燃燒器結構的發生改變導致輸送煤粉的一次風剛性強、射流長，容易脫離二次風包裹，托底風不足煤粉掉落到冷灰斗。燃燒調整試驗期間，試驗停運F 層燃燒器，其冷灰斗處無煤粉且煙氣氣氛較好。

3 防止水冷壁高溫腐蝕的治理措施

由于公司通過對水冷壁管減薄超過壁厚30%以上的水冷壁管進行換管處理，并對產生腐蝕的水冷壁及相鄰區域進行防腐噴涂處理，未能從根本上解決水冷壁高溫腐蝕的問題。通過對公司煤質、燃燒情況的分析，結合公司生產經營實際，公司對煤炭采購提出了嚴格“控硫分”要求，加強入爐煤粉細度監測，對鍋爐進行了貼壁風改造改善側墻燃燒狀況，同時進行燃燒調整[3]。

3.1 嚴格控制采購煤炭的含硫量

公司明確規定采購煤炭的含硫量不得高于1.2%。

3.2 優化制粉系統，嚴格控制入爐煤粉細度

煤粉的粗細程度也會影響到燃燒的情況，如煤粉顆粒較粗燃燒的就不夠完全，難以燃燒的煤粉將會腐蝕或是磨損管壁。由于公司采購煤種不一致，其高硫煤哈氏可磨性系數108、容易破碎，煤粉細度能夠滿足最佳值R90=13%，神華煤哈氏可磨性系數59、不易破碎，且前后墻最底層燃燒器對應的F、C磨煤機分離器折項擋板調節性能差，煤粉細度很難達到最佳值R90=18%，且磨煤機出力越大煤粉細度越難控制，根據公司實際情況對運行規程進行明確規定：如果不是影響機組負荷，給煤機最大給煤量不超過42t/h。制定煤粉細度監測制度，定期開展煤粉細度檢測，對不合格的及時調整磨煤機分離器折向擋板，使煤粉細度達到要求標準。

3.3 對F 層和前后墻其他層兩側燃燒器進行改造

對F 層和前后墻其他層兩側燃燒器進行改造，并消除原有燃燒器存在的缺陷，并開展燃燒調整試驗，根據實驗結果調整燃燒參數[4]。

對兩側燃燒器進行改造，針對#1、#6 燃燒器將燃燒器外二次風導流筒擴散角從45°改成35°，降低二次風擴散范圍，使一次風與二次風提前混合，強化風包粉，弱化燃燒器區域還原性氣氛；將F 層燃燒器增加煤粉濃縮器，形成外濃內淡煤粉分布，弱化一次風剛性，減小一次風射流強度，強化風包粉效果。

增大主燃燒區過量空氣系數。由于燃盡風的存在，導致鍋爐主燃燒區域存在缺氧燃燒，其過量空氣系數一般在0.75～0.9。為減小燃盡風進風量，增大主燃燒區過量空氣系數，控制主燃燒區域過量空氣系數在0.9左右；提高鍋爐整體氧量，根據燃燒調整實驗結果，580MW 推薦省煤器出口氧量3.0%，480MW 省煤器出口氧量3.5%，370MW 省煤器出口氧量4.6%。

3.4 開展水冷壁貼壁風改造

2019年4 月，#6機組B 修期間對減薄超標水冷壁管道進行了更換、燃燒器區域水冷壁進行了防腐噴涂處理，尤其是開展了水冷壁貼壁風改造，增加兩側墻氧量，降低兩側墻水冷壁區域還原性氣氛。設計為改造后鍋爐效率沒有降低，爐膛兩側墻水冷壁近壁區煙氣中O2濃度大于1%，爐膛兩側墻水冷壁近壁區煙氣中CO 濃度小于3000ppm，兩側墻水冷壁近壁區煙氣中H2S 濃度小于100ppm。改造方案如下：

在兩側墻各布置三層貼壁風，每層對應布置四個貼壁風噴口，噴口采用割除水冷壁鰭片與水冷壁讓管形成，能有效覆蓋水冷壁壁面區域，防止鍋爐水冷壁管的高溫腐蝕。在前后墻布置兩層高速射流貼壁風，與側墻貼壁風相互補充，實現對側墻水冷壁的全覆蓋。新增設的貼壁風噴口位置見圖2；貼壁風系統改造后爐膛出口過量空氣系數維持原設計值不變，貼壁風風率不大于鍋爐入爐總風量的5%；側墻貼壁風風道經側墻的熱二次風箱取風，通過小風道與側墻水冷壁相連接；前后墻貼壁風取自空預器出口熱一次風母管，上層插入側燃盡風層，下層插入第三層燃燒器層[5]。

圖2 貼壁風技術改造方案示意圖

結論：公司在進行媒質優化、貼壁風改造和燃燒優化調整后，經試驗測量，除冷灰斗處、其余位置有較好煙氣氣氛，水冷壁大部分近壁區煙氣中CO濃度小于3000ppm。2020～2022年連續三年檢查水冷壁高溫腐蝕情況明顯好轉，沒有發生大面積水冷壁管減薄超標情況，降低了水冷壁高溫腐蝕速度，進而有效延長水冷壁的使用壽命，提升了機組的可靠性，同時減少水冷壁檢修工作量，降低檢修費用，縮短檢修工期，獲得了良好安全效益的和經濟效益。