1000MW超超臨界二次再熱塔式爐高溫腐蝕分析與應(yīng)對策略

花橋建

（國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327）

1 鍋爐設(shè)備概況

某電廠2臺百萬千瓦二次再熱燃煤機(jī)組的鍋爐為上海鍋爐廠設(shè)計的，最大連續(xù)蒸發(fā)量2710t/h、主蒸汽壓力33.03MPa、燃燒器型號為M7050。該爐膛采用塔式布置形式，燃燒方式為四角切圓，排渣方式為干式排渣，構(gòu)造形式是全鋼懸吊，布置方式為露天布置。

設(shè)計煤種為神華煤，煤粉細(xì)度為R90=15.00%，均勻性指數(shù)n=1.0～1.1。燃燒器自下而上分別是A、B、C、D、E、F，每層4個角4個燃燒器，每個燃燒器由2個燃燒器噴嘴組成，共48個燃燒器噴嘴，燃燒器噴嘴擺動角度為±30°，用于改變火焰中心的高度，有效地防止?fàn)t膛內(nèi)受熱面結(jié)焦。

燃燒器燃料和助燃空氣通過爐膛的2個風(fēng)箱從4角引入，方向指向位于爐膛中心的一個假想切圓。隨著燃料和二次風(fēng)進(jìn)入爐膛并著火，在爐膛內(nèi)就形成一個旋轉(zhuǎn)的“火球”。二次風(fēng)中的啟旋二次風(fēng)和消旋二次風(fēng)共同構(gòu)成了正反切圓燃燒系統(tǒng)。

2 受熱面高溫腐蝕形成機(jī)理

在鍋爐運行中，如果煤粉在氣流的作用下，產(chǎn)生還原性氣體，此時，爐內(nèi)腐蝕性氣體含量增加。其中有一種還原性氣體H2S，在富氧區(qū)域含量比較少，而在缺氧區(qū)域含量比較高，硫化氫具有滲透作用，它可以穿過疏松的Fe2O3層和致密的磁性氧化鐵層與其中的FeO以及管壁Fe發(fā)生反應(yīng)，從而造成嚴(yán)重的高溫腐蝕。高溫腐蝕還與燃料成分相關(guān)性密切，高堿、高硫、高釩燃料的腐蝕比較嚴(yán)重。

2.1 硫腐蝕

燃燒集中區(qū)域，熱負(fù)荷集中部位，當(dāng)煤粉在貧氧區(qū)燃燒，水冷壁受熱面附近還原性氣體和H2S產(chǎn)生時候，就會發(fā)生硫腐蝕。它的反應(yīng)原理是：燃料中的黃鐵礦（也就是二硫化亞鐵FeS2）沖到受熱面上伴隨著高溫的煙氣，它將會分解為硫原子，此為游離態(tài)。如果受熱面附近有硫化氫和二氧化硫，同樣會有自由態(tài)的S產(chǎn)生。而還原性氣體因缺氧，單獨存在的硫原子在受熱面溫度超過350℃時，將有硫化反應(yīng)發(fā)生，生成FeS。硫化氫還能和氧化亞鐵反應(yīng)，生成的硫化亞鐵在富氧區(qū)生成四氧化三鐵，水冷壁表面就被腐蝕，在其表面產(chǎn)生腐蝕層。腐蝕產(chǎn)物逐漸剝落后，不停地有硫、氧朝內(nèi)擴(kuò)散，再和鐵反應(yīng)，如此不斷惡化，而且隨著溫度的升高，腐蝕越劇烈。

2.2 氯化物型腐蝕

燃料中的氯化物含量高時，就會產(chǎn)生氯化物腐蝕。燃料燃燒時釋放的氯化鈉易于水蒸氣、二氧化硫、三氧化硫反應(yīng)，從而產(chǎn)生硫酸鈉和氯化氫氣體，而在400～600℃時，氯化物腐蝕最強烈。

2.3 釩腐蝕

釩腐蝕機(jī)理重油中的鈉、釩、硫等元素，燃燒后會生成氧化鈉、五氧化二釩、二氧化硫等物質(zhì)。造成油灰腐蝕的關(guān)鍵就釩，一旦釩與其他成分混合，易產(chǎn)生熔點低的物質(zhì)，這些物質(zhì)積累在過、再熱器表面或者牢牢黏在上面，不斷破壞受熱面表面的保護(hù)膜，加快了腐蝕的速度。

3 摻燒高硫煤的試驗分析與解決方案

為了進(jìn)一步降低機(jī)組的煤耗，節(jié)約燃料成本，某電廠在3#機(jī)組鍋爐摻配硫分較高的煤種。為更加全面了解機(jī)組摻配硫分較高的煤種后，鍋爐的安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性，從而敲定最佳摻配比例，本試驗選用含硫量較大的平五煤種，對比其他煤種同工況下的鍋爐爐渣含碳量、飛灰含碳量、爐膛壁面氛圍，確定最佳摻配比例。

3.1 水冷壁壁面氛圍測點位置設(shè)置

在水冷壁4個截面高度各設(shè)計布置4個監(jiān)測點，在水冷壁鰭片處開孔焊接一測量不銹鋼鋼管（內(nèi)徑0.5cm、外徑0.8cm）。具體安裝情況如圖1所示。

圖1 水冷壁壁面氛圍測點安裝示意圖

水冷壁4個截面高度上的測點布置如圖2所示。

圖2 水冷壁壁面氛圍測點位置圖

正常運行時，定期測量水冷壁壁面氛圍，出現(xiàn)異常時，及時檢查對應(yīng)區(qū)域燃燒器擺角是否同步、二次風(fēng)小風(fēng)門是否出現(xiàn)指令與反饋不一致等情況，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和燃燒調(diào)整工作。

3.2 不同硫分對水冷壁壁面氛圍及高溫腐蝕的影響

本次試驗不同負(fù)荷下爐膛氧量均按負(fù)荷與氧量曲線控制，未設(shè)置人為偏執(zhí)，800MW負(fù)荷下煤中硫分增加對應(yīng)的受熱面區(qū)域氛圍情況如表1。

表1 800MW負(fù)荷不同硫分下機(jī)組水冷壁區(qū)域24個測點還原性氣氛對照表

由表1可見，800MW負(fù)荷下，當(dāng)煤中含硫量越大時，水冷壁壁面還原氣氛H2S濃度越高。摻配煤種硫含量為0.8%時，大部分測量點CO濃度均在20000ppm以內(nèi)，硫化氫濃度均較低，高溫腐蝕可能性較低。摻燒煤種硫分達(dá)到1.0%時，大部分測點CO濃度仍然在20000ppm以內(nèi)，壁面附近硫化氫濃度明顯增大，當(dāng)摻燒煤種硫分達(dá)到1.3%時，壁面還原性氣氛有所變強，仍在正常范圍以內(nèi)，但硫化氫濃度越來越高，致使受熱面高溫腐蝕的風(fēng)險增大。由此可見800MW負(fù)荷時，摻燒煤種硫分在1.0%及以下時，受熱面高溫腐蝕的可能性較低，在硫分大于1.0%后，受熱面附近硫化氫濃度隨硫分增加較為明顯且濃度較高，受熱面高溫腐蝕可能性會大大增加。

10000MW負(fù)荷下，煤中硫分增加對應(yīng)的受熱面區(qū)域氛圍情況如表2。

表2 1000MW負(fù)荷不同硫分下機(jī)組水冷壁區(qū)域25個測點還原性氣氛對照表

在機(jī)組負(fù)荷為1000MW時，隨著硫分的增加，機(jī)組水冷壁區(qū)域CO濃度變化不大，說明水冷壁區(qū)域還原性氣氛基本保持不變，但隨著摻燒煤種硫分的增加，水冷區(qū)域硫化氫濃度呈上升趨勢。因此水冷壁區(qū)域高溫腐蝕的可能性也隨硫分的增加不斷變大。綜合以上負(fù)荷段參數(shù)分析，入爐煤種硫分控制在1.0%以下時，爐膛受熱面高溫腐蝕的可能性在可控范圍以內(nèi)。

3.3 燃燒調(diào)整對水冷壁壁面氛圍影響

由高溫腐蝕機(jī)理可知，高溫腐蝕在燃燒長時間貼壁運行造成局部劇烈燃燒，溫度較高且還原性氣氛變強時高溫腐蝕的可能性較大，且負(fù)荷越高此現(xiàn)象越明顯，以該電廠負(fù)荷1000MW，入爐煤硫分1.0%時，燃燒調(diào)整試驗為參照。

3.3.1 1000MW負(fù)荷下不同分離器轉(zhuǎn)速對水冷壁區(qū)域高溫腐蝕影響

1000MW負(fù)荷下不同分離器轉(zhuǎn)速對應(yīng)的水冷壁區(qū)域壁面氛圍見表3。

表3 1000MW負(fù)荷下不同分離器轉(zhuǎn)速對應(yīng)的水冷壁區(qū)域壁面氛圍

在機(jī)組負(fù)荷1000MW時，在常規(guī)分離器轉(zhuǎn)速控制時（該電廠常規(guī)分離器轉(zhuǎn)速控制原則為高揮發(fā)分煤種分離器轉(zhuǎn)速按500rpm控制，其余煤種按580rpm控制），水冷壁區(qū)域還原性氣氛偏高，硫化氫濃度偏高，分離器均抬高50rpm后，水冷壁區(qū)域硫化氫濃度明顯降低，再抬高分離器轉(zhuǎn)速雖然硫化氫濃度略有下降但磨煤機(jī)電耗隨之上漲，因此，分離器轉(zhuǎn)速抬高50rpm后對鍋爐運行安全性和經(jīng)濟(jì)性均有利。

3.3.2 1000MW負(fù)荷下燃燒區(qū)域偏置風(fēng)開度對水冷壁區(qū)域高溫腐蝕影響

1000MW負(fù)荷下偏置風(fēng)開度對應(yīng)的水冷壁區(qū)域壁面氛圍見表4。

表4 1000MW負(fù)荷下不同偏置風(fēng)開度對應(yīng)的水冷壁區(qū)域壁面氛圍

從表4可以看出，隨著偏置風(fēng)開度增大，爐內(nèi)CO濃度呈下降趨勢，硫化氫濃度呈上升趨勢，因此，1000MW負(fù)荷下，偏置風(fēng)開度在70%左右時，機(jī)組安全性較高。

4 結(jié)語

（1）對于百萬千瓦二次再熱燃煤機(jī)組在摻配高硫煤后，在煤中平均硫含量控制低于1%時，控制爐內(nèi)氧量在正常值范圍內(nèi)，能有效降低爐內(nèi)的高溫腐蝕的可能。

（2）對于摻燒高硫煤種后，在入爐煤種硫分一定時，適當(dāng)抬高磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速，能有效降低爐內(nèi)硫化氫濃度和飛灰含碳量，雖然磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速提高后，磨煤機(jī)耗電量較習(xí)慣工況增加468kW·h。但綜合分析，提高磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速降低煤粉細(xì)度后，煤耗降低成本大于磨煤機(jī)耗電量成本增加，且對爐內(nèi)高溫腐蝕危害降低，機(jī)組運行安全性和總體經(jīng)濟(jì)性均有所提高。

（3）在機(jī)組燃燒過程中通過偏置風(fēng)開度的大小能有效控制爐內(nèi)硫化氫的生成。在偏置風(fēng)40%時，多數(shù)水冷壁壁面氣氛硫化氫濃度較高，且存在均部CO濃度達(dá)到40000ppm左右，局部高溫腐蝕可能性增大，但當(dāng)偏置風(fēng)開度達(dá)到70%左右時，爐內(nèi)大部分測點CO濃度均控制在20000ppm以內(nèi)。

（4）全球首臺百萬千瓦二次再熱燃煤機(jī)組塔式鍋爐上成功摻配高硫煤，機(jī)組在安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)方面仍很突出，為后期同類機(jī)型的運行提供有效的參考。