燃煤鍋爐還原區 H₂S 生成模型研究與水冷壁腐蝕防治

中圖分類號：TQ116;TP391.92 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）07-0114-03

Abstract：Inrecentyears，afterthe completion of ultra-low emisiontransformation of coal-fired units，theemission of nitrogenoxides has been efectively controlled.However，due to the wideapplication of low-nitrogencombustion technology，the reduction zone of coal-fired boiler has more reducing gases such as CO and H₂ ，resulting in an increase in H₂S concentration，further leading to high-temperature corrosion of water-cooled wall pipelines and affecting the safe operation of the unit.In this paper，the production mechanism of H₂S was analyzed，and a model of H₂ S generation easy toapplywasobtained，which was verified byactual measurements.Finally，the measures toreduce the high-temperature corrosion of the water wall were analyzed.

Keywords：coal-fired boiler;reduction zone; H₂S ；model research；high-temperaturecorrosion

近年來，全國絕大部分燃煤機組完成超低排放改造，這使得氮氧化物污染物的排放得到了進一步降低。在改造之后，氮氧化物排放上限僅為50mg/m³ ，這一嚴格的排放標準極大地減少了燃煤對環境的影響，為全國的空氣質量改善做出了積極貢獻。為達到這一排放要求，通常需要在燃燒脫硝和煙氣脫硝兩方面同時采取措施，主流技術為低氮燃燒技術和煙氣脫硝SCR技術[1]

燃煤電廠低氮燃燒技術采用爐內垂直方向上空氣分級燃燒的方法來減少 NO_x 排放。空氣分級燃燒技術將燃燒所需的空氣量分級送入：燃料先在缺氧的條件下燃燒，降低燃燒速度和溫度，抑制了燃料型NOx的生成；在燃盡區，燃燒得到充分進行，但由于溫度較低，氮氧化物生成量也能得到有效控制。

低氮燃燒技術在降低氮氧化物的同時，在還原區會形成較高含量的還原氣氛（CO含量可能達到1% 以上），此時燃料中的硫元素傾向于轉化為 H₂S 當鍋爐水冷壁附近 H₂S 體積分數超過 100μL/L 時[2]，容易引起水冷壁管道的高溫腐蝕，嚴重時引起水冷壁爆管，進而影響機組的安全運行。

為了避免超低排放后出現水冷壁高溫腐蝕，許多學者進行了相關研究。崔強等旋流燃燒鍋爐為研究對象，進行燃燒優化調整試驗，研究不同燃燒參數對 H₂S 濃度的影響[3]，為對沖旋流燃燒鍋爐水冷壁高溫腐蝕防治提供參考。彭志敏等研究了基于TDLAS技術測量鍋爐水冷壁近壁面 CO/H₂S 含量的方法[4]，為 H₂S 的在線高精度測量提供了基礎。鄧磊等進行了切圓燃煤鍋爐 H₂S 分布特性的數值模擬研究，用數據模擬的辦法計算了爐膛內的 H₂S 分布情況，并定量分析了不同工況下，鍋爐運行參數對于HS濃度影響程度[5]

1還原區 H₂S 生成數學模型

1.1 H₂S 生成模型概述

燃料中的硫元素，除了少部分以無機硫的形式存在灰分中外，大部分會熱解形成氣相物質，包括等。

Strohl等對褐煤燃燒過程中重要含硫組分的反應動力學展開相關研究，建立詳細反應機理模型，包括10種含硫組分和49個基元反應，并用GRI-2.11機理描述烷烴類的相關反應。預測了CO和H₂S 含量的分布趨勢。其結果表明：在煤粉熱解階段， H₂S 大量釋放，迅速被氧化為 SO₂ ；隨著燃燒過程的進行，在還原性氣氛下， SO₂ 又被還原為H₂S^[6] 。謝召祥等采用了Kramlich 提出的硫化物簡化反應機理模型，進行了燃盡風對 H₂S 和CO影響的數值計算研究。該模型包含8個基元反應。結果表明：隨著燃盡風率減小，主燃區過量空氣系數增大，爐膛近壁面區的CO體積分數降低、 O₂ 體積分數升高 ，H₂S 體積分數降低[7]

現有模型主要為動力學模型，且包含的基元反應數量龐大，適合進行離線的 H₂S 分布規律的研究。而在實際中，還原區的反應往往進行比較充分，且許多工況參數（如氧量、CO含量等）易于獲得，因此采用熱力學模型，不但能簡化計算，還能獲得較可靠的結果。

1.2 H₂S 生成熱力學模型

在燃煤鍋爐中為微負壓、高溫環境，存在大量的CO₂、N₂ 和少量的CO、 SO₂ 、 H₂S，H₂O 等。鄧磊給出了包含10個化學反應的總包方程及化學動力學參數（見表1）[5]；但指前因子差異較大，為簡化分析，選取其中指前因子較大的方程進行分析。

還原區中，水分含量主要取決于燃料中的水分含量及氫含量，當燃料和燃燒工況無變化時可以看成常數。可見，提高還原區的氧含量可以有效降低H₂S 含量。

根據方程1、2和5，可得：

可見， H₂S 含量和 CO/CO₂ 比例的3次方成正比。減少還原氣體CO對于降低 H₂S 具有非常關鍵的影響。

式（1）式（2）可以作為還原區 H₂S 含量的預測模型。在實際應用中，根據現場能夠測得的數據進行選取。需要說明的是，該模型公式是在化學反應已經達到平衡狀態這一簡化下得到的，這與實際的含量會存在一定誤差。

2 還原區 H₂S 生成的試驗驗證

2.1 試驗概述

國能某發電有限責任公司 1 000MW 汽輪發電機組，鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產的DG3035/29.3-II1 型超臨界參數變壓運行直流爐，一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼構架、鍋爐采用Ⅱ型布置方式，前后墻對沖燃燒方式，采用雙層等離子點火系統，燃燒器采用東方鍋爐股份有限公司設計的外濃內淡型低NOx旋流煤粉燃燒器。配用中速磨冷一次風直吹式制粉系統，每臺鍋爐配置6臺磨煤機。電廠為實現NOx超低排放，采用低氮燃燒控制技術，在這種燃燒情況下，雖然可以抑制NOx的生成，但是燃盡及還原區深度缺氧，會造成CO含量的急劇增加，從而大大增加化學未完全燃燒熱損失。此外， H₂S/CO 含量劇增會導致爐膛內不充分燃燒、水冷壁高溫腐蝕、結渣等情況發生。基于以上問題提出在鍋爐水冷壁近壁面測量碳（CO）、總硫（ H₂S/SO₂ ）、總氮（ NO/NO₂ ）和氧量（ 0₂ ）含量，通過測量其含量可直接反映爐膛內燃燒狀態。在此基礎上進行配風調整，有助于燃燒優化，避免爐膛結渣和腐蝕。本項目基于多光譜技術對鍋爐水冷壁近壁面碳、總硫、總氮以及氧量含量進行測量，然后根據測量數值進行燃燒優化控制。

在鍋爐還原區標高 41.3m 平面上安裝8個取樣探頭（前、后、左、右墻面，每墻各2個），每個取樣探頭均可實現多種氣體含量的分析。

2.2 試驗結果分析

在機組高（ 950MW ）、中（ 600MW ）負荷下，實測還原區1～8號測點的氮氧化物、氧量、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫的含量，結果如表2、表3所示。

應用式（2），需要有 CO₂ 含量數據，而本項目并沒有進行 CO₂ 含量測量，無法使用式（2）進行擬合，因此選用式（1）進行擬合分析。與式（1）要求的數據相比，實際測量時也缺乏 H₂O 含量數據，但 H₂O 含量與煤質高度相關，短期內可認為常數。

將中負荷時試驗數據，用式（1）進行擬合，得到c（H₂O）/k₃=90 ，并將用式（1）的結果作為計算值，在表2中分別列出了 H₂S 計算值與實際值，可見計算值與實測值吻合較好。此時 H₂S 的計算公式為： ;

同理，將高負荷時試驗數據，用式（1）進行擬合，c（H₂O）/k₃=18 （見表3）。高負荷時的 c（H₂O）/k₃ 相對較低，可能是由于煤質變化造成的。此時 H₂S 的計算公式為： c（H₂S）=18?c（S0₂）?c^-1.5（O₂） 。

在實際應用中，機組在不同負荷下采用不同的公式進行理論計算，以指導運行。

3減少水冷壁高溫腐蝕的措施

燃煤鍋爐爐內氣氛對水冷壁高溫腐蝕有著重要的影響。爐內氣氛中的還原性氣體（如CO、 H₂ 、 CH₄ 等）會導致水冷壁腐蝕速率增加。因此，控制爐內氣氛對于減少水冷壁高溫腐蝕非常重要。控制爐內氣氛，減少水冷壁高溫腐蝕的具體措施有燃料控制、運行控制兩方面。

燃料控制方面：對入廠的煤進行嚴格控制，包括揮發份、低位發熱量、灰分、含硫量等參數。盡量減少使用貧煤或高硫煤，并燃燒前和燃燒過程中都可以進行除硫以此來使煤中硫的含量降低。建議將入爐煤硫分控制在 0.8% 以下，并建立基于硫形態分析的配煤預警機制。

運行控制方面：調整一、二次風粉系統，使爐內熱負荷分配均勻，降低兩側給水流量偏差，使爐內火焰中心正常，水冷壁區域處在較均勻性的氧化性氣氛中，從而遏制水冷壁的高溫腐蝕。

4結語

（1）基于燃煤鍋爐還原區氣固反應特性，構建了 H₂S 生成的熱力學預測模型，揭示了 H₂S 含量與SO₂、O₂ 及CO的函數關系。模型驗證表明，在中、高負荷工況下， H₂S 含量計算值與實測值的誤差在可接受范圍內，能夠有效反映不同運行條件下的含量變化趨勢。特別是模型中發現的 H₂S 含量與氧含量的定量關系，為現場氧量調控提供了量化依據；（2）提出分級防控技術體系，在燃料控制層面，建議將入爐煤硫分控制在 0.8% 以下，并建立基于硫形態分析的配煤預警機制；在運行調控方面，調整一、二次風粉系統，使爐內火焰中心正常，從而遏制水冷壁的高溫腐蝕。

【參考文獻】

[1] 張瑩瑩.燃煤鍋爐煙氣超低排放技術研究［J].節能與環保，2020，（12）：65-66.

[2] KUNG，STEVENC.Furtherunderstandingof furnacewallcorrosion in coal-fired boilers[J].Corrosion，2014，70（7） ：749-763.

[3] 崔強，張振魯，李洪瑞.670MW對沖旋流燃燒鍋爐防高溫腐蝕試驗研究［J].熱能動力工程，2023，38（6）：182-188.

[4] 彭志敏，賀拴玲，周佩麗，等.基于TDLAS的煤粉鍋爐水冷壁近壁面CO/H2S同步在線監測[J].熱力發電，2022，51（10）：145-152.

[5] 鄧磊，袁茂博，楊家輝，等.寬負荷下切圓燃煤鍋爐H2S分布特性的數值模擬［J].煤炭學報，2024，49（6） ：2887-2895.

[6] STROEHLEJ，CHENX，ZORBACHI，etal.Validation ofadetailed reaction mechanism for sulfurspeciesin coalcombustion[J].CombustionScienceamp;Technology，2014，186（4-6） ：540-551.

[7]謝召祥，凌鵬，湛芳，等.分離燃盡風對貧煤鍋爐CO和H₂S 生成特性的影響［J].動力工程學報，2021，41（9） ：729-735.

（本欄目責任編輯：蘇慢）