低氮燃燒器改造對(duì)屏式受熱面高溫腐蝕的影響

趙晴川，周新剛，張徐東，張利孟，劉　科（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南　250003）

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低氮燃燒器改造對(duì)屏式受熱面高溫腐蝕的影響

趙晴川，周新剛，張徐東，張利孟，劉科
（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003）

對(duì)兩臺(tái)1 000 t/h煤粉鍋爐屏式再熱器和屏式過熱器發(fā)生的硫酸鹽型高溫腐蝕情況進(jìn)行了分析，認(rèn)為低氮燃燒器改造改變了鍋爐各受熱面的吸熱平衡，提高了爐膛火焰中心高度，造成屏式受熱面壁溫升高，對(duì)高溫腐蝕有著不可忽視的促進(jìn)作用。以一臺(tái)自然循環(huán)鍋爐為例，定量分析了低氮燃燒器改造對(duì)不同受熱面吸熱量的影響，為低氮燃燒器改造和運(yùn)行調(diào)整提供了依據(jù)。

燃煤鍋爐；屏式受熱面；高溫腐蝕；低氮燃燒器改造

0　引言

鍋爐屏式受熱面的高溫硫腐蝕，是指煙氣中所含堿金屬的復(fù)合硫酸鹽以液態(tài)在高溫受熱面上沉積所造成的腐蝕現(xiàn)象。高溫腐蝕主要發(fā)生在燃用高硫煤或高釩油的鍋爐水冷壁管和過熱器管上，腐蝕速度一般為0.8～2.6mm/a，嚴(yán)重時(shí)可高達(dá)5mm/a［1］。對(duì)于燃用高硫煤的鍋爐，發(fā)生屏式受熱面高溫硫腐蝕的概率很高，例如我國(guó)川渝地區(qū)燃煤收到基硫份高達(dá)3%以上，屏式受熱面的高溫腐蝕經(jīng)常發(fā)生，對(duì)電廠的安全運(yùn)行造成很大危害［2］。

山東省內(nèi)燃用高硫煤的比例不高，因此多年來發(fā)生屏式受熱面高溫硫腐蝕的情況不常見。然而近兩年來，特別是低氮燃燒器改造以后，部分鍋爐出現(xiàn)了比較明顯的屏式受熱面高溫硫腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致管壁減薄，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。通過兩個(gè)高溫腐蝕的案例，分析了低氮燃燒器改造對(duì)受熱面吸熱平衡的影響，為避免此類高溫腐蝕的發(fā)生提供了設(shè)計(jì)和運(yùn)行依據(jù)。

1　屏式受熱面高溫硫腐蝕的機(jī)理

當(dāng)燃煤中含有較多的硫及灰分中有較多的堿金屬氧化物（Na2O或K2O）時(shí)，在高溫火焰中這些堿類物質(zhì)升華，其蒸氣在管壁表面凝結(jié)，與煙氣中的SO3在適當(dāng)?shù)谋跍叵禄铣纱捎誀畹膲A金屬硫酸鹽（Na2SO4或K2SO4）。

隨著這些沉積物厚度的增加，表面溫度不斷上升，以致表面呈融化狀態(tài) （K2SO4熔點(diǎn)為1 057℃，Na2SO4熔點(diǎn)為890℃），表面上很快黏附灰粒形成一層疏松多孔的積灰層。由于高溫輻射，灰層表面融化形成渣膜，在融化狀態(tài)和還原性氣氛中，灰渣內(nèi)的硫酸鹽會(huì)分解出SO3，這些SO3與煙氣中可能滲入的SO3一起，通過灰層向內(nèi)擴(kuò)散并與硫酸鹽及壁面Fe2O3產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成復(fù)合硫酸鹽Na3Fe（SO4）3或K3Fe（SO4）3?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為

在上述反應(yīng)中，管壁上的氧化鐵保護(hù)層被消耗掉，在運(yùn)行中隨著灰渣層的流淌和崩塌，會(huì)使暴露在渣膜表面的復(fù)合硫酸鹽受高溫分解成硫酸鹽、Fe2O3和SO3，當(dāng)管壁上形成新的灰層后又重復(fù)過程2），這樣周而復(fù)始，管壁不斷受到腐蝕而變?。?］。

2　高溫硫腐蝕案例

2.1屏式再熱器管壁減薄

某廠1號(hào)鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、控制循環(huán)汽包爐。爐膛上部布置墻式輻射再熱器、過熱器分隔屏以及后屏。再熱蒸汽流程依次為墻式再熱器、屏式再熱器、末級(jí)再熱器。其中屏式再熱器為順流布置，沿爐寬方向設(shè)置30屏，每片屏設(shè)14個(gè)管圈，計(jì)28根管子，布置在爐膛出口折焰角上方，如圖1所示。

鍋爐采用四角布置的擺動(dòng)式直流燃燒器、切向燃燒、冷一次風(fēng)機(jī)、雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，燃用煙煤。2012年，對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了低NOx改造，改變了切圓直徑，增加貼壁風(fēng)，在主燃燒器上方增設(shè)4組高位SOFA燃盡風(fēng)，在主燃燒器上層一次風(fēng)噴口上方約8m處。SOFA噴口可同時(shí)做上下左右擺動(dòng)。全爐膛沿高度方向的風(fēng)量重新進(jìn)行了分配，并調(diào)整了主燃燒器區(qū)一、二次風(fēng)噴口面積，更換一、二次風(fēng)噴口及一次風(fēng)噴嘴體、一次風(fēng)入口彎頭等部件，對(duì)一次風(fēng)標(biāo)高重新調(diào)整。改造前后燃燒器對(duì)比如圖2所示。

圖1　鍋爐及受熱面布置

在2014年5月B修的防磨防爆檢查中，發(fā)現(xiàn)屏式再熱器管壁減薄?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，屏式再熱器和后屏過熱器的屏兩側(cè)或單側(cè)黏附著較為均勻的渣層。渣層較薄，有一定硬度，不容易清理，渣層表面形態(tài)能看出明顯的煙氣流動(dòng)方向。腐蝕多發(fā)生在屏再煙氣入口向火側(cè)的管壁上。清理掉渣層后發(fā)現(xiàn)管壁上有瓷釉狀沉積物，或表面有斑點(diǎn)狀腐蝕痕跡，有的表面呈灰藍(lán)色，如圖3（a）所示；有的管壁上腐蝕產(chǎn)物和灰渣燒結(jié)在一起，呈褐紅色，如圖3（b）所示。

圖2　低NOx燃燒器改造前后對(duì)比

這兩種腐蝕形態(tài)都具有堿焦硫酸鹽的熔鹽高溫腐蝕特征，主要是由硫酸鹽的熔鹽腐蝕造成。二者不同之處可能是由管壁溫度及腐蝕程度的不同所造成。通過壁厚的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其中圖3（a）壁厚更薄，腐蝕情況更嚴(yán)重，表面大部分已是藍(lán)灰色。圖3（b）管壁氧化層較厚，顏色也略顯暗紅，可能由于管材本身在受到腐蝕時(shí)也在逐步生成氧化保護(hù)層，而且氧化層生成的相對(duì)速度比圖3（a）中的要快［4］。

圖3　屏式再熱器管壁腐蝕

2.2屏式過熱器高溫腐蝕

某廠HG—1065/17.5—YM1型亞臨界一次中間再熱控制循環(huán)汽包爐，四角切圓燃燒，平衡通風(fēng)固態(tài)排渣煤粉爐，燃用煙煤。2006年11月投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。2014年大修發(fā)現(xiàn)后屏過熱器中下部有明顯高溫腐蝕現(xiàn)象，面積約有120m2，如圖4所示。

圖4　屏式過熱器高溫腐蝕

圖5　低NOx燃燒器改造前后對(duì)比

低氮燃燒器在原燃燒器基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，如圖5所示。其中圖5（a）為改造前后燃燒器噴口布置對(duì)比，主燃燒器區(qū)域燃燒器一二次風(fēng)標(biāo)高、噴口面積改變，部分二次風(fēng)噴口增設(shè)貼壁風(fēng)組件，在原主燃燒器上方6～8m處布置4層SOFA噴口，SOFA噴口可同時(shí)做上下左右擺動(dòng)。圖5（b）與圖5（c）為改造前后燃燒器射流角度的改變情況，將部分二次風(fēng)射流方向由原來的大角度反切改為逆向與一次風(fēng)射流方向偏置一較小角度（5°左右）。

3　腐蝕原因分析

從高溫腐蝕機(jī)理分析，屏式受熱面高溫硫腐蝕發(fā)生的條件是：1）燃煤含硫量較高，灰中堿類物質(zhì)（Na2O或K2O）及硫酸鹽的含量相對(duì)較高；2）高溫造成較薄的熔渣層；3）高溫?zé)煔庵械膲A類物質(zhì)及SO3能自由擴(kuò)散到管表面，并有一定濃度，附著在渣膜表面的灰粒含有未分解的硫酸鹽；4）鍋爐頻繁啟?；蚋叩拓?fù)荷交錯(cuò)運(yùn)行，使管壁附著的渣層脫落，促進(jìn)了腐蝕。

上述兩個(gè)案例鍋爐運(yùn)行中基本滿足上述腐蝕條件：入廠煤高硫煤較多，超出設(shè)計(jì)煤種的數(shù)量占80%以上，其中硫份大于1.5%的入廠煤數(shù)量達(dá)到35%以上。尤其是在低NOx燃燒器改造后，爐膛上部燃燒份額增加，火焰溫度較高，在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣溫度可達(dá)到1 000℃以上，管內(nèi)工質(zhì)溫度達(dá)到450℃左右，屏式再熱器和后屏過熱器上附著了較多的薄渣層，達(dá)到硫腐蝕的溫度條件，形成垢下硫腐蝕。

4　低氮燃燒器改造對(duì)鍋爐熱力特性的影響

以上兩個(gè)案例是在鍋爐低氮燃燒器改造后，屏式受熱面的高溫腐蝕現(xiàn)象變得突出起來，說明低氮燃燒器改造后鍋爐燃燒特性發(fā)生改變，鍋爐各部分受熱面的吸熱特性也發(fā)生了改變，屏式受熱面吸熱增加，導(dǎo)致壁溫升高，促進(jìn)了高溫腐蝕的發(fā)生。此外，鍋爐低氮改造后，火焰中心上移，燃燒器區(qū)域缺氧燃燒，爐內(nèi)熱負(fù)荷分布改變，顆粒燃燒距離加長(zhǎng)，導(dǎo)致爐頂屏式過熱器底部掛焦，也構(gòu)成了屏式受熱面高溫腐蝕發(fā)生的外部條件。

低氮燃燒器改造后鍋爐燃燒特性改變，必然導(dǎo)致汽水系統(tǒng)吸熱特性改變，進(jìn)而易引發(fā)受熱面高溫腐蝕以及汽溫偏差等問題。因此，定性、定量分析研究低氮燃燒器改造后燃燒側(cè)的改變對(duì)汽水系統(tǒng)吸熱特性的影響，可以為低氮燃燒器改造的設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)整提供參考，避免出現(xiàn)改造后的高溫腐蝕、汽溫偏差等負(fù)面影響。以圖6所示的一臺(tái)自然循環(huán)、煙氣擋板調(diào)節(jié)控制再熱汽溫的鍋爐為例，定量分析了低氮燃燒器的燃燒側(cè)改變對(duì)汽水系統(tǒng)吸熱特性的影響。

一般來說，低氮燃燒系統(tǒng)燃燒側(cè)的以下改變會(huì)影響受熱面的吸熱平衡：1）降低燃燒空氣量；2）空氣分級(jí)；3）水冷壁灰沾污特性的改變。吸熱平衡的改變可能造成部分受熱面的材料表面溫度升高，因此改造后應(yīng)檢測(cè)受熱面壁溫并與設(shè)計(jì)值對(duì)比，必要時(shí)需要進(jìn)行受熱面的改造［5］。

4.1降低燃燒空氣量

低氮燃燒改造的一項(xiàng)主要措施是降低燃燒空氣量，即燃燒氧量降低。分析計(jì)算表明，降低總空氣量的影響為：圖6中蒸發(fā)受熱面吸熱量增加1.8%，爐膛出口溫度不變或略有降低（-3℃）；過熱受熱面吸熱量降低1.5%；再熱受熱面吸熱量略有下降（通過煙氣擋板調(diào)節(jié)，再熱器通道煙氣量增加6%，吸熱量得到一定的補(bǔ)償）；省煤器吸熱量下降4.6%；排煙溫度下降1℃。

由于爐膛出口煙溫變化不大，較低的煙氣流量意味著對(duì)換熱減少。因此，空氣量的減少導(dǎo)致過熱器出口溫度會(huì)有明顯降低。此外，煙道擋板控制的煙氣更多地轉(zhuǎn)移至再熱器側(cè)，過熱吸熱進(jìn)一步減少。

以上分析表明，低氮燃燒器改造后空氣量、煙氣量的減少降低了過熱器、再熱器受熱面的吸熱量，有助于降低屏式受熱面發(fā)生高溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6　自然循環(huán)鍋爐受熱面布置

4.2燃燒空氣分級(jí)

空氣分級(jí)，即部分燃燒器區(qū)的燃燒空氣轉(zhuǎn)移到爐膛更高區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致在上部爐膛區(qū)域的熱釋放，改變了爐膛溫度場(chǎng)的分布。計(jì)算表明空氣分級(jí)會(huì)產(chǎn)生以下影響：蒸發(fā)受熱面吸熱量降低1.8%，爐膛出口煙溫升高12℃；過熱器吸熱量增加2.2%；再熱器吸熱量增加；省煤器吸熱量增加1.5%；排煙溫度升高1℃。

空氣分級(jí)和由此而來的爐膛上部區(qū)域熱釋放，導(dǎo)致熱量更多地轉(zhuǎn)移到對(duì)流型熱表面，對(duì)再熱器出口溫度影響最大。因此改造前應(yīng)進(jìn)行核算，確定通過煙氣擋板調(diào)節(jié)能否抵消再熱器增加的熱量，并校核再熱器出口材質(zhì)能否承受壁溫的升高。省煤器吸熱增加提高了出口工質(zhì)溫度，應(yīng)核算不同負(fù)荷下管內(nèi)工質(zhì)是否會(huì)達(dá)到沸騰狀態(tài)。對(duì)于過熱器，由于增加吸熱量2.2%，導(dǎo)致流量增加1.3%，從而增加了對(duì)蒸發(fā)受熱面出力的要求，要求提高燃料量，應(yīng)檢查燃燒、制粉、風(fēng)煙等系統(tǒng)能否滿足需求。

以上分析表明，多數(shù)情況下，低氮燃燒器改造后空氣分級(jí)導(dǎo)致對(duì)流受熱面吸熱增加，尤其是再熱器吸熱增加，壁溫升高，增大了屏式受熱面高溫腐蝕發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。而且空氣分級(jí)后，煤粉顆粒燃燒距離將加長(zhǎng)，導(dǎo)致爐頂屏式過熱器底部掛焦，表面溫度較高，進(jìn)一步形成了腐蝕條件，增加了腐蝕的危險(xiǎn)。

空氣分級(jí)的影響還有一種較少發(fā)生的特例，即對(duì)于燃料揮發(fā)份高、極易著火的煤種，在特定的研磨細(xì)度和空氣分配條件下，進(jìn)入爐膛低部的空氣量減少，并不會(huì)影響煤粉顆粒著火，反而由于進(jìn)入空氣量減少，相當(dāng)于減少了進(jìn)入的冷風(fēng)熱量，提高了爐膛的溫度水平，煤粉在低部爐膛區(qū)域燃燒更劇烈，在低部爐膛區(qū)域熱釋放增加，可能導(dǎo)致燃燒器區(qū)溫度更高。在這種高溫下，蒸發(fā)受熱面的熱交換增加，從而降低了過熱器、再熱器受熱面的吸熱量，有利于避免發(fā)生屏式受熱面高溫腐蝕的發(fā)生。

4.3水冷壁沾污方式改變

低氮燃燒器改造后，某些鍋爐的灰沾污特性發(fā)生了明顯的改變，導(dǎo)致爐膛結(jié)焦的趨勢(shì)加劇，將產(chǎn)生如下后果：蒸發(fā)受熱面吸熱量降低1.2%，爐膛出口溫度升高7℃；過熱受熱面吸熱量增加1.6%；再熱受熱面吸熱量升高；省煤器吸熱量升高1%；排煙溫度升高1℃。因此，結(jié)焦加劇導(dǎo)致過熱器和再熱器吸熱增加，壁溫升高，增大了屏式受熱面高溫腐蝕發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

此時(shí)應(yīng)尤其關(guān)注再熱器出口工質(zhì)溫度。由于爐膛吸熱量的減少，導(dǎo)致更多的熱量轉(zhuǎn)移到對(duì)流受熱面。應(yīng)檢查再熱器是否能夠通過調(diào)節(jié)煙氣擋板抵消增加的吸熱量。再熱器出口材質(zhì)溫度應(yīng)與設(shè)計(jì)限值對(duì)比校核。對(duì)流受熱面吸熱增加，蒸汽出力增加1.1%，從而蒸發(fā)受熱面產(chǎn)生的蒸汽量必須提高，相應(yīng)地要求提高燃燒出力，應(yīng)檢查燃燒、制粉、風(fēng)煙等系統(tǒng)是否能適應(yīng)這種要求。同時(shí)也應(yīng)關(guān)注省煤器額外吸收熱量是否會(huì)導(dǎo)致工質(zhì)達(dá)到沸點(diǎn)。

以上分析表明，低氮改造后如果爐膛結(jié)焦加劇，則高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增大。

5　結(jié)語

鍋爐在低氮燃燒改造后，燃燒側(cè)的改變有可能使得受熱面的吸熱平衡發(fā)生改變，屏式受熱面吸熱增加，壁溫升高，促進(jìn)了高溫腐蝕的發(fā)生。通過定量分析，認(rèn)為低氮燃燒器改造后，降低燃燒空氣量、燃燒空氣分級(jí)、沾污方式改變3種燃燒側(cè)的改變，對(duì)汽水系統(tǒng)吸熱平衡有不同的影響。低氮燃燒器改造后空氣量、煙氣量的減少降低了過熱器、再熱器受熱面的吸熱量，有利于降低屏式受熱面發(fā)生高溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)；低氮燃燒器改造后空氣分級(jí)多數(shù)情況下導(dǎo)致對(duì)流受熱面吸熱增加，尤其是再熱器吸熱增加，壁溫升高，增大了屏式受熱面高溫腐蝕發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；低氮改造后如果爐膛結(jié)焦加劇，則屏式受熱面高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增大。這3種影響疊加后的總效果，決定了屏式受熱面吸熱量的增加或減少，從而決定了發(fā)生高溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。因此，低氮燃燒器的改造必須對(duì)鍋爐進(jìn)行必要的熱力計(jì)算，以驗(yàn)證3種效果的影響程度，并校核汽水側(cè)能否承受，是否需要增加必要的改造。

［1］岑可法，樊建人.鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕的防止原理與計(jì)算［M］.北京：科學(xué)出版社，1994.

［2］陳曲進(jìn).川渝地區(qū)國(guó)產(chǎn)670 t/h鍋爐高溫腐蝕情況調(diào)查［J］.鍋爐技術(shù)，2006，37（3）：49-52.

［3］楊厚君，李正剛，李朝志，等.DG1025鍋爐高溫再熱器高溫腐蝕原因分析與防止措施［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（11）：212-214.

［4］米子德，梅東升，韓旭東.300MW燃煤機(jī)組鍋爐再熱器高溫腐蝕分析［J］.華北電力技術(shù)，2006（2）：9-13.

［5］張力.鍋爐原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Im pacts of the Low NOxBurner Retrofit on Platen Heating Surface High Tem perature Corrosion

Z HAO Qingchuan，Z HOU Xingang，Z HANG Xudong，Z HANG Limeng，L IU Ke
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

The high temperature sulfur corrosion in two 1 000 t/h coal-fired boilerswere observed and analyzed.The Low NOxburner retrofit，which changed theheatdistribution balanceof theboiler，raised the flame coreheight，lead to the platen heating surface temperature growth，had ineligible impacts to the high temperature sulfur corrosion.A quantitative analysis of impacts of the low NOxburner retrofit to heatdistributionwasmade to provide valuable proposal for the retrofitand operation optimization.

coal-fired boiler；platen heating surface；high temperature corrosion；low NOxburner retrofit

TK224.9

B

1007-9904（2016）04-0046-05

2015-11-02

趙晴川（1972），男，高級(jí)工程師，從事電站鍋爐燃燒優(yōu)化、性能分析、節(jié)能技術(shù)開發(fā)等工作。