燃高硫無煙煤超超臨界W火焰鍋爐受熱面高溫腐蝕應(yīng)對措施

龔 超，劉宇鋼，易澤中，易廣宙，楊學(xué)權(quán)

（1.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；2.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731）

0 引言

我國煤炭儲量豐富，也是無煙煤生產(chǎn)和消費第一大國［1］。無煙煤用于大型火力發(fā)電機組是其主要應(yīng)用方式之一，由于其難著火、難燃盡的特點，常采用W 型火焰燃燒方式，通過煤粉在爐膛內(nèi)向下噴入、再轉(zhuǎn)折向上，增加了煤粉在爐膛內(nèi)的火焰行程，提高了煤粉燃燒效率。國內(nèi)首臺高效超超臨界機組于2015 年投運［2］，其供電煤耗低于272 g/kWh，而配套W 火焰鍋爐的火電機組普遍為超臨界參數(shù)，其煤耗指標(biāo)普遍較高，為進一步提高燃用無煙煤發(fā)電機組經(jīng)濟性，降低機組碳排放量，提高機組參數(shù)是有效措施之一。

我國部分地區(qū)無煙煤含硫量較高，如西南地區(qū)，提高機組參數(shù)后，鍋爐高溫級受熱面壁溫水平也相應(yīng)提高，其發(fā)生高溫硫腐蝕的風(fēng)險也進一步提高。為應(yīng)對燃高硫無煙煤的W 火焰鍋爐參數(shù)的進一步提高，對鍋爐水冷壁及高溫級受熱面硫腐蝕進行分析，并提出工程應(yīng)對措施。

1 防止受熱面高溫腐蝕研究現(xiàn)狀

1.1 鍋爐高溫腐蝕研究現(xiàn)狀

萬叢、王恩祿等人［3］總結(jié)了不同高溫腐蝕類型及機理，受熱面高溫腐蝕主要包括硫酸鹽型高溫腐蝕、硫化物型高溫腐蝕、還原型高溫腐蝕、氯化物型高溫腐蝕及釩氧化物型高溫腐蝕等。

李強對某超臨界鍋爐水冷壁區(qū)域高溫腐蝕產(chǎn)物進行了化驗分析，其結(jié)果表明水冷壁高溫腐蝕屬典型的硫化物腐蝕，并研究了在水冷壁側(cè)墻設(shè)置貼壁風(fēng)減緩水冷壁高溫腐蝕的可行性［4］。

李萍、李安娜等人［5］研究了不同溫度條件下SUPER304H 材質(zhì)的腐蝕特性，在650 ℃時腐蝕過程以高溫氧化為主，提高溫度至750 ℃時，加速了揮發(fā)性產(chǎn)物的形成以及腐蝕的深入發(fā)展。

成丁南、張知翔等人［6］對不同超臨界鍋爐用材進行了腐蝕試驗研究，HR3C、SUPER304H 和TP347HFG等均有較強的抗氣相高溫腐蝕能力，但在氣相和熔鹽兩相腐蝕中，其腐蝕速率加快，上述三種材質(zhì)的抗氣相和熔鹽兩相腐蝕能力減弱。

在高效超超臨界鍋爐燃用高硫煤方面，東方鍋爐聯(lián)合南昌航空大學(xué)進行了大量的試驗研究，并已有批量的燃高硫煤超超臨界鍋爐投運［7］，見表1。汪元奎、劉光明等人［8］研究了SUPER304H 和HR3C 涂覆實際燃高硫煤電廠的煤灰和合成煤灰高溫腐蝕行為研究，研究結(jié)果表明，由于Cr 含量的增加，HR3C的耐蝕性明顯優(yōu)于SUPER304H，在電廠煤灰環(huán)境中，兩者的腐蝕產(chǎn)物均為Fe2O3、Cr2O3和FeCr2O4。張民強、黃麗琴等人［9］研究了SUPER304H 涂覆信源和榆能電廠兩種不同硫酸鹽含量的煤灰后的腐蝕行為，研究結(jié)果表明，在高溫?zé)煔夂兔夯覅f(xié)同作用下，鐵、鎳、鉻及其氧化物在合金表面熔鹽中的溶解是造成合金耐蝕性降低的原因。

表1 燃高硫煤的高效超超臨界鍋爐

1.2 受熱面高溫硫腐蝕機理

根據(jù)相關(guān)研究，燃高硫煤鍋爐受熱面的高溫腐蝕主要有硫化物高溫腐蝕及硫酸鹽高溫腐蝕［3］。

硫化物高溫腐蝕是由H2S 與受熱面管子表面鐵基氧化膜及元素鐵發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成FeS，隨后在有氧環(huán)境下可進一步生成Fe3O4。由于硫化物高溫腐蝕的反應(yīng)溫度一般在350 ℃左右，一般發(fā)生在鍋爐水冷壁管表面。

硫酸鹽高溫腐蝕是由煤炭中的堿金屬氧化物Na2O、K2O，與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸鈉和硫酸鉀，氣態(tài)的硫酸鈉和硫酸鉀遇到較冷的受熱面時便會凝結(jié)，其沉積速度和煙氣及壁面的溫度梯度有關(guān)。硫酸鹽腐蝕主要有兩種途徑，其一種是有硫酸鹽參與的氣體腐蝕，受熱面上熔融的硫酸鹽吸收SO3，并在Fe2O3、Al2O3的作用下，生成復(fù)合硫酸鹽（Na，K）（Fe，Al）（SO4）3，當(dāng)K3Fe（SO4）3和Na2Fe（SO4）3混合物中K 和Na 的摩爾比在1∶1 與4∶1 之間時，熔點降至552 ℃。當(dāng)硫酸鹽沉積厚度增加、管子表面溫度升高至復(fù)合硫酸鹽熔點溫度時，F(xiàn)e2O3氧化膜便被復(fù)合硫酸鹽溶解破壞，使管壁繼續(xù)腐蝕。另一種是堿金屬的焦硫酸鹽腐蝕，在附著層中有熔點較低的焦硫酸鹽時，會形成反應(yīng)速度更快的熔鹽型腐蝕［10］。

1.3 受熱面高溫腐蝕影響因素

鍋爐水冷壁管壁溫一般較低，其易發(fā)生硫化物型高溫腐蝕，研究結(jié)果表明，水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的影響因素主要有煤質(zhì)含硫量、水冷壁區(qū)域煙氣氣氛、火焰沖刷等。

蔡勇、張興龍等人研究了水冷壁的硫化物型高溫腐蝕機理，發(fā)現(xiàn)入爐煤含硫量、氧量、貼壁風(fēng)和燃盡風(fēng)配置等因素影響水冷壁的腐蝕程度［11］。

陳杰、姜波等人研究了1 000 MW 超超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕的原因主要為煤質(zhì)變化、爐膛缺氧燃燒、火焰偏斜、一二次風(fēng)調(diào)節(jié)特性差等［12］。

鍋爐高溫級受熱面，如高溫過熱器和高溫再熱器所處的煙氣溫度較高、煙氣環(huán)境也較為復(fù)雜，其受熱面材質(zhì)等級也較高。目前，超超臨界鍋爐過熱器和再熱器常用的材質(zhì)有SA-213T91、SA-213T92、SA-213TP347H、SUPER304H和HR3C。

研究結(jié)果表明，高溫級受熱面發(fā)生硫酸鹽高溫腐蝕的影響因素主要有：管子表面堿金屬氧化物含量、煙氣中SO3濃度、受熱面表面是否有鐵基氧化膜及合適的反應(yīng)溫度［3］。

管子表面的堿金屬氧化物主要來源于煤灰中的Na2O、K2O等。

煙氣中的SO3主要來源于燃料中的硫，燃料中大部分硫都氧化成SO2，其中大約有0.5～5%氧化成SO3。

受熱面管壁表面鐵基氧化膜主要為Fe2O3，在高溫腐蝕反應(yīng)初期生成的焦硫酸鹽與Fe2O3發(fā)生反應(yīng)，從而破壞管子表面氧化膜，生成更易與鐵元素發(fā)生反應(yīng)的復(fù)合硫酸鹽。

熔融硫酸鹽對金屬壁面的腐蝕隨著壁面溫度的增加而加劇，硫酸鹽的熔點與堿金屬的種類、比例和SO3的濃度等有關(guān)，腐蝕速率最大時的溫度為硫酸鹽形成速率比分解速率快的溫度點［10］。

2 工程應(yīng)對措施

2.1 預(yù)防水冷壁高溫腐蝕應(yīng)對措施

從上述水冷壁高溫腐蝕的影響因素分析可知，控制水冷壁區(qū)域還原性氣氛、防止火焰刷墻可以抑制水冷壁區(qū)域硫化物型腐蝕。對于燃用高硫煤的超超臨界W 火焰鍋爐，水冷壁高溫腐蝕主要發(fā)生在爐拱及其至燃盡風(fēng)之間區(qū)域，其防治措施可參考超臨界W火焰鍋爐，在工程應(yīng)用中，主要有以下措施。

1）抑制水冷壁區(qū)域還原性氣氛。由于W 火焰鍋爐獨特的燃燒方式，其二次風(fēng)主要從拱下送入爐膛，優(yōu)化二次風(fēng)送入方式，在整個下爐膛前后垂直墻和翼墻均勻地向爐膛供風(fēng)，在水冷壁表面形成氧化性保護區(qū)，可有效地減緩水冷壁的高溫腐蝕。同時在鍋爐冷灰斗與側(cè)墻交界處以及冷灰斗落渣口處設(shè)置貼壁風(fēng)，也可以減緩水冷壁的高溫腐蝕。

2）防止火焰刷墻。優(yōu)化爐拱與水平方向角度、燃燒器與水平方向角度，以形成良好的火焰，同時合理控制最邊上燃燒器距離側(cè)墻的距離，可避免火焰沖刷水冷壁，進而減緩水冷壁的高溫腐蝕。

3）水冷壁噴涂。水冷壁噴涂是一種被動的水冷壁防高溫腐蝕措施。目前水冷壁噴涂應(yīng)用較廣的有超音速電弧噴涂工藝，噴涂材料為45CT合金絲材。

2.2 預(yù)防高溫級受熱面腐蝕應(yīng)對措施

從上述高溫受熱面硫酸鹽腐蝕機理的影響因素分析可知，只要控制了上述任一反應(yīng)條件，就可以抑制硫酸鹽型高溫腐蝕發(fā)生。因此，對于燃用高硫煤的超超臨界W火焰鍋爐，在工程應(yīng)用中，主要通過合理控制高溫級受熱面金屬壁溫、避免高溫級受熱面硫酸鹽沉積、在高溫腐蝕速率較高的區(qū)域采用Cr 含量較高的金屬材料等。

2.2.1 合理控制受熱面金屬壁溫

在控制受熱面金屬壁溫方面，主要從煙氣側(cè)和蒸汽側(cè)兩方面考慮。

煙氣側(cè)偏差主要控制沿鍋爐寬度方向的煙氣溫度偏差，尤其是機組在變負(fù)荷過程中磨煤機的切停使得爐內(nèi)熱負(fù)荷分布發(fā)生變化［13］。合理控制磨煤機旁路風(fēng)開度、合理投入磨煤機臺數(shù)、煤粉管道的熱態(tài)調(diào)平等措施，均可減小鍋爐沿寬度方向的熱偏差。

工質(zhì)側(cè)偏差控制主要包括同屏管間偏差控制和不同屏偏差控制。對于燃用高硫煤的超超臨界W 火焰鍋爐，其再熱蒸汽溫度較高，在采用現(xiàn)有超超臨界鍋爐高溫級受熱面成熟用材SUPER304H 和HR3C滿足強度要求外，還需合理控制受熱面壁溫偏差高點，降低受熱面發(fā)生高溫腐蝕的風(fēng)險。

國內(nèi)首臺1 050 MW 高效超超臨界鍋爐，在過熱器和再熱器采用超超臨界鍋爐成熟材質(zhì)SUPER304H和HR3C 的基礎(chǔ)上，同時采用精準(zhǔn)壁溫偏差控制技術(shù)，成功實現(xiàn)將鍋爐出口再熱汽溫提高至623 ℃［2］。

圖1 為國內(nèi)某1 000 MW 高效超超臨界鍋爐（再熱蒸汽溫度623 ℃）高溫再熱器在最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR）負(fù)荷時的實測壁溫分布。從圖中可以看出：沿鍋爐寬度方向的壁溫偏差較?。煌凉苋χ?，不同管子的壁溫偏差較??；不存在壁溫偏差高點。

圖1 某1 000 MW高效超超臨界鍋爐高再壁溫分布

超超臨界W 火焰鍋爐高溫級受熱面工質(zhì)側(cè)偏差控制可以借鑒常規(guī)煤粉鍋爐，可采取的措施有：合理控制各級受熱面吸熱比例、減少高溫再熱器焓增，精細(xì)化的節(jié)流孔設(shè)計及制造，集箱之間采用大管道連接并左右交叉，優(yōu)化集箱規(guī)格和型式、加強集箱內(nèi)部的混合效果等。

2.2.2 避免高溫級受熱面硫酸鹽沉積

根據(jù)研究，鍋爐煙氣中的氣相硫化物對材料的高溫腐蝕速率有限，HR3C、SUPER304H 和TP347HFG等材質(zhì)均有較強的抗氣相高溫腐蝕能力，但在氣相和熔鹽兩相腐蝕中，其腐蝕速率加快［5］。SUPER304H在硫酸鹽含量較低的實爐煤灰中形成了相對致密、保護性良好的Cr2O3氧化膜，而在硫酸鹽含量較高的實爐煤灰中，腐蝕產(chǎn)物分層剝落嚴(yán)重，在腐蝕層/基體界面形成了富含Cr和S的腐蝕層［8］。

如重慶某超臨界對沖爐，鍋爐實際燃用川渝地區(qū)高硫煤，收到基全硫為3.62%，實際運行中屏式過熱器SA-213T91 管子發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕，經(jīng)腐蝕產(chǎn)物能譜檢測，腐蝕主要為硫酸鹽型腐蝕。而發(fā)生腐蝕的區(qū)域主要為吹灰盲區(qū)，而在吹灰器覆蓋的區(qū)域，SA-213T91管子未發(fā)生嚴(yán)重的沾污及腐蝕［14］。

因此，及時地清除高溫級受熱面上的沾污灰，防止硫酸鹽在受熱面上沉積，保持受熱面清潔，也是防治高溫級受熱面腐蝕的有效措施。燃高硫煤的超超臨界W 火焰鍋爐高溫級受熱面吹灰器可考慮無死角吹灰布置，具體吹灰器布置可參考圖2。

圖2 高溫級受熱面區(qū)域吹灰器布置

2.2.3 受熱面合理選材

超超臨界鍋爐高溫級受熱面（主要指屏式過熱器、高溫過熱器、高溫再熱器）爐內(nèi)段常用的材質(zhì)為SUPER304H 和HR3C，SUPER304H 在高溫下具有良好的機械性能、抗蒸汽氧化和耐熱腐蝕的性能［15］。HR3C 是在TP310 的基礎(chǔ)上研制出的一種奧氏體不銹鋼，其鉻含量高，與其他耐熱奧氏體鋼相比，該材料具有優(yōu)良的蠕變斷裂強度和更好的抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕性能［16］。

東方鍋爐聯(lián)合南昌航空大學(xué)等單位對SUPER304H和HR3C 的高溫腐蝕進行了大量的實驗研究［8-9，17］，研究結(jié)果表明，SUPER304H 在硫酸鹽含量較低的實爐煤灰中形成相對致密、保護性良好的Cr2O3氧化膜，腐蝕動力學(xué)表現(xiàn)為輕微增重，腐蝕速率較小，HR3C 相比SUPER304H 具有更好的耐腐蝕性能。因此，燃高硫煤超超臨界W 火焰鍋爐高溫級受熱面也可以借鑒已投運工程，綜合考慮工程造價及高溫腐蝕，合理選材。表2 為已投運的某燃用高硫煤高效超超臨界對沖爐高溫級受熱面爐內(nèi)段選材，該項目已成功投運6年。

表2 某燃高硫煤的高效超超臨界鍋爐受熱面選材

3 結(jié)語

受熱面高溫腐蝕是制約燃高硫煤的超超臨界W火焰鍋爐發(fā)展的因素之一。本文在總結(jié)高溫腐蝕機理及影響因素的基礎(chǔ)上，提出了燃高硫煤的超超臨界W火焰鍋爐防治高溫腐蝕的工程應(yīng)對措施。

通過抑制水冷壁區(qū)域還原性氣氛、防止火焰刷墻及水冷壁噴涂可有效減緩水冷壁高溫腐蝕。通過煙氣側(cè)及工質(zhì)側(cè)措施，合理控制高溫級受熱面壁溫偏差，可有效降低壁面溫度對硫酸鹽腐蝕的影響。通過合理的吹灰器布置，及時清除高溫級受熱面上的沾污灰，使高溫級受熱面保持清潔，可有效減輕硫酸鹽對受熱面的腐蝕。

HR3C 和SUPER304H 材質(zhì)已被工程證明可以用于燃高硫煤的高效超超臨界鍋爐，在合理控制受熱面壁溫、有效吹灰防止硫酸鹽在受熱面上沉積的基礎(chǔ)上，合理采用HR3C 和SUPER304H 可提高受熱面的整體抗腐蝕能力。