鍋爐燃燒器低氮改造后發(fā)生高溫腐蝕的原因分析及防止措施

胡慶權(quán)，張華聰

(重慶合川發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶 401536)

鍋爐燃燒器低氮改造后發(fā)生高溫腐蝕的原因分析及防止措施

胡慶權(quán)，張華聰

(重慶合川發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶 401536)

對(duì)水冷壁高溫腐蝕的原因進(jìn)行分析，采用不同的燃燒器型式，對(duì)水冷壁進(jìn)行噴涂表面處理；根據(jù)機(jī)組不同的運(yùn)行工況優(yōu)化配風(fēng)方式， 合理組織燃燒，改善貼壁氣成分等防止高溫腐蝕措施，可遏制高溫腐蝕的形成和發(fā)展，提高鍋爐設(shè)備的安全性和可靠性。

鍋爐；水冷壁；高溫腐蝕；防止措施

為減少燃煤電廠鍋爐NOx排放而進(jìn)行燃燒器低氮改造后，即使是燃用相同煤種的相同型式的鍋爐，由于運(yùn)行條件不同，燃燒器高溫區(qū)域的水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的現(xiàn)象也會(huì)大不相同，腐蝕后的管壁減薄形貌也不相同。

1 產(chǎn)生高溫腐蝕的機(jī)理和條件

1.1 機(jī)理

在燃煤鍋爐中，高溫腐蝕類型大致分為硫酸鹽型、氯化物型、硫化物型及其混合型。硫酸鹽型腐蝕主要發(fā)生在高溫受熱面上；氯化物型和硫化物型腐蝕主要發(fā)生在燃燒器高溫區(qū)域的水冷壁管上。水冷壁的高溫腐蝕通常是由這3種類型腐蝕復(fù)合作用的結(jié)果。

硫酸鹽型高溫腐蝕的形成：在爐內(nèi)高溫條件下，煤中NaCl中的Na+易揮發(fā)，除一部分被熔融的硅酸鹽捕捉外，有一部分與煙氣中的SO3發(fā)生反應(yīng)，形成Na2SO4；另一部分是易于揮發(fā)性的鉀發(fā)生置換反應(yīng)，與SO3化合，生成K2SO4。而堿金屬硫酸鹽(Na2SO4、K2SO4)有黏性，且露點(diǎn)低。當(dāng)堿金屬硫酸鹽沉積到受熱面的管壁后會(huì)再吸收SO3，并與Fe2O3及Al2O3作用生成焦硫酸鹽(Na·K)2S2O7。這樣一來(lái)，受熱面上熔融的硫酸鹽(M2SO4)吸收SO3，并在Fe2O3及Al2O3作用下生成復(fù)合硫酸鹽(Na·K)(Fe·Al)SO4，隨著復(fù)合硫酸鹽的沉積，其熔點(diǎn)降低，表面溫升升高。當(dāng)表面溫升升高到熔點(diǎn)，管壁表面的Fe2O3氧化保護(hù)膜被復(fù)合硫酸鹽破壞，使管壁繼續(xù)腐蝕。另外，附著層中的焦硫酸鹽(Na·K)2S2O7熔點(diǎn)低，更容易與Fe2O3發(fā)生反應(yīng)，生成(Na·K)3Fe(SO4)3，即形成反應(yīng)速度更快的熔鹽型腐蝕[1]。

氯化物型腐蝕的形成：在爐內(nèi)高溫下，原煤中的NaCl易與H2O、SO2、SO3反應(yīng)，生成硫酸鹽(Na2SO4)和HCl氣體。同時(shí)，凝結(jié)在水冷壁上的NaCl也會(huì)和硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)，生成HCl氣體。因此，沉積層中的HCl濃度要比煙氣中的高很多，致使受熱面管壁表面的Fe2O3氧化保護(hù)膜破壞。有研究表明，這種情況在CO和H2濃度超過(guò)一定范圍的強(qiáng)還原性氣氛中則更為強(qiáng)烈。

綜上所述，燃煤中的S、Cl、K、Na等物質(zhì)的存在是發(fā)生高溫腐蝕的內(nèi)在根源。而燃用劣質(zhì)煤所需要的氣流擾動(dòng)和較高的燃燒溫度，煤粉火焰刷墻以及水冷壁附近出現(xiàn)的還原性氣氛，為產(chǎn)生水冷壁高溫腐蝕提供了充分條件。

1.2 條件

根據(jù)相關(guān)資料，要產(chǎn)生高溫硫化腐蝕，需具備以下幾個(gè)條件[2]。

1)燃煤含硫量較高，存在一定含量的S、Cl、K、Na等可產(chǎn)生高溫腐蝕的物質(zhì)。

2 )水冷壁管壁腐蝕區(qū)域的壁溫在320 ℃以上。

3 )水冷壁局部范圍嚴(yán)重缺氧，存在較大的還原性氣氛(CO、H2)和腐蝕性氣體(H2S)，局部缺氧時(shí)，特別是當(dāng)O2量低于1.5%時(shí)，H2S含量急劇增加。

4 )煤粉氣流沖刷水冷壁，造成腐蝕產(chǎn)物的剝落，使得腐蝕不斷地滲透到內(nèi)層，使腐蝕加速進(jìn)行。

2 發(fā)生高溫腐蝕的實(shí)例分析

2.1 改造情況介紹

某電廠一期2×300 MW機(jī)組自投運(yùn)以來(lái)，由于實(shí)際燃用煤質(zhì)與設(shè)計(jì)煤質(zhì)相比有較大偏差等原因，鍋爐NOx排放量較高，已無(wú)法適應(yīng)嚴(yán)格的國(guó)家環(huán)保政策。對(duì)兩臺(tái)鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒器改造，運(yùn)行一年后，2#鍋爐發(fā)生了高溫腐蝕；1#鍋爐運(yùn)行良好。

兩臺(tái)鍋爐系東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1025/18.2-Ⅱ4型亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒、自然循環(huán)汽包爐，單爐膛п型露天布置，燃用煙煤。兩個(gè)假想切圓的直徑分別為Φ681 mm和Φ772 mm。每角燃燒器共有15層噴口，其中一次風(fēng)噴口5層，二次風(fēng)噴口7層，三次風(fēng)噴口2層，用于降低NOx生成量的頂二次風(fēng)噴口1層。一次風(fēng)噴口四周有周界風(fēng)，每角燃燒器分上下兩組。上組燃燒器有8層噴口，下組燃燒器有7層噴口。燃燒器為水平濃淡燃燒器，在一次風(fēng)風(fēng)管中采用“百葉窗”式的煤粉濃縮器。煤粉燃燒器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 煤粉燃燒器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)(設(shè)計(jì)煤種，BMCR工況)

為盡可能降低NOx的排放，提高鍋爐燃燒穩(wěn)定性，對(duì)燃燒器進(jìn)行改造，將原燃燒器進(jìn)行整體更換，改造后的燃燒器將主要在以下幾方面采取措施來(lái)降低NOx的排放，增加鍋爐燃燒的穩(wěn)定性[3]。

1)燃燒器各層標(biāo)高重新調(diào)整，增加燃盡風(fēng)，以達(dá)到提高穩(wěn)燃能力和降低NOx排放的目的。

2)優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)，提高穩(wěn)燃能力。

3)對(duì)一次風(fēng)管內(nèi)的“百葉窗”式煤粉濃縮器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4)一次風(fēng)噴口中采用垂直半錐體，半錐體位于濃側(cè)噴口內(nèi)，使一次風(fēng)濃煤粉氣流反切噴入爐內(nèi)，以增強(qiáng)煤粉氣流的著火和穩(wěn)燃能力；在濃側(cè)噴口邊沿設(shè)置穩(wěn)焰齒，增加一次風(fēng)濃煤粉氣流周界面積和湍動(dòng)度，強(qiáng)化著火。

5)一次風(fēng)噴口兩側(cè)布置偏置周界風(fēng)，背火側(cè)的周界風(fēng)噴口較大，向火側(cè)較小。

6)部分二次風(fēng)噴口正向偏轉(zhuǎn)，以增大爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)煙氣的實(shí)際切圓，向煤粉氣流根部提供更多的高溫?zé)煔饬?，穩(wěn)定煤粉氣流的著火燃燒。

2.2 一、三次風(fēng)調(diào)平及爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)調(diào)整一次風(fēng)管道上可調(diào)縮孔，采用標(biāo)準(zhǔn)BS1(系數(shù)為0.755)，每根管道測(cè)量16個(gè)點(diǎn)，采用均方根計(jì)算出各管道平均動(dòng)壓，并計(jì)算出各一次風(fēng)管道風(fēng)速及同層各風(fēng)管風(fēng)速偏差。一、三次風(fēng)粉管調(diào)平，流量偏差均低于5%。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，一次風(fēng)切圓往左偏300 mm，切圓直徑4.6 m無(wú)刷墻貼壁現(xiàn)象。最高風(fēng)速形成切圓的直徑為5.6 m，位置居于爐膛正中，爐內(nèi)氣流無(wú)刷墻貼壁現(xiàn)象，通過(guò)觀察飄帶，無(wú)沖底現(xiàn)象。彩煙顯示，爐內(nèi)切圓良好。

一、二、三次風(fēng)調(diào)平及爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示：各層一次風(fēng)風(fēng)量調(diào)整平衡，同臺(tái)磨2只三次風(fēng)管風(fēng)量平衡，滿足爐內(nèi)切圓燃燒需要。一、二次風(fēng)全開情況下，冷態(tài)動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)顯示，爐內(nèi)切圓居于爐膛正中，無(wú)偏斜，爐膛充滿度好，無(wú)刷墻貼壁現(xiàn)象。

2.3 改造后發(fā)生高溫腐蝕爆管

2.3.1 事件經(jīng)過(guò)及設(shè)備損壞情況

2015年4月28日20時(shí)20分時(shí)，2#機(jī)組負(fù)荷300 MW，鍋爐后墻水冷壁管，標(biāo)高約25 m(E層一次風(fēng)噴口層)，從鍋爐B側(cè)往A側(cè)數(shù)：第75根、第77根爆管，爆管后水汽對(duì)附近水冷壁管沖刷，造成第74根、第76根水冷壁管管壁減薄。經(jīng)過(guò)對(duì)全爐膛區(qū)域水冷壁側(cè)厚檢查，四側(cè)墻燃燒器相同區(qū)域水冷壁管均發(fā)生高溫腐蝕，共更換了304根水冷壁管，總長(zhǎng)2 204 m。

2.3.2 原因分析

為徹底查清原因，對(duì)水冷壁爆管進(jìn)行了理化分析。通過(guò)宏觀檢查、金相檢測(cè)、垢樣分析，發(fā)現(xiàn)爆破管子外表面粘附著大量煤灰，并附有明顯厚度的腐蝕產(chǎn)物，且有明顯的氣流沖刷痕跡，從最薄處向兩側(cè)方向處有明顯的轉(zhuǎn)角。此外，對(duì)離爆管兩端100 mm范圍內(nèi)，進(jìn)行了厚度測(cè)量，管子向火面最小壁厚為1.3 mm，其余大多在2.2～2.8 mm范圍內(nèi)。垢樣分析結(jié)果表明，材料受到嚴(yán)重的硫腐蝕。綜合檢查結(jié)果與相關(guān)爆管情況，可以判斷爆管的主要原因是由火焰吹偏造成的煙氣沖刷和高溫腐蝕。

2013年底鍋爐低氮燃燒器改造后，因增加了燃盡風(fēng)量，鍋爐主燃燒器區(qū)域在低氧燃燒的方式下，使得該區(qū)域四周水冷壁長(zhǎng)期處于較強(qiáng)的還原性氣氛中，進(jìn)一步加劇了水冷壁的高溫硫化腐蝕。機(jī)組長(zhǎng)期燃用高硫煤，鍋爐水冷壁出現(xiàn)了不可避免的高溫硫化腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致水冷壁管逐漸腐蝕減薄。

通過(guò)與1#鍋爐腐蝕現(xiàn)象的對(duì)比分析，2#鍋爐腐蝕現(xiàn)象特別嚴(yán)重。兩臺(tái)鍋爐燃燒器低氮改造結(jié)構(gòu)型式相同，燃用相同煤種，運(yùn)行方式相同，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間相近，但運(yùn)行的負(fù)荷率相差較大，2#鍋爐運(yùn)行負(fù)荷率較1#鍋爐低10%左右，長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)造成運(yùn)行條件不同，發(fā)生高溫腐蝕的現(xiàn)象相差較大。造成2#鍋爐發(fā)生高溫腐蝕爆管的主要原因：長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，為達(dá)到低NOx效果，上層燃盡風(fēng)保持最大開度且不參與調(diào)整，周界風(fēng)基本關(guān)完，使得爐膛燃燒區(qū)域的二次風(fēng)較少，維持較低氧量的運(yùn)行方式，造成鍋爐燃燒器區(qū)域嚴(yán)重缺氧，CO含量大幅上升，燃燒器區(qū)域水冷壁側(cè)呈還原性氣氛，導(dǎo)致了水冷壁高溫硫化腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

3 預(yù)防高溫腐蝕的措施

預(yù)防高溫腐蝕的措施有以下幾點(diǎn)。

1)全面檢查2#鍋爐燃燒器區(qū)域水冷壁，采取逐根測(cè)厚的方式，對(duì)壁厚低于5.3 mm的水冷壁管全部進(jìn)行更換。

2)采取噴涂工藝，對(duì)燃燒區(qū)域進(jìn)行防磨防腐蝕噴涂，以便在水冷壁向火側(cè)形成保護(hù)層，阻止?fàn)t膛高溫?zé)煔鈱?duì)水冷壁的腐蝕[4]。

3)定期對(duì)易發(fā)生高溫腐蝕區(qū)域的管壁進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)厚，及時(shí)分析、跟蹤，從中尋求“四管”的劣化趨勢(shì)，堅(jiān)持“趨勢(shì)分析、超前控制，通過(guò)綜合判斷，盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采取防范措施。

4)制訂運(yùn)行措施，加強(qiáng)燃燒調(diào)整[5]。

①制訂運(yùn)行措施，在低負(fù)荷時(shí)上層燃盡風(fēng)參與調(diào)整，保持周界風(fēng)與上層燃盡風(fēng)門的開度一致，關(guān)閉停運(yùn)燃燒器的一次風(fēng)，防止運(yùn)行燃燒器區(qū)域嚴(yán)重缺氧。

②結(jié)合運(yùn)行人員實(shí)際采用的燃燒調(diào)整方式，一次風(fēng)噴口采用均等配風(fēng)方式，而煤種變化后，改變配風(fēng)方式，避免將兩相鄰一次風(fēng)噴口之間的二次風(fēng)量減少至零，造成局部缺氧[6]。

③采用四角布置切圓燃燒方式，煤粉射流的背火側(cè)(靠爐墻)利用側(cè)邊風(fēng)，優(yōu)化補(bǔ)氣條件，防止局部缺氧。

④低負(fù)荷時(shí)，燃燒器周界風(fēng)與燃盡風(fēng)同步調(diào)節(jié)，控制爐膛出口氧量不低于3.0%～4.0%。四角燃燒后墻爐內(nèi)溫度較前墻高100 ℃左右，并且后墻易產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象，應(yīng)防止火焰中心明顯向后墻水冷壁偏斜。

5)三次風(fēng)噴口布置在燃燒器區(qū)域上方，應(yīng)控制制粉系統(tǒng)漏風(fēng)，減少三次風(fēng)所占份額。

6)利用機(jī)組等級(jí)檢修機(jī)會(huì)更換燒壞、變形的燃燒器, 調(diào)整燃燒器假象切園直徑，避免火焰對(duì)爐墻的直接沖撞。

7)保持煤粉均勻度和合理的細(xì)度；保持燃燒穩(wěn)定，防止持續(xù)燃燒不穩(wěn)和脈動(dòng)火焰沖擊爐墻。

8)防止管壁超溫。機(jī)組長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，水冷壁管內(nèi)水循環(huán)速度較低，使局部壁溫較滿負(fù)荷運(yùn)行更高，當(dāng)管外壁有黏附物時(shí)，發(fā)生高溫腐蝕的可能性更大。

9)加強(qiáng)煤種摻混，降低燃煤“平均”硫分，盡量采購(gòu)硫分較低煤種。

4 結(jié)論

燃煤電廠鍋爐進(jìn)行燃燒器低氮改造后，水冷壁發(fā)生高溫腐蝕，是一個(gè)普遍現(xiàn)象。設(shè)計(jì)相同的燃燒器結(jié)構(gòu)型式，燃用相同煤種，由于運(yùn)行的負(fù)荷率相差較大，長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，造成運(yùn)行條件不同，發(fā)生高溫腐蝕的現(xiàn)象相差較大。根據(jù)運(yùn)行工況合理組織燃燒,優(yōu)化配風(fēng)方式,改善貼壁氣成分等措施，可遏制高溫腐蝕的形成和發(fā)展，提高鍋爐設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

[1] 張翔，邵國(guó)楨.大型鍋爐水冷壁高溫腐蝕探討[J].鍋爐技術(shù),2002,33(8)：9-13.

[2] 趙虹,魏勇.燃煤鍋爐水冷壁煙側(cè)高溫腐蝕的機(jī)理及影響因素[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2002,22(2)：1 700-1 704.

[3] 池作和，岑可法.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.

[4] 蔡志剛，謝濤.鍋爐管的高溫腐蝕及滲鋁防護(hù)[J].熱力發(fā)電，1996(1)：3-13.

[5] 曾漢才.大型鍋爐水冷壁的高溫腐蝕故障分析[J]. 華中電力，2001，14(4)：5-8.

[6] 黃新元.電站鍋爐運(yùn)行與燃燒調(diào)整[M].北京: 中國(guó)電力出版社,2007.

AnalysisoftheHighTemperatureCorrosionAftertheNitrogen-ReductionRenovationfortheBurneroftheBoiler

HU Qingquan，ZHANG Huacong

(Chongqing Hechuan Power Generation Co., Ltd. of SPIC，Chongqing401536，P.R.China)

This paper analyzes the causes of the high temperature corrosion of the water cooled wall and introduces the surface spraying for it with different types of burners．Such measures as the optimization of the ways of air distribution based on operation conditions of the unit，reasonable combustion organization and the improvement of the air composition near the wall can keep down the formation and development of the high temperature corrosion as well as enhancing the security and reliability of the boiler．

boiler；water cooled wall；high temperature corrosion；preventive measures

TK223.25

A

1008- 8032(2017)05- 0032- 03

2016-11-03

該文獲重慶市電機(jī)工程學(xué)會(huì)2016年學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文三等獎(jiǎng)。

胡慶權(quán)(1964-)，高級(jí)工程師，主要從事火電廠鍋爐技術(shù)管理工作。