對(duì)沖燃燒鍋爐燃用高硫煤的高溫腐蝕防控

王丁

摘 要：高硫煤在我國(guó)儲(chǔ)量豐富且分布廣泛，是重工業(yè)鍋爐的常用燃料之一，因?yàn)槊褐泻?，?dǎo)致鍋爐產(chǎn)生高溫腐蝕現(xiàn)象。高溫腐蝕在鍋爐冷水壁管正面向火側(cè)和燃燒器附近的高溫區(qū)域爐壁內(nèi)表現(xiàn)的最為嚴(yán)重，反復(fù)作用下導(dǎo)致短時(shí)間更換頻繁，甚至發(fā)生爆管事件，為鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)威脅，特別在重工業(yè)任務(wù)繁忙和火電站電力負(fù)荷需求增大的環(huán)境下，發(fā)生安全事故的可能性大大增加。本文從高硫煤在鍋爐中的燃燒原理來(lái)分析高溫腐蝕的產(chǎn)生原因，結(jié)合鍋爐工作原理和具體實(shí)際條件來(lái)提出防控建議。

關(guān)鍵詞：對(duì)沖燃燒；高硫煤；鍋爐高溫腐蝕；防控措施

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）05-0193-01

我國(guó)煤炭資源的儲(chǔ)量中，高硫煤的儲(chǔ)量位居世界第二。不像低硫煤主要分布在東北和華北西北的偏遠(yuǎn)地區(qū)，高硫煤分布廣泛且價(jià)格低廉，是重工業(yè)，火電站鍋爐常備燃料，但對(duì)國(guó)家而言，因其含硫量大于3%，即使使用先進(jìn)的煙氣脫硫技術(shù)，提高脫硫效率也會(huì)排放出含硫化物，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作，引發(fā)嚴(yán)重污染和酸雨現(xiàn)象。但對(duì)于前后墻對(duì)沖鍋爐而言，盡管采用了旋流燃燒器，有助于卷吸高溫?zé)煔?，且火焰行程短，爐內(nèi)熱負(fù)荷較為均勻，按理說(shuō)結(jié)渣和高溫腐蝕更易控制，然而，隨著采用分級(jí)燃燒的方式控制氮氧化物排放，致使主燃燒區(qū)處于缺氧環(huán)境，還原性氣氛下水冷壁區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的高溫腐蝕。

1 燃用高硫煤產(chǎn)生高溫腐蝕現(xiàn)象的原因

歸集各種在燃用高硫煤作用下，水冷壁管壁變薄的情況，由于外壁表面的腐蝕，造成鍋爐運(yùn)行壽命減少，可得出4種造成高溫腐蝕的主要原因：硫單質(zhì)造成的腐蝕，硫化物造成的腐蝕，硫酸鹽造成的腐蝕以及含硫煙氣對(duì)管壁的腐蝕。

1.1 硫單質(zhì)造成的腐蝕

高硫煤在爐內(nèi)燃燒過(guò)程中，第一種情況是黃鐵礦受熱，或者和碳在不完全燃燒的情況下都會(huì)生成硫單質(zhì)，第二種情況是硫化氫自己分解，或者與氧氣，二氧化硫反應(yīng)生成得來(lái)硫單質(zhì)，上訴兩種情況得來(lái)的硫單質(zhì)不會(huì)收到金屬表面保護(hù)層的影響，會(huì)直接侵入水冷壁的氧化膜，致使水冷壁缺少腐蝕保護(hù)，由單質(zhì)硫在高溫環(huán)境下生成的硫化亞鐵，所造成的腐蝕會(huì)使腐蝕層產(chǎn)生不同于一般腐蝕的應(yīng)力，使腐蝕層易碎，隨著燃燒的進(jìn)行，伴隨著爐內(nèi)的氧化性氣體，會(huì)逐漸形成四氧化三鐵。隨著顱內(nèi)燃燒的進(jìn)行，在400℃時(shí)候，二氧化硫的大量產(chǎn)生，對(duì)于硫單質(zhì)的生成起到了催化劑的作用，加速腐蝕的進(jìn)行。

1.2 硫化物造成的腐蝕

對(duì)于硫化物造成的腐蝕，主要指硫化氫的腐蝕。當(dāng)鍋爐內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)小于1時(shí)，由于水冷壁周?chē)目諝獬錆M煙氣，氧氣量不夠，導(dǎo)致高硫煤在無(wú)氧條件下燃燒，生成還原性氣體，形成還原性氣氛。煤質(zhì)中的硫?qū)?huì)以硫化氫的形式析出。伴隨著一氧化碳的大量生成，硫化氫的濃度也迅速升高，特別在水冷壁管的溫度達(dá)到300℃后，硫化氫的腐蝕程度與內(nèi)壁溫度成指數(shù)型變化，硫化氫可輕易穿過(guò)疏密三氧化二鐵層和磁性氧化鐵層，對(duì)水冷壁高溫區(qū)域造成嚴(yán)重腐蝕。但是如果可以控制水冷壁溫度在300℃以下時(shí)，氫化硫腐蝕速度會(huì)很慢甚至可以忽略。

1.3 硫酸鹽造成的腐蝕

由硫化氫與其他堿金屬氧化物反應(yīng)生成的硫酸鹽也是造成鍋爐高溫腐蝕的因素之一，當(dāng)壁溫較高時(shí)無(wú)論是黃鐵礦顆粒到達(dá)壁面還是附近有還原性氣體都會(huì)發(fā)生硫化物腐蝕，由于碳燃燒消耗了大量的氧氣并在還原性氛圍中高溫腐蝕的速度會(huì)大大加快。像氧化鈉和氧化鉀這樣的堿金屬氧化物會(huì)在高溫下升華，加上三氧化鐵的作用，易熔的硫酸鉀和硫酸鈉凝聚在受熱面上，生成的硫酸鈉和硫酸鉀易融，且易沾附煙灰。當(dāng)壁溫高于650℃時(shí)，熔融狀態(tài)下的硫酸鉀和硫酸鈉會(huì)侵蝕管壁，形成金屬?gòu)?fù)合硫酸鹽，形成高溫腐蝕。當(dāng)壁溫低于650攝氏度時(shí)，熔融狀態(tài)的硫酸鈉和硫酸鉀比氣態(tài)硫酸鹽具有更強(qiáng)的腐蝕性。溫度差是促使三氧化鐵和氣態(tài)硫酸鹽腐蝕的因素。

1.4 含硫煙氣對(duì)高溫管壁的腐蝕

導(dǎo)致水冷壁管高溫腐蝕的最后一個(gè)因素就是含硫煙氣，燃燒器周?chē)幕鹧鏈囟冗_(dá)到1500℃左右，由于溫度過(guò)高致使含硫氣體中的礦物成分析出，加上還原性氛圍，同時(shí)在高溫管壁的作用下，根據(jù)腐蝕深度與壁溫關(guān)系圖：每50℃的提升會(huì)加倍腐蝕現(xiàn)象，加快灰質(zhì)積沉，同時(shí)含硫煙氣也存在對(duì)金屬保護(hù)層的磨損和腐蝕劑的消耗。

2 對(duì)高硫煤造成的高溫腐蝕現(xiàn)象的相應(yīng)防控建議

根據(jù)以上對(duì)造成鍋爐燃用高硫煤產(chǎn)生高溫腐蝕分析，針對(duì)問(wèn)題所在，不難發(fā)現(xiàn)要防控高溫腐蝕，就是要從各個(gè)方面減少硫的含量，無(wú)論是硫酸鹽還是硫化物都需要降低它們?cè)阱仩t燃燒中的不利影響，減弱它們對(duì)鍋爐水冷壁的腐蝕性。

2.1 設(shè)計(jì)方面

（1）增加貼壁風(fēng)設(shè)計(jì)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，由于前后墻對(duì)沖燃燒的鍋爐的燃燒器和燃盡風(fēng)均布置在鍋爐的前后墻，致使兩側(cè)墻氧濃度較低，出現(xiàn)還原性氣氛，造成該區(qū)域的高溫腐蝕。通過(guò)增加貼壁風(fēng)，向爐膛側(cè)墻區(qū)域通入空氣，增加了側(cè)墻區(qū)域的局部氧量，改變了該區(qū)域的還原性氣氛，同時(shí)該技術(shù)有助于避免旋流燃燒器貼壁燃燒，貼壁燃燒也會(huì)造成管壁的高溫腐蝕。

（2）增加煙氣成分測(cè)點(diǎn)。在易產(chǎn)生高溫腐蝕的區(qū)域可安裝煙氣成分測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)該區(qū)域煙氣成分，方便指導(dǎo)運(yùn)行人員監(jiān)視調(diào)整。

2.2 設(shè)備維護(hù)方面

定期標(biāo)定氧量值，定期標(biāo)定一次風(fēng)速，定期對(duì)磨煤機(jī)出口孔板進(jìn)行檢查，對(duì)磨損嚴(yán)重的應(yīng)及時(shí)更換，保證煤粉濃度的均勻；定期進(jìn)行風(fēng)門(mén)的開(kāi)度校驗(yàn)，定期檢查磨煤機(jī)分離器工作狀態(tài)，確保煤粉細(xì)度滿足要求。優(yōu)化燃燒器參數(shù)設(shè)置，適當(dāng)削弱主燃燒器外二次風(fēng)旋流，適當(dāng)增強(qiáng)主燃燒器內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)量，減少燃盡風(fēng)風(fēng)量，這些手法都可以減弱水冷壁的還原性氣氛。

2.3 運(yùn)行調(diào)整方面

2.3.1 嚴(yán)格控制給水品質(zhì)

給水品質(zhì)對(duì)鍋爐高溫腐蝕的影響主要體現(xiàn)在水冷壁的管壁溫度條件上。若給水品質(zhì)控制不嚴(yán)，很容易造成水冷壁管內(nèi)結(jié)垢，這樣就會(huì)增加管壁的熱阻，阻礙熱量的傳遞，從而使管壁溫度上升，加速高溫腐蝕的進(jìn)程。因此運(yùn)行時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鍋爐的給水品質(zhì)。

2.3.2 保證煤粉細(xì)度

煤粉細(xì)度對(duì)高溫腐蝕的影響也較為明顯。一方面，若煤粉越粗，則燃盡越困難，因而火焰拖長(zhǎng)，進(jìn)一步燃燒時(shí)，由于缺氧而形成還原性氣氛，造成高溫腐蝕。另一方面，若煤粉越粗，其動(dòng)量也越大，容易直接沖刷水冷壁，磨損將加速水冷壁保護(hù)膜的破壞，使腐蝕介質(zhì)直接與管壁金屬發(fā)生反應(yīng)，從而加速水冷壁高溫腐蝕的過(guò)程。因此，在運(yùn)行中合理降低煤粉細(xì)度。

2.3.3 合理配風(fēng)

配風(fēng)不當(dāng)對(duì)鍋爐水冷壁高溫腐蝕的影響有兩方面：一方面是送風(fēng)不足，使?fàn)t內(nèi)缺氧，形成還原性氣氛，影響水冷壁的高溫腐蝕；另一方面是形成不良的爐內(nèi)的空氣動(dòng)力場(chǎng)，造成一次風(fēng)或切圓偏斜，從而使未燃盡的煤粉顆粒磨損水冷壁以及貼壁燃燒，加速高溫腐蝕的進(jìn)程?？蛇m當(dāng)增加燃燒器區(qū)域的供風(fēng)量，降低上部供風(fēng)量。

2.3.4 提高一次風(fēng)速

一次風(fēng)速提高高，推遲著火，燃燒遠(yuǎn)離燃燒器區(qū)域，避免了燃燒器區(qū)域超溫，有助于減輕高溫腐蝕。

3 結(jié)語(yǔ)

在鍋爐燃用高硫煤的高溫腐蝕問(wèn)題下，由于煤中含硫成分無(wú)法避免，水冷壁壁溫及其附近溫度也不可能降溫在600K以下，因而只有針對(duì)其它方面采取措施。從鍋爐燃燒的內(nèi)部機(jī)理、煤質(zhì)的再處理和抗腐蝕材料的選擇的三個(gè)方面來(lái)考慮，做好鍋爐低溫腐蝕和高溫腐蝕的防護(hù)，是解決鍋爐燃用高硫煤產(chǎn)生腐蝕的根本途徑，同時(shí)我們也應(yīng)該慎重對(duì)待二氧化硫的凈化處理過(guò)程，防止其污染大氣。

參考文獻(xiàn)

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