基于燃燒試驗(yàn)的水冷壁高溫腐蝕誘因分析

郭 光，陳石凌，付金龍，董光明，朱偉雄

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，浙江杭州 310015）

0 引言

某電廠4#鍋爐為SG-420/140-M415型煤粉直流燃燒鍋爐，1984年投產(chǎn)。運(yùn)行3 a后發(fā)生首次水冷壁爆管故障，爆管位置位于北墻水冷壁，半個(gè)月后，北墻水冷壁第二次爆管，南墻水冷壁也發(fā)生爆管。更換水冷壁后恢復(fù)正常。運(yùn)行12 a后西墻出現(xiàn)第一次爆管，之后又開始換至東墻。至今已多次發(fā)生爆管現(xiàn)象，每次小修時(shí)都要更換大量水冷壁，檢修工作量大，影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

爆管的水冷壁管均由高溫腐蝕引起，高溫腐蝕的水平位置都在一次風(fēng)火焰的向火側(cè)，垂直位置在燃燒器下兩層一次風(fēng)偏上位置。

為從根本上解決高溫腐蝕問題并達(dá)到鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃的要求，對(duì)燃燒器及其燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造。為了解4#爐存在的問題，提出合理的改造方案，配合某大學(xué)燃料利用研究所對(duì)4#爐進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)，同時(shí)為便于比較，對(duì)5#爐進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

1 4#鍋爐主要參數(shù)

（1）鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)。額定出力420 t/h，過熱器出口蒸汽壓力13.72 MPa，過熱蒸汽溫度540℃，再熱蒸汽流量350 t/h，給水溫度240℃，再熱蒸汽進(jìn)口壓力2.5 MPa，再熱器出口蒸汽壓力2.4 MPa，熱風(fēng)溫度345℃，冷風(fēng)溫度20℃，排煙溫度135℃，鍋爐設(shè)計(jì)效率91.06%。

（2）燃料特性。碳含量54.62%，氫含量3.38%，氧含量5.64%，氮含量1.1% ，硫含量0.45%，灰分27.81% ，全水分含量7%，干燥無灰基揮發(fā)分21%，低位熱值20 930 kJ/kg。

（3）燃燒器特性。燃燒器為直流式4角布置，下兩層一次風(fēng)集中布置。從下到上噴口布置分別為二、一、一、二、一、二、二、三次風(fēng)（圖1），3層一次風(fēng)噴口都設(shè)計(jì)有周界風(fēng)（平時(shí)運(yùn)行基本不開周界風(fēng)）。4角燃燒器為雙切圓布置，1#，3#角燃燒器假想切圓直徑200 mm，2#，4#角燃燒器假想切圓直徑800 mm（圖2）。

圖1 燃燒器噴口布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 4#爐和5#爐對(duì)比試驗(yàn)

某電廠5#爐與4#爐為同型號(hào)鍋爐，但5#爐基本沒有高溫腐蝕。5#爐與4#爐的主要區(qū)別：①采用了上下布置的濃淡燃燒器；②鍋爐運(yùn)行中開周界風(fēng)；③中下二次風(fēng)正偏17°。

圖2 4角切圓示意

為深入了解4#爐高溫腐蝕的原因，為改造提供依據(jù)，在各種不同的工況，對(duì)5#爐在相對(duì)4#爐發(fā)生高溫腐蝕同樣的位置（上一次風(fēng)燃燒器向火側(cè)）進(jìn)行測(cè)量（表1），鍋爐運(yùn)行工況為負(fù)荷125 MW，雙磨運(yùn)行，開周界風(fēng)。4#爐上、下一次風(fēng)燃燒器區(qū)域水冷壁附近煙氣分析見表2，運(yùn)行工況為鍋爐負(fù)荷125 MW，雙磨運(yùn)行，關(guān)周界風(fēng)。

分析表1、表2數(shù)據(jù)可知，水冷壁附近還原性氣氛很強(qiáng)是水冷壁高溫腐蝕的主要原因。5#爐2個(gè)燃燒器背火側(cè)的O2達(dá)到10%以上，2個(gè)燃燒器向火側(cè)的O2也達(dá)6%以上，同時(shí)H2S在背火側(cè)和向火側(cè)都只有（1～2）mg/m3，因此基本不會(huì)產(chǎn)生高溫腐蝕。而4#爐燃燒器背火側(cè)O2達(dá)15.8%，H2S為9.06 mg/m3，因此也不會(huì)發(fā)生高溫腐蝕，但在燃燒器向火側(cè)O2只有0.9%，H2S達(dá)65.45 mg/m3，同時(shí)CO高達(dá)3.9×10-2，強(qiáng)烈的還原性氣氛生成了水冷壁管高溫腐蝕的條件。4#爐和5#爐在燃燒器附近測(cè)出的溫度比較接近并且在正常范圍，說明爐溫對(duì)高溫腐蝕的影響不大。

表1 5＃爐上一次風(fēng)燃燒器區(qū)域水冷壁附近煙氣分析

表2 4＃爐上、下一次風(fēng)燃燒器區(qū)域水冷壁附近煙氣分析

4#爐的煙氣分析數(shù)據(jù)（表2）顯示，在上層1#，3#角燃燒器的背火側(cè)氧量較大（分別為17.6%和15.8%），CO2和H2S含量都很低，而燃燒器向火側(cè)氧量非常?。ㄉ蠈訛?.3%和0.8%，下層為1.36%和 4.57%），同時(shí) CO 濃度很高（2#角高達(dá) 5.5×10-2，4#角高達(dá)4.8×10-2，存在很強(qiáng)的還原性氣氛，同樣是向火側(cè)，2#角的H2S含量（21.24 mg/m3）遠(yuǎn)大于 4#角（0.57 mg/m3）,在實(shí)際運(yùn)行中 2#角的高溫腐蝕也大于4#角。因此，不僅CO等還原性氣氛生成了水冷壁高溫腐蝕的條件，其中H2S含量影響高溫腐蝕的速度。對(duì)4#角下層一次風(fēng)燃燒器向火側(cè)煙氣分析表明，下層燃燒器向火側(cè)雖然氧量很低、CO很高，但H2S含量不高，因此4#角下層燃燒器向火側(cè)水冷壁高溫腐蝕不嚴(yán)重。

2.2 制粉系統(tǒng)啟停對(duì)爐內(nèi)氣氛的影響

表3為5#爐2#角向火側(cè)（上排一次風(fēng)）試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中保持爐膛出口氧量基本不變。表4為4#爐4#角向火側(cè)（上排一次風(fēng)）試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于測(cè)量儀器CO量程只有2×10-3，因此試驗(yàn)中超過2×10-3時(shí)測(cè)不到具體數(shù)值。

試驗(yàn)結(jié)果表明，制粉系統(tǒng)的啟、停對(duì)爐內(nèi)氣氛有一定影響，但影響不大。其原因是雖然停磨后三次風(fēng)量要由二次風(fēng)加大風(fēng)量代替，然而原來三次風(fēng)中的煤粉量也要由一次風(fēng)加大給粉量來補(bǔ)充。因此，燃燒的氧量變化不大。5#爐停磨后O2增加2.4%，CO下降3×10-4，4#爐停磨后O2增加1.3%，CO的變化受儀表量程限制沒有測(cè)出。

2.3 周界風(fēng)對(duì)爐內(nèi)氣氛的影響

表5為4＃爐4＃角向火側(cè)（下排一次風(fēng)）試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表6為5＃爐2＃角向火側(cè)（上排一次風(fēng)）試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)果顯示，周界風(fēng)的開、關(guān)對(duì)爐內(nèi)氣氛有一定的影響。如4＃爐開周界風(fēng)后在測(cè)點(diǎn)處O2增加2.5%，5＃爐關(guān)周界風(fēng)后測(cè)點(diǎn)處O2減少2.6%，說明高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)開周界風(fēng)有利于減弱水冷壁附近還原性氣氛，減輕水冷壁高溫腐蝕。

表3 5#爐的2#角向火側(cè)（上排一次風(fēng)）試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 4#爐4#角向火側(cè)（上排一次風(fēng)）試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 4#爐4#角向火側(cè)（下排一次風(fēng)）試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 5#爐2#角向火側(cè)（上排一次風(fēng)）試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 一次風(fēng)率、二次風(fēng)率、三次風(fēng)率分析

根據(jù)鍋爐效率和入爐煤煤質(zhì)分析以及爐膛過?？諝庀禂?shù)，計(jì)算出鍋爐給煤量68.69 t/h，取爐膛漏風(fēng)系數(shù)為5%，得出4#爐在額定負(fù)荷時(shí)總風(fēng)量為426 235.7 m3/h，實(shí)際運(yùn)行測(cè)出的一次風(fēng)率r1=22.56%，二次風(fēng)率r2=57.43%，三次風(fēng)率r3=20.32%。風(fēng)量分配與原設(shè)計(jì)參數(shù)相差不大，（原設(shè)計(jì)r1=23.58% r2=60.92%r3=15.5%）。三次風(fēng)量略大，燃用煤種基本合理。

3 結(jié)論

（1）造成燃燒器向火側(cè)高溫腐蝕的原因是產(chǎn)生腐蝕的區(qū)域存在強(qiáng)烈的還原性氣氛，特別是當(dāng)H2S含量較高時(shí)，加速高溫腐蝕過程。

（2）4#爐上排一次風(fēng)燃燒器向火側(cè)水冷壁高溫腐蝕由上游一次風(fēng)尾跡造成，估計(jì)上游一次風(fēng)尾跡有沖刷水冷壁的情況。另外，燃燒器一次風(fēng)向火側(cè)的提前著火消耗一部分氧量，加重還原性氣氛。

（3）開周界風(fēng)有利于增大爐內(nèi)燃燒區(qū)的氧量，增強(qiáng)一次風(fēng)剛性，減弱高溫腐蝕區(qū)域的還原性氣氛，減緩高溫腐蝕。

（4）停磨運(yùn)行時(shí)，由于二次風(fēng)增大，爐內(nèi)燃燒區(qū)域的氧量也增大，有利于減弱還原性氣氛。因此，適當(dāng)減少三次風(fēng)量，增大二次風(fēng)量有利于減緩高溫腐蝕。

（5）4#爐一、二次風(fēng)率基本合理，三次風(fēng)率偏大一些。

（6）建議改造燃燒器及有關(guān)燃燒系統(tǒng)，從根本上解決高溫腐蝕以達(dá)到低負(fù)荷穩(wěn)燃的目的。