爐內(nèi)CO測(cè)量在防高溫腐蝕中的應(yīng)用

王鈞為 王中霞 艾俊清

摘? 要：一直以來(lái)，高溫腐蝕是很多火力發(fā)電電站鍋爐的痼疾，在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)法監(jiān)測(cè)和判斷正在運(yùn)行的鍋爐水冷壁是否正在發(fā)生高溫腐蝕，因此運(yùn)行人員也就無(wú)從調(diào)整。等到停爐甚至因腐蝕爆管后，才能在爐膛內(nèi)觀察到高溫腐蝕已發(fā)生，這種被動(dòng)和無(wú)法預(yù)知給鍋爐安全運(yùn)行帶來(lái)很大的安全隱患。該文針對(duì)高溫腐蝕發(fā)生的原因，采用爐內(nèi)水冷壁區(qū)域煙氣中CO的在線測(cè)量技術(shù)，通過(guò)被測(cè)量區(qū)域CO的濃度值與高溫腐蝕的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確認(rèn)爐內(nèi)燃燒是否出現(xiàn)還原性氣氛過(guò)濃或火焰刷墻，并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行調(diào)整，以防止或減輕鍋爐水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電;鍋爐;CO在線監(jiān)測(cè);防高溫腐蝕

中圖分類號(hào)：TM621? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，解決鍋爐在運(yùn)行中的問(wèn)題的方法越來(lái)越多，在以往的燃煤電站鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行人員對(duì)爐內(nèi)燃燒的監(jiān)控基本上只能通過(guò)氧量、鍋爐輸出參數(shù)的變化以及火焰強(qiáng)度來(lái)判斷，但是氧量和鍋爐輸出參數(shù)的變化是爐內(nèi)整體燃燒完成以后所得到的結(jié)果，火焰強(qiáng)度又因?yàn)樵诟邚?qiáng)度燃燒環(huán)境下的“偷看”，不能給運(yùn)行人員提出精準(zhǔn)的調(diào)整參數(shù)依據(jù)?，F(xiàn)代燃煤電站鍋爐的運(yùn)行越來(lái)越強(qiáng)調(diào)安全性和經(jīng)濟(jì)性，這就需要運(yùn)行人員最大程度地掌握爐內(nèi)各層燃燒器的燃燒狀況，以達(dá)到精準(zhǔn)的調(diào)控。

因?yàn)槿狈?duì)爐內(nèi)燃燒狀況的監(jiān)測(cè)手段，運(yùn)行中或者運(yùn)行工況改變時(shí)爐內(nèi)各層燃燒強(qiáng)度如何、火焰是否偏燒或者刷墻，是否各層在設(shè)計(jì)過(guò)?？諝庀禂?shù)下運(yùn)行，均無(wú)從得知，由于運(yùn)行中不能監(jiān)測(cè)，因此水冷壁的高溫腐蝕只能是一個(gè)發(fā)生后甚至引起爆管后才能得知的問(wèn)題，這種情況嚴(yán)重地影響到電力生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。水冷壁高溫腐蝕一般是由于被腐蝕區(qū)域還原性氣氛過(guò)濃導(dǎo)致的，在該區(qū)域燃燒過(guò)于強(qiáng)烈或有火焰刷墻現(xiàn)象，是造成還原性氣氛過(guò)濃，產(chǎn)生高溫腐蝕的直接原因。

隨著科技的發(fā)展，已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)在爐內(nèi)水冷壁附近高溫（800℃）和惡劣環(huán)境下的煙氣的采集和分析，這為監(jiān)測(cè)爐內(nèi)燃燒和高溫腐蝕提供了技術(shù)保障，該文就以基于爐內(nèi)水冷壁附近煙氣中的CO測(cè)量，介紹防止?fàn)t膛水冷壁高溫腐蝕的技術(shù)。

1 水冷壁高溫腐蝕的產(chǎn)生的原因

在燃煤鍋爐中，高溫腐蝕分3種類型：硫酸鹽型、氯化物型和硫化物型。硫酸鹽型腐蝕主要發(fā)生在高溫受熱面上;氯化物型腐蝕主要發(fā)生在大型鍋爐燃燒器高溫區(qū)域的水冷壁管上;硫化物型腐蝕主要發(fā)生在大型鍋爐水冷壁管上。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。

研究表明，國(guó)內(nèi)燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕通常屬于還原性氣氛下的硫化物腐蝕，腐蝕速率和煙氣中的一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）濃度成正比。

硫化物腐蝕的形成：鍋爐的高溫腐蝕和還原性氣氛存在著密切的關(guān)系，有研究表明，這種情況在CO和H2S濃度超過(guò)一定范圍的強(qiáng)還原性氣氛中則更為強(qiáng)烈。CO濃度大的地方，腐蝕就大，由于爐膛內(nèi)局部區(qū)域過(guò)?？諝庀禂?shù)不足，導(dǎo)致該區(qū)域煙氣處于氣氛，CO和H2S大量形成，從而造成硫化腐蝕。

硫化物型高溫腐蝕主要發(fā)生在火焰沖刷水冷壁的情況下。當(dāng)煤中含有黃鐵礦（即硫化鐵FeS2），火焰直接沖刷水冷壁時(shí)，部分未燃盡的煤粉顆粒會(huì)黏附在水冷壁上，硫化鐵由于受熱而分解出游離狀態(tài)的原子硫和硫化亞鐵。在還原性氣體中，游離態(tài)的原子硫可單獨(dú)存在。當(dāng)管壁溫度達(dá)到350℃以上時(shí)，游離態(tài)的原子硫與鐵反應(yīng)生成硫化亞鐵，使管壁受到腐蝕。在爐膛內(nèi)的還原氣氛中，H2S氣體可加快硫化物型高溫腐蝕，并直接腐蝕金屬管壁，其化學(xué)反應(yīng)為

FeO+H2S→FeS+H2O

此外，硫化亞鐵還會(huì)被氧化，形成磁性氧化鐵Fe3O4和SO2，而生成的SO2在飛灰中催化劑的催化作用下，反應(yīng)生成SO3，使煙氣中SO3氣體的含量增加，進(jìn)一步加劇了硫酸鹽型高溫腐蝕，即

3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2。

由此看出，燃煤中含有較多的FeS2，火焰直接沖刷水冷壁和管壁附近為還原性氣氛，是產(chǎn)生硫化物型高溫腐蝕的條件。

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。而氣流擾動(dòng)和較高的燃燒溫度，使煤粉火焰容易刷墻以及水冷壁附近可能出現(xiàn)還原性氣氛，為產(chǎn)生水冷壁高溫腐蝕提供了充分條件。

2 防止水冷壁高溫腐蝕的必要性

燃煤電站鍋爐的高溫腐蝕會(huì)造成爐內(nèi)水冷壁或受熱面腐蝕區(qū)域管壁腐蝕嚴(yán)重，管壁厚度減薄速度加快，嚴(yán)重的運(yùn)行幾個(gè)月到1年之內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)爆管， 導(dǎo)致鍋爐被迫非計(jì)劃停爐并不得不對(duì)被腐蝕區(qū)域換管，嚴(yán)重影響了燃煤電站的安全運(yùn)行，同時(shí)給燃煤電站造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 爐內(nèi)CO在線測(cè)量及調(diào)整的方法

由于H2S在煙氣中的含量域值偏低，一般為0～1 000 ppm，且該數(shù)值受到原煤含硫量的影響較大，而CO的含量只與燃燒本身有關(guān)且域值較大，一般為0～100 000 ppm，且煙氣中的CO值與H2S值的生成和變化均與過(guò)剩空氣系數(shù)相關(guān)，且具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

因此我們采用爐內(nèi)CO測(cè)量的方法來(lái)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)水冷壁的高溫腐蝕狀況。1）在鍋爐的主燃區(qū)的四周向火側(cè)水冷壁，距燃燒器3 000～5 000 mm處鰭片上開孔，裝設(shè)4套CO在線監(jiān)測(cè)裝置。2）根據(jù)該鍋爐腐蝕區(qū)域特性，在易腐蝕區(qū)域水冷壁中心點(diǎn)鰭片處開孔，裝設(shè)CO在線監(jiān)測(cè)裝置。3）將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)從CO在線監(jiān)測(cè)裝置的PLC控制柜接入DCS。4）在DCS鍋爐爐膛畫面組態(tài)，使得CO監(jiān)測(cè)參數(shù)能在畫面相關(guān)位置顯示并設(shè)定報(bào)警參數(shù)。5）在鍋爐啟動(dòng)正常運(yùn)行后進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。確定該區(qū)域正常的CO濃度值與異常CO濃度值，并調(diào)試出調(diào)整CO濃度值的燃燒調(diào)整方法。

4 某電站660 MW鍋爐基于爐內(nèi)CO在線測(cè)量防高溫腐蝕實(shí)例

某電站鍋爐是超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，采用П型布置、單爐膛、改進(jìn)型低NOX分級(jí)送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、墻式切園燃燒方式。爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)、一次中間再熱。過(guò)熱蒸汽調(diào)溫方式以煤水比為主，同時(shí)設(shè)置三級(jí)噴水減溫器;再熱蒸汽主要采用尾部豎井分隔煙道調(diào)溫?fù)醢逭{(diào)溫，同時(shí)燃燒器的擺動(dòng)對(duì)再熱蒸汽溫度也有一定的調(diào)節(jié)作用，在低溫再熱器入口管道上還設(shè)置了事故噴水減溫器。其制粉系統(tǒng)為6臺(tái)正壓直吹中速磨，五運(yùn)一備。

自投運(yùn)以來(lái)，該鍋爐始終存在較為嚴(yán)重的高溫腐蝕現(xiàn)象。且腐蝕區(qū)域比較固定于主燃區(qū)，屬于典型的切圓偏大以及偏燒、火焰刷墻形成的高溫腐蝕，即使經(jīng)過(guò)燃燒器重大改造，高溫腐蝕依然不能消除。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查高溫腐蝕區(qū)域及爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)特點(diǎn)，我們判斷，該腐蝕區(qū)域是由于切圓半徑偏大和火焰偏斜造成的。

為此，我們?cè)诟邷馗g區(qū)域所在的燃燒層，在前后左右四面墻上的向火側(cè)近燃燒器方向安裝了4套CO在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)鍋爐啟動(dòng)且運(yùn)行正常后，我們發(fā)現(xiàn)，在A/B/C/D四臺(tái)磨運(yùn)行的工況下，該區(qū)域4個(gè)測(cè)點(diǎn)的CO濃度并不超標(biāo)，說(shuō)明在400 MW以下負(fù)荷下，其火焰并無(wú)沖刷現(xiàn)象，但在E/F磨啟動(dòng)后，特別是在500 MW負(fù)荷以上，由于上層燃燒器的加入，爐內(nèi)切圓在上部進(jìn)一步擴(kuò)大，其火焰刷墻現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)。

經(jīng)測(cè)量可以看出，在450 MW～550 MW負(fù)荷區(qū)域，前墻A側(cè)測(cè)點(diǎn)CO濃度在500 ppm～70 000 ppm呈脈沖狀波動(dòng)，這說(shuō)明該區(qū)域已出現(xiàn)脈沖性火焰沖刷，在560 MW工況下，前墻A側(cè)在30 000 ppm～100 000 ppm波動(dòng)，前墻B側(cè)在800 ppm～5 000 ppm波動(dòng)，后墻A側(cè)在800 ppm～5 000 ppm波動(dòng)，后墻B側(cè)在300 ppm～900 ppm波動(dòng)，說(shuō)明燃燒偏前墻A側(cè)較為嚴(yán)重，需要調(diào)整該燃燒層的火焰中心位置，一般來(lái)說(shuō)，由于爐膛內(nèi)切圓由下而上逐漸擴(kuò)大，且旋轉(zhuǎn)能力逐漸增強(qiáng)，要改變上層火焰中心位置，往往僅靠該層的二次風(fēng)小風(fēng)門的調(diào)整是不夠的，因?yàn)樵谡{(diào)整過(guò)程中，各個(gè)角的二次風(fēng)開度懸殊過(guò)大，會(huì)造成單個(gè)或2個(gè)燃燒器燃燒狀況惡化，為此，我們以這4個(gè)CO濃度測(cè)點(diǎn)值為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)爐內(nèi)各層二次風(fēng)擋板的整體配風(fēng)調(diào)整、各燃燒器出力調(diào)整、制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整等一系列的燃燒優(yōu)化調(diào)整后，4個(gè)測(cè)點(diǎn)CO 濃度值在560 MW～620 MW負(fù)荷下，基本持平，穩(wěn)定在300 ppm～5 000 ppm。

5 結(jié)論

高溫腐蝕的發(fā)生多是由于偏燒甚至火焰刷墻導(dǎo)致腐蝕區(qū)域還原性氣氛過(guò)高引起的，由于以前我們對(duì)爐內(nèi)具體的燃燒狀況無(wú)法監(jiān)測(cè)，在運(yùn)行中鍋爐是否發(fā)生了高溫腐蝕，該如何調(diào)整，均沒(méi)有1個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)判斷和調(diào)整依據(jù)。隨著科技的發(fā)展，改變了以前對(duì)爐內(nèi)高溫腐蝕不可測(cè)控的困境，通過(guò)爐內(nèi)水冷壁區(qū)域近壁煙氣的抽取和對(duì)煙氣中CO含量的連續(xù)分析測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)各區(qū)域的還原性氣氛的可測(cè)可控。

因此高溫腐蝕也變得可測(cè)可控了，如果我們能在鍋爐主燃區(qū)以及易腐蝕區(qū)域水冷壁安裝CO在線監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)對(duì)所監(jiān)測(cè)區(qū)域的CO濃度的測(cè)量，來(lái)判斷高溫腐蝕狀況，當(dāng)發(fā)生問(wèn)題的時(shí)候，及時(shí)報(bào)警，并通過(guò)切實(shí)可行的燃燒調(diào)整手段，降低該區(qū)域還原性氣氛的濃度，可以達(dá)到防止高溫腐蝕的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]許偉剛，譚厚章，劉原一，等.水冷壁高溫腐蝕傾向判斷及H2S許用濃度研究[J].中國(guó)電力 2018（7）：113.

[2]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（8）：9-11.

[3]吳東亮，劉洪洋.電站鍋爐產(chǎn)生高溫硫腐蝕機(jī)理及預(yù)防措施[J].華北電力技術(shù)，2007（12）：52-53.