鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因分析及解決措施

李 強

（大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春 130012）

0 引言

隨著國家環(huán)保政策的日趨嚴格，電廠鍋爐NOx排放標準為不高于50 mg／m3，鍋爐采用空氣分級和燃料分級相結合的設計理念，主燃區(qū)過量空氣系數較低，導致主燃區(qū)缺氧燃燒，還原性氣氛增加，同時燃燒中高硫煤時，容易引起水冷壁管壁發(fā)生高溫腐蝕，嚴重影響鍋爐安全運行［1］。

1 鍋爐概況

某電廠2×350 MW 機組鍋爐為超臨界、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π 型鍋爐，采用前后墻對沖燃燒方式，共布置6 層燃燒器，每層4 支燃燒器，共24 支。制粉系統(tǒng)采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)。設計及校核煤質參數見表1。

表1 煤質參數

2 問題描述

該廠1 號鍋爐運行投產1 年后，在機組停爐檢修時，發(fā)現鍋爐兩側墻從中層燃燒器至燃盡風之間水冷壁存在非常嚴重的高溫腐蝕，如圖1 所示，尤其是最上層燃燒器至燃盡風之間區(qū)域的水冷壁中心線兩側各3 m 范圍內。通過割管取樣進行壁厚測試，發(fā)現爐內側最薄處為5.28 mm，爐外側最薄處為7.36 mm，所割管樣本爐內側平均壁厚5.61 mm，爐外側平均壁厚為7.40 mm，管壁平均減薄1.79 mm，嚴重影響鍋爐的經濟和安全運行。

圖1 水冷壁高溫腐蝕

3 高溫腐蝕原因分析

通過檢查發(fā)現，爐膛腐蝕區(qū)域的水冷壁表面有層狀物，容易剝落，并且水冷壁表面不清潔，有較多的煤粉和灰粘污。對水冷壁腐蝕垢樣進行化驗分析，腐蝕產物的成分分析結果見表2。

表2 腐蝕產物質量分數 %

從表2 中可以看出，腐蝕產物中鐵、硫含量較高，并結合腐蝕產物多為疏松易剝落的層狀物，成分為主要的鐵硫化物、鐵氧化物，判定為還原性氣氛下典型的硫化物腐蝕。其腐蝕原因基本上都與H2S 氣體以及腐蝕區(qū)域的還原性氣氛有關，腐蝕產物主要是鐵的氧化物與硫化物［2-3］。硫化物型高溫腐蝕產生的根源在于煤粉在缺氧條件下燃燒時生成了原子態(tài)硫和硫化物（H2S），而后與金屬基體鐵及鐵的氧化物發(fā)生反應生成鐵的硫化物。盡管水冷壁煙氣側由于高溫形成3 層連續(xù)的具有保護性的氧化膜，由外向內依次為Fe2O3—Fe3O4—FeO，但生成的S 對金屬氧化膜仍具有破壞作用，可以直接以滲透的方式穿過氧化膜，使內部硫化，同時使氧化膜疏松、開裂、甚至剝落［4］。

4 燃燒調整優(yōu)化

4.1 實際燃用煤質

鍋爐設計煤質為中硫分、低揮發(fā)分的劣質煙煤，實際運行過程燃用的煤質為低硫分、高揮發(fā)分的優(yōu)質煙煤。實際燃煤統(tǒng)計與設計煤質對比分析如表3 所示。

表3 煤質對比分析

對設計煤質和實際燃用煤質對比分析，實際燃用煤質收到基硫分較低，揮發(fā)分較高，著火溫度低，燃盡距離短，降低了不完全燃燒和火焰刷墻的概率，排除由于煤質偏離設計煤質引起的高溫腐蝕。

4.2 燃燒器內、外二次風門調整

在燃燒調整時發(fā)現，每層4 個燃燒器的內外二次風門擋板開度情況為中間兩個燃燒器的開度較大，靠近兩側墻的兩個燃燒器的開度相對較小，通過分析前后墻對沖燃燒鍋爐二次風箱內二次風分配的規(guī)律，每層風箱靠近中間位置靜壓高，進入燃燒器的二次風量相對較大，靠近兩側位置動壓大，靜壓低，進入燃燒器的二次風量也相對較低。根據該原則，將每層風箱中間兩個燃燒器的內外二次風擋板開度減小，兩側燃燒器內外二次風擋板開度全開，以此增加從兩側燃燒器進入爐膛的二次風量，降低爐膛兩側墻的還原性氣氛，減輕高溫腐蝕現象。該對比試驗在350 MW 負荷下進行。不同燃燒器二次風門開度方式的對比試驗工況見表4。表中只列出A 層燃燒器的二次風門開度，其余5 層與A 層開度相同。

試驗中保證爐膛出口氧量約3.5%，排除由于運行氧量過低導致的還原性氣氛引起高溫腐蝕。試驗時通過安裝在兩側墻的氣氛測點測量水冷壁近壁區(qū)的還原性氣氛。

表4 試驗工況參數（二次風門開度） %

4.3 結果與分析

鍋爐兩側墻水冷壁的煙氣取樣點如圖2 所示。表5 給出了兩種不同工況下兩側墻近壁區(qū)的煙氣成分。從表中可以看出，燃燒調整前后爐膛兩側墻水冷壁近壁區(qū)的氧量都在1%以下，煙氣中CO 體積分數雖然有些下降，但仍達到25 000～50 000 μL／L，處在較高的水平，不足以改變側墻水冷壁近壁區(qū)的還原性氣氛。當近壁煙氣中CO 體積分數較高時，煙氣處于強還原性氣氛，H2S 的體積分數也會迅速增加，極易造成水冷壁高溫腐蝕。

圖2 水冷壁側墻煙氣取樣點示意

通過試驗中對不同工況下爐膛兩側墻的煙氣成分分析得知，通過燃燒調整并不能有效地緩解鍋爐兩側墻的還原性氣氛，必須通過改造的方式，引入貼壁風來改變爐膛兩側墻近壁區(qū)的還原性氣氛，達到解決高溫腐蝕的目的。

表5 不同工況下側墻近壁區(qū)煙氣成分

5 數值模擬分析

為了更加深入地分析墻式對沖鍋爐低氮燃燒時兩側墻水冷壁產生高溫腐蝕的原因，針對燃燒調整試驗的兩工況進行了數值模擬，并對增加貼壁風改造進行了模擬對比分析，增加貼壁風改造選擇前后墻射流型方式和側墻壁面型貼壁風結合的方案，3個模擬工況：工況1（即試驗工況1）、工況2（試驗工況2）和工況3（增加貼壁風改造）。對比分析了兩側墻水冷壁近壁區(qū)的O2、CO 和H2S 體積分數分布，具體見圖3—5。

對比發(fā)現，工況2 中雖然靠近兩側墻的燃燒器二次風門開度較大，進入燃燒器的二次風較大，但是并不足以改變側墻的氧量較低的現象，盡管兩側墻的CO濃度有所下降，但是CO 體積分數仍處于25 000 μL／L 以上，屬于較強的還原性氣氛，且兩側墻的H2S 濃度并沒有較大改善。

圖3 各工況下水冷壁近壁區(qū)O2分布

圖4 各工況下水冷壁近壁區(qū)CO 分布

圖5 各工況下水冷壁近壁區(qū)H2S 分布

工況3 是在工況2 的基礎上增加貼壁風系統(tǒng)，從圖3—5 可以看出，通過增加貼壁風系統(tǒng)后，兩側墻的氧量能夠達到3%～5%，CO 體積分數降低到10 000 μL／L 以下，同時H2S 體積分數也大幅下降，基本消除了兩側墻的還原性氣氛，起到解決高溫腐蝕的效果。

6 結語

前后墻對沖燃燒鍋爐低氮燃燒時，兩側墻存在較強的還原性氣氛，容易出現嚴重的高溫腐蝕，通過燃燒調整，增加靠近兩側墻的燃燒器的二次風風量，對緩解側墻的還原性氣氛沒有明顯效果。數值模擬結果與實測結果吻合度較好，表明只通過燃燒調整并不能很好地解決前后墻對沖燃燒鍋爐兩側墻存在的高溫腐蝕現象。

通過數值模擬分析，增加貼壁風系統(tǒng)，能夠很好地解決爐膛兩側墻的還原性氣氛，對下一步技術改造起指導作用。