風(fēng)膜式貼壁風(fēng)防止鍋爐水冷壁高溫腐蝕的有效性分析

喬印杰

摘 要：我國很多大型燃煤發(fā)電站使用的鍋爐存在鍋爐水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象，因?yàn)榇蟛糠皱仩t采用低氮燃燒系統(tǒng)。水冷壁高溫腐蝕的根本原因是煤中硫含量高，未燃盡煤粉沖刷水冷壁，形成局部還原性氣體，使得鍋爐腐蝕。而使用風(fēng)膜式貼壁風(fēng)就可以很好地防止還原性氣氛的出現(xiàn)，以免鍋爐被腐蝕。

關(guān)鍵詞：水冷壁;貼壁風(fēng);高溫腐蝕

中圖分類號(hào)：TK228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）17-0127-04

Analysis of the Effectiveness of the Wind-film Wall-attached Wind to Prevent the High Temperature Corrosion of the Boiler Water Wall

QIAO Yinjie

（Henan Jingneng Huazhou Thermal Power Co.， Ltd.，Anyang Henan 456400）

Abstract： Many boilers used in large coal-fired power plants in China have high-temperature corrosion of the boiler water wall， because most boilers use low-nitrogen combustion systems. The root cause of high temperature corrosion of water wall is the high sulfur content in coal， unburned coal powder scours the water wall and forms local reducing gas， which makes the boiler corrode. The use of wind-membrane wall-mounted wind can well prevent the appearance of a reducing atmosphere to prevent the boiler from being corroded.

Keywords： water wall;wall-attached wind;high temperature corrosion

我國主要能源是燃煤，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民用電需求越來越高，但是燃煤大型電站會(huì)帶來嚴(yán)重污染。為了解決污染問題，燃煤發(fā)電站更改了燃燒煤方式，采用旋流風(fēng)和燃盡風(fēng)將煤完全燃燒，采用送熱風(fēng)并使用螺旋式風(fēng)將空氣送出，減少污染物NOx的產(chǎn)生量。但是，這種方式會(huì)導(dǎo)致鍋爐水冷壁附近積聚大量的CO、SO2等還原性氣體，導(dǎo)致發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。我國原煤中含有大量硫化物，而硫化物又是使得鍋爐被腐蝕的根本原因。為了解決這個(gè)問題，人們研發(fā)出貼壁風(fēng)裝置，顧名思義，貼壁風(fēng)就是在被腐蝕的鍋爐壁附近安裝一些通風(fēng)裝置，然后通入空氣來改變鍋爐壁附近的還原性氣體過多現(xiàn)象，防止高溫引發(fā)腐蝕現(xiàn)象[1-2]。

1 鍋爐水冷壁高溫腐蝕原理

鍋爐水冷壁的高溫腐蝕現(xiàn)象如圖1所示，研究發(fā)現(xiàn)，鍋爐壁腐蝕區(qū)域表面由很多層污垢組成，這種污垢容易掉落并且很臟，從腐蝕物成分分析可以發(fā)現(xiàn)，鐵、硫等元素占絕大多數(shù)。根據(jù)化學(xué)原理可以得出，硫元素在高溫下與鍋爐壁中鐵元素發(fā)生反應(yīng)，最后導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象。下面進(jìn)行具體分析。

鍋爐壁遇到高溫，其中含的鐵與控制環(huán)境中的氧元素發(fā)生氧化反應(yīng)而生成Fe2O3，鍋爐中的一些灰塵和顆粒物在鍋爐壁附近形成一層薄膜狀物體。

通常，我國原煤含有較多S元素，因此燃燒后會(huì)形成一些S元素和堿性金屬元素。這些元素在高溫下會(huì)升華成氣體，然后附著在鍋爐壁的薄膜狀物體上。如果它們與空氣中煤燃燒釋放的含S氣體結(jié)合而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽。具體反應(yīng)如式（1）至式（4）所示。

當(dāng)繼續(xù)加熱時(shí)，硫酸鹽不斷增加，會(huì)逐漸附著在鍋爐壁上，使得鍋爐壁熔點(diǎn)變低，逐漸破壞Fe2O3產(chǎn)生的那層薄膜。相關(guān)反應(yīng)為：

當(dāng)Fe2O3產(chǎn)生的那層薄膜被破壞后，鍋爐壁便會(huì)與[Na3FeSO43、K3FeSO43]產(chǎn)生反應(yīng)，最后導(dǎo)致鍋爐壁中的Fe金屬被一步步消耗。具體反應(yīng)如下：

新產(chǎn)生的硫酸鹽不斷循環(huán)往復(fù)，鍋爐壁中的Fe金屬被一步步腐蝕。

鍋爐中，金屬元素不斷消耗腐蝕，而且在高溫下，灰塵終會(huì)掉下去，使Na3Fe（SO4）3和[K3FeSO43]暴露在鍋爐中的高溫下，產(chǎn)生新的SO3氣體以及硫酸鹽。有關(guān)反應(yīng)如下：

如此不斷循環(huán)下去，最終腐蝕鍋爐壁。

在鍋爐中處理硫酸鹽會(huì)腐蝕鍋爐壁，產(chǎn)生的硫化物也會(huì)腐蝕鍋爐壁。煤中含有的FeS2經(jīng)過加熱會(huì)分解出FeS和S原子兩種物質(zhì)，鍋爐內(nèi)空氣中的H2S和SO2反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生S原子。具體反應(yīng)為：

由于鍋爐中的溫度高，并且處于還原性氣體氛圍的水冷壁會(huì)產(chǎn)生Fe，與S原子反應(yīng)產(chǎn)生FeS，因此FeS遇到氧氣后產(chǎn)生氧化反應(yīng)，形成四氧化三鐵，繼續(xù)腐蝕鍋爐壁。相關(guān)反應(yīng)為：

由于我國煤中硫元素主要以硫化物的形式存在，因此鍋爐水冷壁的高溫腐蝕主要因素是硫化物，由式（1）至式（14）可以推出，鍋爐水冷壁的高溫腐蝕，區(qū)域應(yīng)該是高溫區(qū)域。原因是這個(gè)區(qū)域還原性氣體多，使用的旋流對(duì)沖燃燒方法會(huì)使附近有很多沒有燃燒完全的煤粉。

2 防止鍋爐水冷壁高溫腐蝕的方法

鍋爐水冷壁出現(xiàn)高溫腐蝕的主要原因是煤中含有的硫元素在高溫條件會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。因此，鍋爐高溫腐蝕最主要的內(nèi)因就是煤種，為了防止鍋爐水冷壁的高溫腐蝕，首先要考慮煤種，明確煤的主要組分。

目前，最原始的防治方法是控制還原性氣體的產(chǎn)生位置，通過工作人員的操作，將還原性氣體與鍋爐水冷壁的位置錯(cuò)開，盡量不讓兩者產(chǎn)生接觸。但是，這種方法過度依賴人工操作且不好控制，所以已經(jīng)慢慢被淘汰。

美國發(fā)明了一種用噴涂材料來防止腐蝕的方法，將耐高溫、耐腐蝕的材料噴在水冷壁上進(jìn)行保護(hù)。但是，耐高溫、耐腐蝕材料的費(fèi)用昂貴，不適合普遍使用，但是這種方法從源頭上保護(hù)了鍋爐壁，效果非常好。

噴涂法可以很好地保護(hù)水冷壁，但是價(jià)格昂貴，因此人們想出一種替代方法，也就是使用一些耐高溫、耐腐蝕的材料，用其構(gòu)造水冷壁，將其與鐵摻雜一起制作鍋爐壁，減緩鍋爐壁腐蝕速度，但是這種材料建造的鍋爐壁強(qiáng)度不夠，容易損壞。

最后就是本文討論的貼壁風(fēng)法，它可以有效防止鍋爐水冷壁腐蝕。通過分析水冷壁腐蝕產(chǎn)生的根本原因，人們提出了這種方法，在水冷壁附近安裝一個(gè)貼壁風(fēng)裝置，讓其吹風(fēng)，不斷地利用新鮮空氣去除還原性氣體，形成空氣保護(hù)罩，也可以阻攔灰塵等雜質(zhì)附著在水冷壁上，從源頭上避免化學(xué)反應(yīng)。這種方法投入少而且效果良好，實(shí)用性強(qiáng)。

3 貼壁風(fēng)法有效性分析

目前來說，貼壁風(fēng)是解決鍋爐水冷壁腐蝕的較為普遍的方法，這種方法使用簡單，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

貼壁風(fēng)法的最開始結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，鍋爐壁上開個(gè)簡單的縫隙讓空氣進(jìn)入，解決鍋爐內(nèi)還原性氣體過多的問題，方法簡單，但是不容易控制風(fēng)量。

如圖2（b）所示，貼壁方法是在鍋爐上開個(gè)小孔，然后在水冷壁上安裝小風(fēng)帽，開始時(shí)安裝的小風(fēng)帽結(jié)構(gòu)不適合，導(dǎo)致容易燒毀，后續(xù)改進(jìn)小風(fēng)帽安裝方式和大小，使之呈流線型，緊貼水冷壁外側(cè)。這種方法占用的風(fēng)量少，不會(huì)破壞鍋爐內(nèi)燃燒效果，并且安裝在水冷壁外側(cè)，不易燒毀且效果非常好，可以大大減小腐蝕率[3]。這種安裝方式方便進(jìn)行清灰操作，安裝時(shí)就能夠達(dá)到阻擋鍋爐內(nèi)灰塵的功效，在出風(fēng)時(shí)進(jìn)行吹灰操作，一舉多得。

4 進(jìn)風(fēng)方式及貼壁風(fēng)對(duì)鍋爐貼壁氣體的影響分析

4.1 數(shù)學(xué)模型

在鍋爐工作時(shí)，煤粉通過分步組合操作而產(chǎn)生能量，具體流程有：輸運(yùn)顆粒相，加大鍋爐的熱量，使得煤粉能夠充分燃燒，一些對(duì)應(yīng)的物質(zhì)一起參加反應(yīng)，產(chǎn)生大量的輻射和熱量，完成氮氧化物等生成和還原過程。本文用四角切圓鍋爐作為試驗(yàn)對(duì)象，初步建立了一個(gè)可以模擬鍋爐內(nèi)煤粉的化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

這個(gè)模型主要分析爐內(nèi)氣相湍流流動(dòng)，湍流模型制定了修正的模型;化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，煤粉顆粒在參加反應(yīng)的物質(zhì)中占比不到10%，因此可以采用離散數(shù)學(xué)模型來模擬煤粉運(yùn)動(dòng);雖然部分煤粉在運(yùn)動(dòng)時(shí)隨著流動(dòng)而分離出本體進(jìn)行燃燒，但是雙平行競爭反應(yīng)模型可以反映脫離原本煤粉的那一部分，擴(kuò)散控制燃燒模型可以較好地分析焦炭的燃燒過程，基于混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模型則是分析氣體物質(zhì)燃燒的最佳選擇;氣體與固體之間的相互反應(yīng)也能通過顆粒源項(xiàng)算法來進(jìn)行解析;鍋爐內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的輻射也能通過相應(yīng)的模型來演算。

為了更加詳細(xì)地了解細(xì)微之處的變化，本研究將目標(biāo)區(qū)域細(xì)分為一塊塊比較小的區(qū)域來觀察實(shí)際的過程變化。為了避免計(jì)算中出現(xiàn)誤差而導(dǎo)致量的分析出錯(cuò)，燃燒區(qū)域的設(shè)置和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的方向要保持相同，再將這種設(shè)置細(xì)化，能夠盡量完美地表示出這種反應(yīng)。對(duì)于這種分析，必須加上各種限制條件，限制條件的求解可以構(gòu)建一個(gè)方程式，求解可以采用迭代法，也可以采用其他方法。至于壓力與速度，可用采樣算法進(jìn)行分析。

4.2 模型分析結(jié)果

在進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)，人們需要結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。本次試驗(yàn)采用四角切圓鍋爐作為試驗(yàn)對(duì)象，其間需要采集熱態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，與模型分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。這種試驗(yàn)采用的幾何模型、網(wǎng)格劃分和數(shù)學(xué)模型能夠盡可能地反映鍋爐內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的全過程，能分析鍋爐高溫腐蝕工況。根據(jù)實(shí)際觀察結(jié)果和模擬數(shù)據(jù)分析可以得出，水冷壁的高溫腐蝕大致與鍋爐內(nèi)部溫度、物質(zhì)速度、氣體成分和比例有關(guān)。

試驗(yàn)分析表明，貼壁風(fēng)順著鍋爐內(nèi)壁的方向進(jìn)入，可以直接改變水冷壁附近的相關(guān)分布。為了了解不同貼壁風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)水冷壁高溫腐蝕的影響，采用鍋爐內(nèi)壁的某一截面作為參照對(duì)象來進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，通過模型得到的分析數(shù)據(jù)來進(jìn)行比對(duì)分析。這塊截面盡量選在鍋爐內(nèi)的重點(diǎn)燃燒區(qū)域，這樣能夠形成中心對(duì)稱的局面，使得數(shù)據(jù)測(cè)量具有較高的可靠性和普遍性。鍋爐燃燒工作時(shí)，內(nèi)部的氣體會(huì)以逆時(shí)針上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)于選取的這一塊截面而言，氣流都是從左下角流向右上角。

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生的氣體增多，鍋爐內(nèi)部的氣流強(qiáng)度逐漸遞增，貼壁風(fēng)沿壁面方向的穿透力增強(qiáng)。選取的截面上，CD層燃燒器下方氣流的強(qiáng)度和影響面積變得越來越大，但是增加強(qiáng)度是有限制的，而且增加過程較長。貼壁風(fēng)在水冷壁上形成的氣膜遮蔽面積變得越來越多。這種變化會(huì)影響其他貼壁風(fēng)風(fēng)量，例如，隨著這一過程的進(jìn)行，EE層貼壁風(fēng)的風(fēng)量開始慢慢地減小，CD層燃燒器上面氣流的高流速區(qū)域面積大幅度減小，貼壁風(fēng)對(duì)水冷壁的覆蓋能力開始削弱。

貼壁風(fēng)的作用之一是冷卻煙氣，但是在氣流速度變得越來越高的區(qū)域，氧氣稀缺，會(huì)導(dǎo)致不利影響。其中有一個(gè)重要的指標(biāo)——CO含量，CO含量的高低能夠表示煙氣的還原性大小，同時(shí)CO與H2S之間也存在直接關(guān)系。當(dāng)近壁煙氣中CO含量較低（如小于0.03 mol/L）時(shí)，可以認(rèn)為煙氣處于弱還原性或接近中性氣氛狀態(tài)，此時(shí)H2S的含量較低，氧量不足，卻也可以成功地阻止水冷壁發(fā)生高溫腐蝕，大大延長其可用時(shí)限，避免造成更多的經(jīng)濟(jì)損失;如果鍋爐內(nèi)壁的CO濃度較高，煙氣則會(huì)具有較強(qiáng)還原性，如果這時(shí)還產(chǎn)生大量H2S等氣體，則會(huì)加快水冷壁高溫腐蝕。因此，CO濃度變化是水冷壁高溫腐蝕的主要?dú)怏w影響因素。

受本研究對(duì)象四角切圓鍋爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，在主燃區(qū)后面的大部分區(qū)域，較高濃度的CO主要集中在右方。正如前述，選取的截面重點(diǎn)燃燒區(qū)域所產(chǎn)生的氣體成逆時(shí)針上升，而在所選取截面的后方，左邊物質(zhì)進(jìn)入鍋爐內(nèi)部時(shí)大致自左向右流動(dòng)，與煙氣流動(dòng)方向一致。因此，這些物質(zhì)在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的氣流穿透力會(huì)有很大的提升，這樣強(qiáng)的氣流足夠?qū)⑺x取截面上方的還原性氣體吹散。右方進(jìn)入的物質(zhì)速度比左側(cè)進(jìn)來的物質(zhì)的速度小得多，再者，鍋爐內(nèi)部燃燒產(chǎn)生的各種氣體與之方向是相對(duì)的，這樣又會(huì)大大削減它的還原性。

4.3 水冷壁周圍物質(zhì)的分布和濃度

本文采用的貼壁風(fēng)配風(fēng)方式會(huì)影響水冷壁周圍的物質(zhì)分布和濃度，例如選取的截面區(qū)域右方會(huì)有較高的物質(zhì)濃度。由于進(jìn)風(fēng)口進(jìn)去的風(fēng)不會(huì)與鍋爐內(nèi)壁平行，因此一些煤粉顆粒進(jìn)去時(shí)運(yùn)動(dòng)的量較少，這樣就不會(huì)對(duì)鍋爐內(nèi)壁造成沖擊。隨著第一次進(jìn)風(fēng)的結(jié)束，鍋爐內(nèi)反應(yīng)的開始和熱量的增加會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部壓強(qiáng)增大，煤粉和其他物質(zhì)開始沖擊鍋爐內(nèi)壁。另外，受流場(chǎng)的影響，水冷壁的物質(zhì)分布開始出現(xiàn)一些有規(guī)律的分布。之后，CD層貼壁風(fēng)量開始加大，這一層下方的物質(zhì)分布會(huì)因此受到影響而開始減少，與之相反，EE層貼壁風(fēng)量減少，這一層的物質(zhì)分布則會(huì)增加。這會(huì)導(dǎo)致水冷壁周圍的物質(zhì)和氣體出現(xiàn)一定的混合，這些氣體中含有CO。通過這些反應(yīng)，煤粉顆粒含量就會(huì)降低，達(dá)到防止鍋爐壁腐蝕的目的。

5 結(jié)語

本次試驗(yàn)以四角切圓鍋爐作為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行模擬數(shù)值分析和實(shí)際觀察測(cè)量，證明采取的方法對(duì)防止水冷壁高溫腐蝕有一定作用。在水冷壁周圍，鍋爐內(nèi)部燃燒產(chǎn)生的CO具有良好的還原性，這種氣體對(duì)水冷壁的高溫腐蝕作用極小，可以防止鍋爐壁腐蝕。本研究采用的方法能夠使鍋爐內(nèi)部的物質(zhì)充分燃燒，有效減少NOx的排放。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳敏生，廖曉春.600 MW超臨界鍋爐防止高溫腐蝕技術(shù)改造和運(yùn)行調(diào)整[J].中國電力，2018（4）：56-59.

[2]孟凡冉，高暢，金保昇，等.異距貼壁風(fēng)噴口布置方案的數(shù)值模擬[J].化工進(jìn)展，2017（9）：3237-3242.

[3]關(guān)鍵，陳錫炯，項(xiàng)群揚(yáng)，等.配風(fēng)方式及貼壁風(fēng)對(duì)鍋爐貼壁氣氛影響規(guī)律研究[J].電站系統(tǒng)工程，2017（3）：21-26.