某300 MW機(jī)組鍋爐高溫腐蝕原因分析及防范對(duì)策

杜文堯

(大唐清苑熱電有限公司，河北 保定 071000)

2021年4月，某300 MW機(jī)組鍋爐供熱期后檢修期間發(fā)現(xiàn)水冷壁出現(xiàn)較為嚴(yán)重的高溫腐蝕現(xiàn)象，部分水冷壁管腐蝕減薄至3.5 mm，嚴(yán)重影響了鍋爐安全。因而，分析鍋爐高溫腐蝕發(fā)生的機(jī)理，確定造成鍋爐高溫腐蝕的原因，并制定防范高溫腐蝕的對(duì)策，成為保證鍋爐安全運(yùn)行最為迫切的任務(wù)。

1 設(shè)備概況

該300 MW機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的SG-1025/17.5型亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、燃煤汽包爐。鍋爐設(shè)計(jì)燃用煤種為70%陽(yáng)泉煤+30%昔陽(yáng)煤的混煤，校核煤種為70%晉中煤+30%陽(yáng)泉煤的混煤，采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐燃燒器采用水平濃淡強(qiáng)化著火煤粉噴嘴，分A、B、C、D、E 5層四角布置、切向燃燒、擺動(dòng)式燃燒器，燃燒器假想切圓直徑1100 mm，一、二次風(fēng)間隔排列，二次風(fēng)與一次風(fēng)夾角15°，形成“風(fēng)包粉”設(shè)計(jì)。燃燒器配風(fēng)采用大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，共有二次風(fēng)擋板18組，其中分離式燃盡風(fēng)3組，緊湊型燃盡風(fēng)2組，油風(fēng)室3組，二次風(fēng)室4組，煤粉周界風(fēng)室5組。供熱期，該鍋爐基本為滿負(fù)荷運(yùn)行。

該爐于2014年進(jìn)行了燃燒器低氮改造，在大、小修過(guò)程中均未出現(xiàn)水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象。2021年4月檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在水冷壁緊湊型燃盡風(fēng)至最下層分離器式燃盡風(fēng)處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的高溫腐蝕現(xiàn)象。

2 高溫腐蝕原因分析

高溫腐蝕主要分硫酸鹽型和硫化物型2種[1]。其中硫酸鹽型的多發(fā)生于過(guò)熱器、再熱器中，硫化物型的多發(fā)生于鍋爐水冷壁。當(dāng)爐內(nèi)供風(fēng)不足時(shí)，煤中的硫分除了生成SO2、SO3外，還會(huì)由于缺氧生成H2S。H2S可直接與水冷壁中的Fe反應(yīng)生成FeS，進(jìn)而造成鍋爐高溫腐蝕。

2.1 鍋爐設(shè)計(jì)因素分析

該鍋爐設(shè)計(jì)煤種揮發(fā)分為17.99%，著火溫度為770 ℃，鍋爐設(shè)計(jì)爐膛容積熱負(fù)荷為120 kW/m3，較鍋爐選型導(dǎo)則推薦上限值高出20 kW/m3，鍋爐爐膛熱負(fù)荷偏高[2]，且設(shè)計(jì)煤種硫分偏高，存在高溫腐蝕或結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 煤質(zhì)因素分析

煤質(zhì)不過(guò)關(guān)是造成鍋爐高溫腐蝕的主要原因之一。調(diào)查表明，在山東已投運(yùn)的300 MW機(jī)組中，燃用貧煤且采用四角切圓燃燒方式的鍋爐，都或多或少存在高溫腐蝕現(xiàn)象[3]。同煙煤比，貧煤揮發(fā)分低，著火和燃燒困難、燃盡度差，表現(xiàn)在對(duì)高溫腐蝕的影響上則是煤粉火焰拉長(zhǎng)，大量未燃盡煤粉在水冷壁附近聚集，形成還原性氣氛。另外，煤中硫分對(duì)高溫腐蝕的影響也呈正相關(guān)性。

該鍋爐盡管設(shè)計(jì)為貧煤爐，但在開(kāi)展深度配煤摻燒的背景下，歷年來(lái)鍋爐均有摻燒一定比例的煙煤。統(tǒng)計(jì)3個(gè)供熱期鍋爐入爐煤參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 近3個(gè)供熱期鍋爐入爐煤質(zhì)參數(shù)

由表1可見(jiàn)，2020—2021年供熱期鍋爐入爐煤揮發(fā)分同比下降6.62%，揮發(fā)分已接近于設(shè)計(jì)煤種，煙煤摻燒比例同比下降了25%。結(jié)合鍋爐較高的爐膛熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，在供熱期鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行的情況，燃用大量接近于設(shè)計(jì)煤種的貧煤，使鍋爐高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大幅上升。

2.3 鍋爐燃燒工況影響因素分析

鍋爐低氮改造后，爐內(nèi)空氣分級(jí)燃燒，主燃燒區(qū)二次風(fēng)量占比減少，鍋爐嚴(yán)重缺氧燃燒，是造成近年來(lái)鍋爐高溫腐蝕加劇的重要原因之一[4]。統(tǒng)

計(jì)3個(gè)供熱期鍋爐燃燒配風(fēng)的變化見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，2020—2021年供熱期鍋爐主燃燒區(qū)平均二次風(fēng)速下降約5～6 m/s，分離式燃盡風(fēng)風(fēng)速提高約15 m/s，主燃燒區(qū)風(fēng)量比例下降約20%～27%，在主燃燒區(qū)二次風(fēng)量顯著減少的情況下，鍋爐出口NOx質(zhì)量濃度仍同比上升較多。在較低的主燃燒區(qū)風(fēng)速下，一方面有可能產(chǎn)生較多的還原性氣體，另一方面有可能造成一、二次風(fēng)風(fēng)粉分離，2種因素均會(huì)加劇鍋爐高溫腐蝕。

表2 近3個(gè)供熱期鍋爐燃燒配風(fēng)參數(shù)

2.4 煤粉細(xì)度影響因素分析

煤粉太粗，將導(dǎo)致火焰拖長(zhǎng)，同時(shí)影響煤粉燃盡，未燃盡煤粉在水冷壁附近聚集，會(huì)加劇鍋爐高溫腐蝕。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，貧煤的煤粉細(xì)度R90應(yīng)控制在8%～12%[5]，以保證良好的燃燒經(jīng)濟(jì)性。

該鍋爐配套設(shè)計(jì)中速直吹式制粉系統(tǒng)，為ZGM-

95N-1型磨煤機(jī)，保證煤粉細(xì)度R90為15%～40%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該鍋爐煤粉細(xì)度R90最低為12%，最高達(dá)25%以上。在燃用大量貧煤情況下，鍋爐在此煤粉細(xì)度下燃燒，無(wú)疑會(huì)使燃燒工況惡化。

2.5 水冷壁管內(nèi)部結(jié)垢影響因素分析

水冷壁內(nèi)部結(jié)垢，使水冷壁熱阻上升，影響水冷壁表面溫度上升。試驗(yàn)表明，當(dāng)水冷壁管內(nèi)部垢量每上升100 mg/m3，水冷壁表面溫度上升40～50 ℃。水冷壁割管垢量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 鍋爐水冷壁割管垢量統(tǒng)計(jì) 單位：mg/m3

由表3可見(jiàn)，鍋爐水冷壁垢量逐年上升，當(dāng)垢量上升至250 mg/m3時(shí)，應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗工作，以降低鍋爐高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

3 防范對(duì)策

a.根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)以及低氮改造情況，重新核定鍋爐適燒煤種，燃用煤質(zhì)應(yīng)綜合考慮煤粉細(xì)度、鍋爐NOx排放等因素，從根本上解決主燃燒區(qū)二次風(fēng)速偏低的問(wèn)題，避免鍋爐主燃燒區(qū)嚴(yán)重缺氧燃燒。

b.利用機(jī)組檢修，檢查各燃燒器磨損、燒損情況，并進(jìn)行鍋爐冷態(tài)動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)，保證鍋爐爐內(nèi)脫氮性能。

c.利用機(jī)組檢修，對(duì)水冷壁高溫區(qū)域進(jìn)行防腐噴涂。

d.按照化學(xué)監(jiān)督要求，做好鍋爐化學(xué)清洗工作，避免水冷壁嚴(yán)重結(jié)垢。運(yùn)行中，做好鍋爐排污工作，保證汽水品質(zhì)合格。

e.對(duì)制粉系統(tǒng)進(jìn)行一次風(fēng)熱態(tài)調(diào)平，避免鍋爐主燃燒區(qū)四角煤粉不勻，局部煤粉濃度過(guò)高，造成缺氧燃燒。

f.細(xì)化配煤摻燒工作，高負(fù)荷工況，避免高硫煤在相鄰層進(jìn)行摻燒；控制入爐煤熱值，避免爐膛熱負(fù)荷過(guò)高。

g.加強(qiáng)煤粉細(xì)度指標(biāo)監(jiān)督，當(dāng)煤粉細(xì)度過(guò)高時(shí)，及時(shí)分析原因，進(jìn)行燃燒調(diào)整，調(diào)整無(wú)效時(shí)，對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行檢修。

h.明確鍋爐各負(fù)荷段氧量限制，平衡好鍋爐燃燒與鍋爐的NOx排放，避免鍋爐主燃燒區(qū)嚴(yán)重缺氧。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，在2021年10月鍋爐檢修過(guò)程中，檢查水冷壁，僅吹灰器附近有輕微的吹損減薄現(xiàn)象，高溫腐蝕現(xiàn)象基本消失。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)、煤質(zhì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)該鍋爐本身設(shè)計(jì)爐膛熱負(fù)荷偏高，配套中速直吹式制粉系統(tǒng)不利于煤粉細(xì)度的控制，且低氮改造后未重新界定設(shè)計(jì)煤質(zhì)參數(shù)。該鍋爐此次出現(xiàn)高溫腐蝕的原因?yàn)槿霠t煤煤質(zhì)發(fā)生改變，揮發(fā)分大幅降低，受限于鍋爐出口NOx排放限制，鍋爐主燃燒區(qū)嚴(yán)重缺氧燃燒。針對(duì)此原因，制定了防止鍋爐高溫腐蝕的對(duì)策，并取得了較好的效果。