某切圓燃燒鍋爐水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象及其與H2S含量的關(guān)系研究

熊小鶴，呂釗敏，阮仁暉，陳發(fā)林，譚厚章

(西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

“雙碳”目標(biāo)約束下，為消納更多新能源發(fā)電，大型燃煤機(jī)組頻繁參與調(diào)峰成為趨勢(shì)，同時(shí)，為滿足超低排放要求(NOx質(zhì)量濃度小于50 mg/m3)，鍋爐主燃區(qū)長(zhǎng)期處于貧氧運(yùn)行狀態(tài)[1]，導(dǎo)致主燃區(qū)區(qū)域水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的概率大幅增加，300 MW、600 MW、1 000 MW容量等級(jí)的現(xiàn)役機(jī)組均出現(xiàn)不同程度的高溫腐蝕現(xiàn)象[2-3]。目前對(duì)高溫腐蝕的研究主要分為2類：一類是在實(shí)驗(yàn)室模擬鍋爐高溫腐蝕發(fā)生的環(huán)境，對(duì)不同耐熱鋼材料進(jìn)行腐蝕測(cè)試，觀察不同煙氣成分、溫度、熔鹽等工況下的腐蝕速率，這對(duì)于不同類型耐熱鋼基礎(chǔ)腐蝕動(dòng)力學(xué)特性具有較好的促進(jìn)作用，尤其是對(duì)于新型耐熱鋼材料的耐腐蝕特性評(píng)估，能提供充分的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)[4-5]；另一類是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際已發(fā)生高溫腐蝕的鍋爐，通過割管取樣分析，判斷腐蝕類型和高溫腐蝕成因，并進(jìn)行有針對(duì)性的改造或燃燒調(diào)整，破壞還原性氣氛，減緩或防止高溫腐蝕進(jìn)一步惡化[6-9]。孟繁兵等[10]以300 MW鍋爐為研究對(duì)象，沿爐膛高度方向測(cè)試不同高度位置處的H2S含量分布，發(fā)現(xiàn)中間層測(cè)點(diǎn)H2S體積分?jǐn)?shù)最大，最大值約0.50%；項(xiàng)岱軍等[11]發(fā)現(xiàn)鍋爐分離燃盡風(fēng)(separated over-fire air，SOFA)噴口下方區(qū)域、冷灰斗區(qū)域高溫腐蝕比主燃區(qū)嚴(yán)重；李戈等[12]認(rèn)為硫分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.7%時(shí)容易發(fā)生高溫腐蝕；蔡勇等[13]通過檢查對(duì)沖燃燒鍋爐水冷壁壁厚發(fā)現(xiàn)，上層燃燒器至燃盡風(fēng)噴口之間區(qū)域的腐蝕較為嚴(yán)重；陳輝等[14]發(fā)現(xiàn)在對(duì)沖燃燒鍋爐上，冷灰斗區(qū)域也出現(xiàn)了高溫腐蝕現(xiàn)象；鄒磊等[15]對(duì)1 000 MW鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，前后墻附近的H2S含量比兩側(cè)墻高。這些現(xiàn)場(chǎng)研究?jī)H給出了測(cè)點(diǎn)處的H2S含量結(jié)果，沒有研究H2S含量隨時(shí)間變化的規(guī)律，因此很難結(jié)合運(yùn)行工況的變化進(jìn)行有針對(duì)性的分析，比如給粉機(jī)和磨煤機(jī)的啟停、配風(fēng)方式的變化等運(yùn)行調(diào)整對(duì)H2S含量的影響。基于此，本文對(duì)某300 MW亞臨界鍋爐壁面H2S、CO含量進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，分析該鍋爐高溫腐蝕的原因，為同類型鍋爐高溫腐蝕防治工作提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

1.1 鍋爐概況

某電廠2號(hào)爐為上海鍋爐有限公司引進(jìn)美國(guó)CE公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造的亞臨界、中間一次再熱、控制循環(huán)汽包爐。鍋爐額定工況蒸發(fā)量907 t/h，發(fā)電負(fù)荷300 MW；采用鋼球磨、中間倉儲(chǔ)式、熱風(fēng)送粉制粉系統(tǒng)；鍋爐型式為單爐膛、Π型、露天布置，全懸吊鋼結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)；主燃燒器區(qū)域布置4層一次風(fēng)噴口、2層三次風(fēng)噴口，四角切圓燃燒，鍋爐俯視視角下煤粉氣流呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；主蒸汽壓力18.3 MPa，主蒸汽溫度541 ℃。爐膛寬11.97 m(布置180根管)，深11.76 m，水冷壁由直徑45 mm、壁厚6 mm的光管和內(nèi)螺紋管組成。在停機(jī)檢修過程中，發(fā)現(xiàn)鍋爐水冷壁管四面墻均存在不同程度的腐蝕減薄現(xiàn)象，在水冷壁鰭片上開孔，在四面墻不同層高處安裝直徑8 mm的不銹鋼管，用于監(jiān)測(cè)還原性氣氛。

1.2 管壁減薄現(xiàn)狀分析

對(duì)于四角切圓燃燒鍋爐來說，從一次風(fēng)噴口射出的煤粉氣流在上游向火側(cè)高溫?zé)煔獾淖矒粝?，?qiáng)烈湍流摻混伴隨傳熱傳質(zhì)，這是新鮮煤粉氣流噴入爐膛后能穩(wěn)定著火的熱源，同時(shí)煤粉射流在旋轉(zhuǎn)高溫?zé)煔庾饔孟掳l(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)，造成未燃盡煤粉沖刷下游受熱面；因此，主燃區(qū)易發(fā)生腐蝕的位置如圖1陰影區(qū)域所示，即順著煙氣旋轉(zhuǎn)的方向，離爐膛中心線一定距離，沿?zé)煔鈦砹鞯南掠畏较颉?/p>

圖1 易高溫腐蝕區(qū)域位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the locations of areas prone to high temperature corrosion

以后墻為例，在17.9 m、21 m、23.6 m這3層平臺(tái)高度處均發(fā)生嚴(yán)重的高溫腐蝕(如圖2中陰影區(qū)域所示)，管壁減薄20%～50%。在這3層高度對(duì)應(yīng)的腐蝕區(qū)域中，又以17.9 m、21 m這2層腐蝕范圍更大(換管根數(shù)多)，23.6 m層雖然管壁減薄程度大，但換管范圍較小。同時(shí)，圖1中17.9 m和21 m層對(duì)應(yīng)的嚴(yán)重腐蝕換管區(qū)域正好相反，17.9 m層換管嚴(yán)重區(qū)域位于2～6 m區(qū)域，21 m層換管嚴(yán)重區(qū)域位于7～11 m區(qū)域，說明2號(hào)爐熱態(tài)切圓直徑過大，如圖1中虛線圓所示，腐蝕區(qū)域擴(kuò)展至氣流上游區(qū)域。

圖2 不同層高處水冷壁管壁減薄情況Fig.2 Thinning of water wall pipes at different heights

1.3 鍋爐噴口、測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)試系統(tǒng)布置

鍋爐檢修期間，在17.9 m、21m、23.6 m平臺(tái)前后墻區(qū)域，每層平臺(tái)安裝4～6個(gè)直徑8 mm的不銹鋼抽氣取樣管，抽氣取樣點(diǎn)位置比各自對(duì)應(yīng)的平臺(tái)高約0.5 m，測(cè)試時(shí)抽氣取樣相對(duì)位置如圖3所示。

圖3 鍋爐噴口、測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)試系統(tǒng)布置Fig.3 Layout of boiler nozzle, measuring point and testing system

采用特氟龍管和硅膠軟管將煙氣引出，分別接濾筒、真空泵、流量計(jì)、Envent 331S H2S煙氣分析儀(防爆款)和筆記本電腦。Envent 331S H2S煙氣分析儀是基于醋酸鉛紙袋原理對(duì)H2S進(jìn)行測(cè)量，反應(yīng)式為

(CH3COOH)2Pb+H2S→PbS+2CH3COOH.

(1)

反應(yīng)生成的PbS在紙袋上顯示褐色至黑色，顏色越深，代表H2S含量越大。

采用德圖350煙氣分析儀測(cè)試CO體積分?jǐn)?shù)。德圖350分析儀的CO體積分?jǐn)?shù)量程最大為1%，在主燃燒器區(qū)域測(cè)量時(shí)，先用Dekati稀釋器進(jìn)行稀釋，稀釋倍數(shù)約為20，稀釋氣源來自壓縮空氣。

1.4 煤質(zhì)分析

鍋爐日常燃用煤質(zhì)為貧煤，9天測(cè)試期間的煤質(zhì)分析結(jié)果見表1：入爐煤干燥無灰基揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為15.04%，不易著火；空干基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為28.85%，灰分較大，難燃盡；收到基全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為1.83%，硫分最大值2.26%，最小值1.62%，硫含量較高。

本次調(diào)查樣本男女比例基本均衡，平均年齡約為23.7歲，月消費(fèi)水平從800到10 000元不等，集中于2 500元以下；多為來自東南亞、南亞的留學(xué)生群體，有極小部分華裔；來華時(shí)長(zhǎng)從1個(gè)月到7年不等，以小于1年和2.5～4年居多，調(diào)查樣本的基本情況如表1所示。

表1 煤質(zhì)參數(shù)Tab.1 Coal parameters

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 H2S含量測(cè)試結(jié)果

圖4是某日10：00—19：00的連續(xù)測(cè)量結(jié)果，全天電負(fù)荷保持在220 MW，A、B、C層給粉機(jī)運(yùn)行，D層4只給粉機(jī)中僅3號(hào)角給粉機(jī)運(yùn)行，選取17.9 m、21 m層不同高度處的測(cè)點(diǎn)，可以看到在連續(xù)測(cè)試的9 h內(nèi)，H2S體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)幅度較大，表現(xiàn)為上升→穩(wěn)定→上升→下降→穩(wěn)定等階段。這期間負(fù)荷保持不變，進(jìn)行了2項(xiàng)調(diào)整操作：①11：00關(guān)閉A、B層之間的燃油二次風(fēng)，可以明顯觀察到17.9 m層H2S體積分?jǐn)?shù)迅速增大，平均上升約0.03%；12：19切換到21 m層測(cè)點(diǎn)，在隨后的90 min內(nèi)，H2S體積分?jǐn)?shù)一直呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，超過0.16%。②經(jīng)短暫穩(wěn)定后，14：17停3號(hào)角給粉機(jī)，可以看到21 m層測(cè)點(diǎn)處H2S體積分?jǐn)?shù)迅速降低，在15 min內(nèi)從0.182%降至0.06%，在隨后的2 h測(cè)試中H2S體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步降低，該過程可能是由于直徑8 mm取樣管逐步堵管引起，因?yàn)镠2S體積分?jǐn)?shù)最低至0.003%;在隨后切換至17.9平臺(tái)后，H2S體積分?jǐn)?shù)又迅速上升至0.06%左右，并且很穩(wěn)定；切換至21 m平臺(tái)后，H2S體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)上升至0.116%；再將測(cè)點(diǎn)切換至23.6 m平臺(tái)層，H2S體積分?jǐn)?shù)降至0，測(cè)不到H2S，這是因?yàn)槿物L(fēng)中煤粉含量低，氧量充足，H2S被氧化。

圖4 鍋爐H2S測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of H2S concentration

2.2 沿爐膛高度方向CO含量分布規(guī)律

為了找出CO含量與H2S含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)試不同爐膛高度處的CO含量，結(jié)果如圖5所示。17.9 m平臺(tái)測(cè)得CO體積分?jǐn)?shù)平均為4.3%，21 m平臺(tái)測(cè)得CO體積分?jǐn)?shù)平均為11%，23.6 m平臺(tái)測(cè)得CO體積分?jǐn)?shù)平均為1%。在主燃燒區(qū)，爐膛中間部位的CO含量最高，下層和上層CO含量均較低，這主要是由于火焰中心在爐膛中間部位，欠氧燃燒導(dǎo)致CO含量高。由于上層23.6 m平臺(tái)對(duì)應(yīng)的是三次風(fēng)層，三次風(fēng)中的煤粉含量與主燃區(qū)相比明顯偏小，風(fēng)量相對(duì)偏大，CO體積分?jǐn)?shù)最低，降至1%。

圖5 后墻不同高度測(cè)點(diǎn)處的CO體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Volume fractions of CO at different measuring points on the back wall

29 m平臺(tái)位于SOFA噴口下方，由于沒有側(cè)墻風(fēng)箱的限制，對(duì)四面墻的CO含量均進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。可以看到除后墻外，其余3面墻的CO體積分?jǐn)?shù)均大于1%。

圖6 29 m平臺(tái)四面墻測(cè)點(diǎn)的CO體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 CO concentrations at measuring points on four walls of a 29 meter platform

為分析H2S含量和CO含量的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將圖4和圖5的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并與其他文獻(xiàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。可以看到，由于不同文獻(xiàn)中所使用的H2S測(cè)試儀器、燃用煤種、鍋爐爐型、負(fù)荷、測(cè)點(diǎn)位置等不同，測(cè)得H2S含量和CO含量的關(guān)聯(lián)結(jié)果存在差異。另外，受測(cè)試條件限制，本文未能同步測(cè)量H2S和CO，導(dǎo)致測(cè)得的二者關(guān)聯(lián)結(jié)果存在偏差?？傮w上H2S含量和CO含量呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性，因此對(duì)于高溫腐蝕防治而言，不需要完全將主燃區(qū)壁面氣氛調(diào)整為氧化性氣氛，保持弱還原性氣氛即可。

圖7 H2S含量與CO含量的關(guān)聯(lián)關(guān)系對(duì)比Fig.7 Comparisons of the relationship between H2S and CO

2.3 高溫腐蝕成因分析

高溫腐蝕影響因素眾多，煤質(zhì)、一次風(fēng)速、二次風(fēng)速、煤粉細(xì)度等均會(huì)影響腐蝕速率。就本鍋爐而言，燃煤收到基全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值達(dá)到1.83%，硫分偏高導(dǎo)致H2S含量過大。從燃燒角度來說，硫分越低越好，但煤質(zhì)往往由煤炭市場(chǎng)的價(jià)格因素決定，電廠出于經(jīng)營(yíng)壓力不得不采購低價(jià)高硫煤，因此很難從調(diào)整煤源方面防治高溫腐蝕。

文獻(xiàn)[16]推薦假想切圓直徑

(2)

式中：a為爐膛寬度；b為爐膛深度。

圖8 不同高度處切圓直徑變化Fig.8 Changes of tangent circle diameters at different heights

因此，該爐在34.6 m SOFA噴口層也出現(xiàn)了高溫腐蝕現(xiàn)象，但是由于SOFA氧量的及時(shí)補(bǔ)入，該層水冷壁腐蝕程度較輕。在SOFA噴口再往上的區(qū)域是氧化性氣氛，水冷壁沒有腐蝕現(xiàn)象。

2.4 高溫腐蝕原因分析

水冷壁長(zhǎng)期運(yùn)行在H2S體積分?jǐn)?shù)0.06%～0.1%的氛圍中，該腐蝕類型為典型的H2S腐蝕。關(guān)于H2S腐蝕的機(jī)理，已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述[19-20]，本文重點(diǎn)關(guān)注與高溫腐蝕緊密相關(guān)的嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象。在看火孔視場(chǎng)中，能觀察到毫米級(jí)和厘米級(jí)的渣樣，而入爐煤粒徑一般控制在200 μm以下，能形成大粒徑的渣樣，說明新鮮煤粉在噴入爐膛后，在燃燒過程中發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象?？紤]到SOFA風(fēng)量約占總風(fēng)量的30%，主燃區(qū)是欠氧燃燒，根據(jù)圖5測(cè)試結(jié)果，CO體積分?jǐn)?shù)高達(dá)11%，在強(qiáng)還原性氣氛下，煤灰熔點(diǎn)會(huì)進(jìn)一步降低。在切圓燃燒過程中，煤粉隨著氣流經(jīng)歷強(qiáng)烈的湍流摻混、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等過程，部分顆粒會(huì)在該過程中發(fā)生熔融、團(tuán)聚和長(zhǎng)大。在切圓旋轉(zhuǎn)過程中，由于慣性力的作用，煤粉被甩到水冷壁管并粘附在管壁上，由于炭顆粒來不及完全燃盡，欠氧條件下繼續(xù)受熱釋放出H2S，腐蝕管壁，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，這部分渣樣還會(huì)進(jìn)一步長(zhǎng)大。魏博[21]在某350 MW切圓鍋爐水冷壁上發(fā)現(xiàn)如圖9所示的渣樣，該部分渣樣迎著刷墻氣流的來流方向，高度逐漸增加，到一定高度后(圖中的渣樣高度約2 cm)，由于重力作用而脫落，脫落后管壁基體表面暴露在強(qiáng)還原性氣氛中，造成腐蝕進(jìn)一步加劇。王春昌等[22]指出四角切圓鍋爐發(fā)生高溫腐蝕部位和結(jié)渣部位高度一致。因此，對(duì)于煤粉爐，高溫腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域往往結(jié)渣也很嚴(yán)重。

圖9 水冷壁結(jié)渣形貌[21]Fig.9 Slagging morphology of water wall[21]

2.5 高溫腐蝕速率評(píng)估

在線獲得H2S體積分?jǐn)?shù)后，可以通過模型在線計(jì)算水冷壁高溫腐蝕速率，為運(yùn)行人員提供指導(dǎo)。本文經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)研究，提出H2S體積分?jǐn)?shù)與腐蝕深度之間的關(guān)聯(lián)模型為[23]

(3)

式中：A、n為實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)；CH2S為H2S體積分?jǐn)?shù)，%；τ為腐蝕層開裂周期，取24 h；ρ為水冷壁管金屬密度，取5 210 mg/cm3；B為金屬管壁生成的鐵氧化物體積與消耗金屬體積之比，取2.12；h為水冷壁管腐蝕深度，cm；t為運(yùn)行時(shí)間，h。

計(jì)算得到腐蝕深度與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖10所示?？梢钥吹剑Ｐ陀?jì)算出的腐蝕深度與運(yùn)行時(shí)間、H2S體積分?jǐn)?shù)呈正比關(guān)系，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，H2S體積分?jǐn)?shù)越高，腐蝕越嚴(yán)重。在H2S體積分?jǐn)?shù)0.15%工況，運(yùn)行1年的管壁減薄量為約0.7 cm，這與該爐換管周期一致。當(dāng)然，該模型也存在不足之處，沒有考慮壁溫對(duì)腐蝕速率的影響，后續(xù)還需要進(jìn)一步完善。

圖10 腐蝕深度與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.10 Correlations between corrosion depths and operating hours

3 結(jié)論

本文對(duì)某亞臨界切圓燃燒鍋爐的高溫腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試和分析，得到主要結(jié)論如下：

a)該爐入爐煤硫分過高，測(cè)試期間收到基全硫平均值達(dá)到1.83%，為降低NOx主燃區(qū)長(zhǎng)期貧氧運(yùn)行，同時(shí)切圓直徑過大，壁面還原性氣氛嚴(yán)重，H2S峰值體積分?jǐn)?shù)高達(dá)0.182%，CO高達(dá)11%，是導(dǎo)致該爐高溫腐蝕的主要原因。

b)沿爐豎直方向，從下往上，CO含量先增加后降低，氣流切圓直徑逐漸增大，這是造成在SOFA層水冷壁高溫腐蝕的主要原因。

c)H2S含量與腐蝕速率關(guān)聯(lián)模型計(jì)算表明，模型對(duì)腐蝕速率的預(yù)測(cè)結(jié)果在趨勢(shì)上與該爐腐蝕嚴(yán)重程度一致。