大型燃煤發(fā)電廠鍋爐水冷壁高溫腐蝕燃燒調整試驗研究

談紫星，王晞青，楊 梅，譚姍姍 ，徐 倩

（1.南昌科晨電力試驗研究有限公司，江西 南昌 330096；2.江西東方航空配餐有限公司，江西 南昌 330117）

0 引言

近年來，隨著社會對環(huán)境問題的高度關注，國家對大氣污染物排放控制更加嚴格，大型燃煤電廠是能源的消費大戶，排污量大且集中，各大發(fā)電集團為完成環(huán)保排放指標，紛紛對下轄火電廠進行超低排放改造。氮氧化物是燃煤電廠的三大污染物之一，為降低爐膛出口處氮氧化物的生成，往往采取低NOX燃燒技術[1]，在主燃區(qū)缺氧燃燒，燃盡區(qū)富氧燃燒，造成主燃區(qū)水冷壁近壁區(qū)域缺氧燃燒，形成強還原性氣氛，燃煤中的硫元素在此氛圍中將轉化為硫化氫氣體，從而對水冷壁造成嚴重的高溫腐蝕問題。大型燃煤電廠在當今新型能源結構中，起到“托底保供”的基礎性作用，因而高溫腐蝕導致的水冷壁壁面減薄甚至爆管，不僅嚴重影響燃煤電廠運行的安全性和經濟性，也會對電網穩(wěn)定運行造成較大影響。因此對大型燃煤電廠水冷壁高溫腐蝕燃燒調整試驗[2]的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 設備概況

某發(fā)電廠1 號爐系哈爾濱鍋爐廠設計生產的HG－1025/18.2－YM6 型亞臨界壓力一次中間再熱控制循環(huán)汽包爐。鋼爐架、Π 型露天布置，單爐膛、四角布置擺動式燃燒器，采用平衡通風、四角切圓燃燒，固態(tài)排渣，四臺ZGM－95G 中速磨爐前布置，每臺磨配一層煤粉噴嘴，采用高壓頭冷一次風機使整個制粉系統(tǒng)作正壓運行。爐膛上部布置壁式輻射式再熱器和大節(jié)距分隔屏過熱器以增加過熱器和再熱器的輻射特性。采用內螺紋管膜式水冷壁和低壓頭的循環(huán)泵以提高運行的可靠性。裝有兩臺三分倉容克式空氣預熱器。汽溫調節(jié)方式：過熱器采用二級噴水減溫，再熱器的調溫主要靠燃燒器的擺動，再熱器的進口導管上裝有兩只霧化噴嘴式的噴水減溫器（主要作事故噴水用）。

鍋爐燃燒器為四角布置，采用大風箱結構，由隔板將大風箱分成若干個風室，每組燃燒器共有6種13個風室15 個噴嘴。一次風噴嘴可上下擺動20°。二次風及油噴嘴可作上下27°的擺動，頂部燃燼風室噴嘴可作向上25°，向下5°的擺動。

2 試驗方法

2.1 試驗邊界確定

水冷壁近壁區(qū)煙氣組分對高溫腐蝕有決定性的作用，不同的煙氣氛圍條件下，腐蝕速率差異巨大，其中CO、O2和H2S 三者相互關聯(lián)，相互影響。根據(jù)相關試驗及參考文獻總結[3]，三者大致具有如下關系（圖1和圖2所示）。

圖1 CO與O2之間的關系

圖2 H2S與O2之間的關系

由圖1 可知，當氧濃度小于1%時，CO 濃度隨著O2濃度的增大而急劇降低；當氧濃度大于1%時，CO濃度降低速度減緩；當氧濃度大于2%時，CO 濃度值基本穩(wěn)定在一個很小的值附近，基本接近0。

由圖2 可知，H2S 的濃度隨著O2濃度的升高而降低。總體上，當O2濃度小于1%時，H2S 濃度隨著O2濃度的增大而急劇降低；當O2濃度大于1%時，H2S濃度降低速度減低；當O2濃度大于2%時，H2S濃度值基本穩(wěn)定在一個較小的值。

查閱相關文獻資料[3]，認為爐內強還原性氣氛分界點：H2S 含量>200 ppm，CO 含量>3%（30 000 ppm）即認為是強還原性氣氛。

基于以上，本次試驗期間為方便比較，將H2S含量200 ppm、CO含量3%、O2含量1%作為比較的邊界。

2.2 試驗測點布置

2021年9月，1號爐臨停檢查中發(fā)現(xiàn)鍋爐爐膛水冷壁高溫腐蝕嚴重，腐蝕區(qū)域主要集中在前/后墻沿爐高方向，C燃燒器中心水平位置（標高約14 m）到燃盡風（SOFA 風）噴口中心水平位置（標高約32 m），區(qū)域高度約18 m。據(jù)此，在前/后墻沿爐高方向每隔3 m，每層布置10個測點（前/后墻各布置5個），共6層。

2.3 燃煤品質控制

入爐煤含硫量對H2S 的生成至關重要，而H2S 是水冷壁高溫腐蝕的一個主要因素，試驗期間要保持入爐煤質穩(wěn)定，結合電廠實際，確定煤質目標：Qnet，ar：5000大卡，Vad：15%-20%，St：1.0%左右。

2.4 機組負荷

機組負荷影響貼壁氣氛，負荷越高，管壁溫度越高，還原性氣氛越強，腐蝕速率越快，高溫腐蝕越嚴重。故本次水冷壁高溫腐蝕燃燒調整試驗在300 MW負荷下進行。

2.5 單因素輪轉法

試驗因素選?。籂t膛氧量、二次風配風方式（含燃燒器周界風）、一次風壓、煤粉細度[4]。

3 試驗內容

本次水冷壁高溫腐蝕燃燒調整試驗內容見表1。

表1 試驗內容

本次水冷壁高溫腐蝕燃燒調整試驗共計14 個工況，每個工況持續(xù)穩(wěn)定試驗時間4 h。

4 結果和分析

4.1 摸底試驗

摸底試驗在習慣運行方式下，對水冷壁貼壁煙氣成份（O2、CO、H2S）濃度進行測試，以掌握機組運行時，水冷壁近壁區(qū)域還原性氣氛的實際狀況，為正式試驗參數(shù)的選擇提供依據(jù)，并可以和燃燒調整試驗后的水冷壁近壁區(qū)域還原性氣氛進行對比（見表2 至表4），檢驗此次試驗效果。

表2 前/后墻H2S濃度測試摸底試驗結果一覽表 ppm

表4 前/后墻O2濃度測試摸底試驗結果一覽表 %

由表2可見，前/后墻均存在部分測點的H2S 濃度大于200 ppm（表中超過200 ppm 的用黃色光標標示），部分甚至高于400 ppm。

由表3可見，前/后墻均存在部分測點CO濃度大于3%，部分甚至高于20%，（表中超過3%的用黃色光標標示）。

表3 前/后墻CO濃度測試摸底試驗結果一覽表 %

由表4 可見，前/后墻均存在部分測點的O2濃度低于1%（表中O2含量低于1%的用黃色光標標示）。

從上述三個工況試驗結果可以看出，后墻O2濃度低于1%、H2S濃度大于200 ppm和CO濃度大于3%測點數(shù)量多于前墻，結合本機組最近一次的檢修情況判斷，爐內后墻水冷壁管高溫腐蝕情況，比前墻更嚴重。

4.2 氧量調整試驗

300 MW 負荷下，氧量調整試驗在爐膛出口（SCR 入口）表盤氧量為3.7%和3.9%兩種工況下進行，習慣性運行方式下（表盤氧量為3.5%）。試驗結果見表5至表7。

表5 氧量調整試驗前后墻H2S濃度測試結果對比 ppm

表6 氧量調整試驗前后墻CO濃度測試結果對比 %

表7 氧量調整試驗前后墻O2濃度測試結果對比 %

由表5至表7可知，爐膛氧量的提高，對改善水冷壁近壁區(qū)域還原性氣氛具有積極重要的意義。但考慮到環(huán)保的壓力，只能在滿足爐膛出口NOX排放濃度的前提下，適當提高爐膛氧量。

4.3 周界風調整試驗

300 MW負荷下，周界風調整試驗，氧量設定為3.7%下進行，共進行了三個工況。試驗結果見表8至表10。

表8 周界風調整試驗，前后墻H2S濃度測試結果對比 ppm

表9 周界風調整試驗前后墻CO濃度測試結果對比 %

表10 周界風調整試驗前后墻O2濃度測試結果對比 %

由表8至表10可知，周界風開度的大小可以影響一次風的剛性，防止氣流偏斜，更易形成“風包粉”，適當提高周界風開度，對改善水冷壁近壁還原性氣氛具有重要意義。

4.4 二次風調整試驗

300 MW 負荷下，二次風調整試驗在爐膛出口表盤氧量設定為3.7%下進行，共進行了5 個工況。參考1 號爐低氮燃燒器改造后，鍋爐廠家針對爐膛出口NOX排放濃度開展的相關試驗結果，在當前煤質下，AA 層和BC 層二次風門開度控制在11%左右，爐膛出口NOX排放濃度可以得到較好控制，一旦這兩層風門開大，NOX排放濃度升高較多，且在之前的檢查中，AA 層對應的附近水冷壁高溫腐蝕并不嚴重，所以本次不對AA 層和BC 層進行調整，保持11%開度不變。同時，為控制NOX排放，燃盡風（SOFA）風門均保持100%全開。綜上，本次燃燒調整試驗只對AB/CD/DD 層二次風擋板開度進行調整，試驗結果見表11 至表13。

表12 二次風調整試驗前后墻CO濃度測試結果對比 %

由表11 至表13 可知，通過改變爐內二次風的配比，能夠較大程度的影響爐內燃燒，從而影響水冷壁近壁還原性氣氛[4]，CD 層二次風擋板對水冷壁近壁還原性氣氛影響較小，AB 層和DD 層二次風擋板開度對水冷壁近壁還原性氣氛影響較大。

4.5 一次風壓調整試驗

300 MW 負荷，習慣運行方式下，本次試驗在一次風母管壓力在8.6 kPa 和9.1 kPa 下進行了2 個工況，試驗結果見表14至表16。

表14 一次風壓調整試驗前后墻H2S濃度測試結果對比 ppm

表16 一次風壓調整試驗前后墻O2測試結果對比 %

表15 一次風壓調整試驗前后墻CO濃度測試結果對比 %

由表14至表16可知，通過改變一次風壓力，可以影響水冷壁近壁還原性氣氛[4]，在保證爐膛安全穩(wěn)定燃燒的情況下，適當降低一次風壓力對改善水冷壁近壁還原性氣氛非常有益處。

4.6 煤粉細度調整試驗

300 MW 負荷下，煤粉細度調整試驗[5]在氧量設定為3.7%下進行，共進行了1 個工況。將分離器葉片擋板開度調小5%，試驗結果見表17至表19。

表17 煤粉細度調整試驗前后墻H2S測試濃度結果對比 ppm

表18 煤粉細度調整試驗，后墻CO濃度測試結果對比 %

表19 煤粉細度調整試驗前后墻O2測試結果對比 %

由表17至表19可知，在常規(guī)運行狀態(tài)下，磨煤機出口煤粉細度在R90在10%左右，繼續(xù)降低煤粉細度，對近壁還原性氣氛改善作用十分有限。

5 結語

1）氧量調整試驗結果表明，隨著爐膛氧量的增加，H2S 及CO 濃度均呈下降趨勢，能較好的控制爐膛水冷壁近壁區(qū)域的還原性氣氛，結合環(huán)保因素考量，建議在300 MW 負荷下，將氧量設置在3.7%左右較為合適。

2）周界風調整試驗結果表明，隨著A/B/C/D 層周界風擋板開度由33%增大至44%，H2S 濃度明顯降低，且爐膛出口煙氣NOX含量變化不大；繼續(xù)增大至50%，H2S 濃度變化不明顯，且爐膛出口煙氣NOX有所上升。綜合考慮，建議在300 MW 負荷下，將A/B/C/D層周界風擋板開度控制在44%左右較為合適。

3）二次風調整試驗結果表明，隨著CD層二次風擋板開度增大，前/后墻相應層數(shù)（第2、3層測點）測得的H2S濃度變化不明顯；隨著AB/DD層二次風擋板開度增大，前后墻相應層數(shù)（第1、2層測點）測得的H2S濃度降低明顯。綜合考慮，建議在300 MW負荷下，在習慣配風方式下，可適當將AB層和DD層二次風擋板開度增大（開度控制在43%左右較為合適），同時將CD層二次風擋板開度適當減小（開度控制在33%左右較為合適）。

4）一次風壓調整試驗結果表明，隨著一次風母管壓力降低，鍋爐水冷壁前后墻H2S 濃度整體上降低明顯。建議在300 MW 負荷下，在保證爐內燃燒安全穩(wěn)定的前提下，盡量將一次風母管壓力降低，有利于水冷壁高溫腐蝕的緩解。

5）煤粉細度調整試驗結果表明，煤粉細度下降，對鍋爐水冷壁前后墻H2S 濃度整體上的降低并不明顯，維持現(xiàn)有煤粉細度即可。