貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結(jié)焦防治研究

李明濤

華電青島發(fā)電有限公司 山東 青島 266031

引言

貧煤鍋爐低氮燃燒改造后，大多發(fā)生了嚴(yán)重的鍋爐結(jié)焦及水冷壁高溫腐蝕問題，結(jié)掉焦對(duì)鍋爐穩(wěn)燃造成了很大威脅，甚至還會(huì)引發(fā)鍋爐滅火，水冷壁高溫腐蝕問題造成鍋爐檢修期間水冷壁換管量大幅增加，給鍋爐專業(yè)防磨防爆工作帶來較大被動(dòng)，亦造成水冷壁泄漏次數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[1]。本文圍繞解決貧煤鍋爐低氮燃燒改造后普遍存在的爐膛燃燒區(qū)域水冷壁嚴(yán)重結(jié)焦及高溫腐蝕問題，開展了貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結(jié)焦及高溫腐蝕防治方案研究，理清貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結(jié)焦及高溫腐蝕加劇的原因，淺析貧煤鍋爐結(jié)焦和高溫腐蝕之間的相關(guān)性，提出貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結(jié)焦及高溫腐蝕防治措施。

1 系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)介

某公司1、2號(hào)及3、4號(hào)鍋爐分別為上海鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的SG1025/18.3-M833及SG1025/17.47-M878型亞臨界、單汽包、一次中間再熱、控制循環(huán)、固態(tài)排渣煤粉爐，呈∏形露天布置，設(shè)計(jì)燃料為山西晉中貧煤。1、2號(hào)鍋爐采用四套中間儲(chǔ)倉(cāng)式鋼球磨制粉系統(tǒng)，四角切圓燃燒，擺動(dòng)式煤粉噴嘴；3、4號(hào)鍋爐采用三套雙進(jìn)雙出直吹式鋼球磨制粉系統(tǒng)，四角切圓燃燒，擺動(dòng)式煤粉噴嘴。結(jié)合環(huán)保要求，分別對(duì)四臺(tái)鍋爐燃燒器進(jìn)行了低氮燃燒技術(shù)改造。

2 鍋爐低氮燃燒改造后結(jié)焦加劇情況

當(dāng)#1、2鍋爐剛投產(chǎn)時(shí)，就發(fā)生了水冷壁高溫腐蝕問題；通過采取結(jié)合機(jī)組大修每4年對(duì)鍋爐水冷壁進(jìn)行防高溫腐蝕噴涂，以及對(duì)燃燒器進(jìn)行水平濃淡粉形式改造這兩種措施解決了此問題。

而在鍋爐進(jìn)行低氮燃燒改造之后，燃燒區(qū)域水冷壁防高溫腐蝕噴涂材料投運(yùn)約半年時(shí)間，就會(huì)出現(xiàn)大面積脫落情況，若不再及時(shí)重新噴涂，就會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)處水冷壁發(fā)生嚴(yán)重的高溫腐蝕；同時(shí)結(jié)掉焦問題也伴之而來。

鍋爐低氮燃燒改造后，均發(fā)生了嚴(yán)重的鍋爐結(jié)掉焦問題，特別是2、4號(hào)爐由于鍋爐嚴(yán)重結(jié)掉焦引發(fā)了鍋爐滅火異常。2014年至2020年共發(fā)生掉焦滅火5次，期間還多次發(fā)生鍋爐掉焦問題。2014年至今1-4號(hào)爐均發(fā)生結(jié)掉焦次數(shù)上百次。

目前4臺(tái)鍋爐普遍存在高溫腐蝕現(xiàn)象，高溫腐蝕部位主要發(fā)生在主燃燒器區(qū)域，近幾年上層燃燒器和燃盡風(fēng)之間區(qū)域也出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象。隨著入爐煤硫份的升高，高溫腐蝕速率不斷增大，由約0.8mm/年增加到目前的約1.2mm/年。

3 貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結(jié)焦加劇原因分析

3.1 鍋爐結(jié)焦的原因

鍋爐結(jié)焦是個(gè)很復(fù)雜的物理化學(xué)過程，它涉及煤的燃燒、爐內(nèi)傳熱、煤質(zhì)的結(jié)焦特性、煤灰粒子在爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)以及煤灰與管壁間的黏附等過程。結(jié)焦的原因大致有以下幾個(gè)方面：

3.1.1 灰的成分?；抑械膲A性物質(zhì)的增加將使灰的熔點(diǎn)降低。當(dāng)煤含有較多量硫化鐵的時(shí)候，結(jié)焦最為嚴(yán)重。

3.1.2 煤粉細(xì)度不均勻。煤粉細(xì)度和粒度分布對(duì)鍋爐結(jié)渣有一定影響，煤粉過細(xì)、過粗均可能引起結(jié)渣。

3.1.3 燃料與空氣的混合比。燃燒過程中，若空氣量不足，其燃燒時(shí)就不易達(dá)到完全燃燒，將導(dǎo)致灰熔點(diǎn)降低，形成結(jié)焦；火焰偏斜，使最高火焰層移到邊側(cè)，這樣灰就得不到足夠的冷卻，而灼熱的灰粒與水冷壁受熱面接觸的時(shí)候，就很快粘了上去，形成結(jié)焦。

3.1.4 漏風(fēng)降低了燃燒室的溫度水平，推遲燃燒進(jìn)程。

3.2 鍋爐受熱面發(fā)生高溫腐蝕的原因

燃煤鍋爐的高溫腐蝕通常有兩種類型，即硫酸鹽型高溫腐蝕和硫化物型高溫腐蝕。

3.2.1 鍋爐在運(yùn)行時(shí)，管壁中的鐵與氧反應(yīng)會(huì)生成一層很薄的氧化鐵(Fe2O3)，該氧化鐵對(duì)管壁具有很好的保護(hù)作用。但是，在過熱器、再熱器煙氣側(cè)產(chǎn)生硫酸鹽型高溫腐蝕時(shí)，會(huì)破壞這層穩(wěn)定的氧化鐵保護(hù)層，管壁會(huì)因腐蝕而變薄，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致爆管事故。

當(dāng)燃煤中含有堿金屬氧化物Na2O、K2O(以下合用M2O表示)時(shí)，在高溫下就揮發(fā)成氣態(tài)，氣態(tài)的堿金屬氧化物碰到溫度較低的管壁時(shí)，就凝結(jié)在管壁表面，并與煙氣中的SO3反應(yīng)形成堿金屬硫酸鹽。該堿金屬硫酸鹽的熔點(diǎn)很低，當(dāng)它們以液態(tài)附著在管壁上時(shí)，會(huì)捕捉煙氣中的飛灰顆粒而形成一層積灰。積灰中的氧化鐵起著催化劑的作用，會(huì)形成復(fù)合硫酸鹽M3Fe(SO4)3，由于復(fù)合硫酸鹽M3Fe(SO4)3的熔點(diǎn)也很低，在550～710℃的范圍內(nèi)為液態(tài)而流走，這就破壞了管壁的氧化鐵保護(hù)層，使管子遭到腐蝕。由于硫酸鹽型高溫腐蝕發(fā)生在550～710℃的溫度范圍內(nèi)，所以該腐蝕大多發(fā)生在過熱器和再熱器的出口管段及其懸掛件上。

3.2.2 硫化物型高溫腐蝕主要發(fā)生在火焰沖刷水冷壁的情況下。當(dāng)煤中含有黃鐵礦(即硫化鐵FeS2)，火焰直接沖刷水冷壁時(shí)，部分未燃盡的煤粉顆粒會(huì)黏附在水冷壁上，當(dāng)管壁溫度達(dá)到350℃以上時(shí)，游離態(tài)的原子硫與鐵反應(yīng)生成硫化亞鐵，使管壁受到腐蝕[2]。在爐膛內(nèi)的還原氣氛中，H2S氣體可加快硫化物型高溫腐蝕，并直接腐蝕金屬管壁，另外，鐵還會(huì)被氧化，形成磁性氧化鐵Fe3O4和SO2，而生成的SO2在飛灰中催化劑的催化作用下，反應(yīng)生成SO3，進(jìn)一步加劇了硫酸鹽型高溫腐蝕。

由此看出，燃煤中含有較多的FeS2，火焰直接沖刷水冷壁和管壁附近為還原性氣氛，是產(chǎn)生硫化物型高溫腐蝕的條件。

3.3 鍋爐低氮燃燒改造后，鍋爐運(yùn)行相關(guān)情況

3.3.1 查閱2016至今入爐煤化驗(yàn)報(bào)表可知，近幾年入爐煤揮發(fā)份、灰分、含碳量及發(fā)熱量滿足鍋爐原始設(shè)計(jì)要求。鍋爐設(shè)計(jì)煤種硫份0.72%。統(tǒng)計(jì)2017、2018、2019、2020年入爐煤硫份超過1.5%的班次占比高達(dá)74%。

3.3.2 4 臺(tái)鍋爐設(shè)計(jì)煤種為山西晉中貧煤，由于貧煤資源緊張，采取次煙煤摻燒大量無煙煤方式，無煙煤燃盡性差，著火距離長(zhǎng)，易造成煤粉沖墻，水冷壁壁面還原性氣氛加劇。另外，摻燒無煙煤導(dǎo)致爐膛出口NOx升高，為控制NOx值，需進(jìn)一步降低主燃燒區(qū)風(fēng)量，爐膛還原性氣氛也進(jìn)一步加劇。

3.3.3 2019 年5月，通過抽取煙氣方式對(duì)1號(hào)爐貼壁風(fēng)H2S濃度進(jìn)行了測(cè)量，在高溫腐蝕區(qū)H2S濃度普遍偏高。

3.3.4 近幾年亦能嚴(yán)格執(zhí)行鍋爐摻配摻燒制度，嚴(yán)控低灰熔點(diǎn)的煤種大量入爐。

3.3.5 調(diào)閱低氮燃燒改造后機(jī)組歷次大修后動(dòng)力場(chǎng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，動(dòng)力場(chǎng)實(shí)驗(yàn)均合格。

3.4 綜合分析

貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結(jié)焦及高溫腐蝕加劇的原因?yàn)橹魅紖^(qū)還原性氣氛較強(qiáng)且H2S（入爐煤含硫量）含量較高。造成結(jié)焦主要因素是煤粉與空氣混合不足，熔融狀的煤粉顆粒與水冷壁接觸造成黏結(jié)；導(dǎo)致高溫腐蝕的主要因素硫化物型高溫腐蝕，且兩者具有很大關(guān)聯(lián)性。

4 目前采取的結(jié)焦防治措施效果

目前，采用貧煤鍋爐的電廠，普遍采取調(diào)小鍋爐假想切圓及進(jìn)行燃燒調(diào)整等主動(dòng)防結(jié)焦措施來減輕鍋爐結(jié)掉焦，但這些主動(dòng)防護(hù)措施都存在致命的缺點(diǎn)：一些無法徹底解決鍋爐低氮燃燒改造后的燃燒區(qū)域水冷壁高溫腐蝕問題及兼顧鍋爐穩(wěn)燃問題；另一些可執(zhí)行性不強(qiáng)。具體如下：

4.1 通過低氮燃燒器設(shè)備改進(jìn)來減少鍋爐結(jié)掉焦

主要是通過減小鍋爐假想切圓直徑來減輕煤粉氣流貼壁而導(dǎo)致的結(jié)焦。

此方案可以在一定程度上減輕鍋爐結(jié)焦，但無法解決水冷壁高溫腐蝕問題。同時(shí)由于鍋爐假想切圓直徑減小，會(huì)降低鍋爐穩(wěn)燃能力；對(duì)貧煤鍋爐而言，當(dāng)煤質(zhì)偏差且鍋爐接帶低負(fù)荷時(shí)會(huì)增大鍋爐滅火風(fēng)險(xiǎn)，影響鍋爐運(yùn)行安全性。

4.2 通過運(yùn)行燃燒調(diào)整來減少鍋爐結(jié)掉焦

主要是采取增大主燃區(qū)域二次小風(fēng)門開度同時(shí)減小SOFA風(fēng)門開度的方式，也可以采取加大鍋爐運(yùn)行氧量的方式，來增大鍋爐燃燒區(qū)域水冷壁處氧量，進(jìn)而減小貼近水冷壁壁面的還原性氣氛[3]。

此方案也可在一定程度上減輕鍋爐結(jié)焦，但同時(shí)由于燃燒區(qū)域氧量增加，會(huì)嚴(yán)重影響鍋爐低氮燃燒效果，降低鍋爐的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性（增大了噴氨量）和環(huán)保性。同時(shí)因目前沒有有效的H2S在線實(shí)時(shí)檢測(cè)手段，無法提供給運(yùn)行調(diào)整人員一個(gè)定量數(shù)據(jù)，因此，此方案執(zhí)行中也只能少量適當(dāng)調(diào)整，可執(zhí)行性不強(qiáng)。

4.3 通過限制采購(gòu)煤源種類來減輕鍋爐結(jié)掉焦

主要是采取不購(gòu)進(jìn)低灰熔點(diǎn)煤、無煙煤及高硫煤的方法。

此方案也可減輕鍋爐結(jié)焦，但從目前的煤炭市場(chǎng)形勢(shì)及煤炭?jī)r(jià)格因素來看，完全不采購(gòu)低灰熔點(diǎn)煤、無煙煤及高硫煤是不可行的，只能是在煤價(jià)允許范圍內(nèi)盡可能減少以上煤種的采購(gòu)量。因此，此方案可執(zhí)行性不強(qiáng)。

5 防治鍋爐結(jié)焦措施建議

由于以上主動(dòng)防護(hù)措施不能解決水冷壁高溫腐蝕問題，也就不能徹底解決鍋爐結(jié)掉焦問題，因此建議采取改進(jìn)水冷壁防腐噴涂材料性能的被動(dòng)防護(hù)措施[4]：對(duì)現(xiàn)有防腐材料進(jìn)行優(yōu)選及改進(jìn)，以確保其能保證在鍋爐低氮運(yùn)行情況下使用壽命達(dá)到3年以上的要求。

5.1 采用目前較成熟且適應(yīng)性較好的45CT水冷壁防高溫腐蝕噴涂材料，進(jìn)行鍋爐燃燒區(qū)域水冷壁防腐噴涂，從目前調(diào)研情況來看，其壽命約3年。但其缺點(diǎn)是價(jià)格太高。

5.2 進(jìn)行研究開發(fā)，對(duì)目前采用的金屬及非金屬水冷壁防高溫腐蝕材料進(jìn)行改進(jìn)，延長(zhǎng)其使用壽命（使其壽命至少達(dá)到3年），同時(shí)降低其成本，提高其性價(jià)比。

5.3 為保證效果，無論采用哪種防高溫腐蝕噴涂材料，都要嚴(yán)把材料及施工質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)格控制基材處理工藝過程，控制好噴砂過程質(zhì)量；同時(shí)要把控好噴涂質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)格按工藝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，以確保打砂噴涂質(zhì)量。

5.4 為從運(yùn)行調(diào)整上精確指導(dǎo)運(yùn)行人員，需要在鍋爐高溫腐蝕及結(jié)焦現(xiàn)象嚴(yán)重區(qū)域加裝H2S在線測(cè)量裝置。

5.5 從降低燃燒中的煤粉顆粒靠近水冷壁的溫度及改善近水冷壁側(cè)還原性氣氛入手，積極進(jìn)行貼壁風(fēng)加裝改造研究，可以形成保護(hù)水冷壁和給煙氣降溫的氣膜，同時(shí)降低鍋爐高溫腐蝕和結(jié)焦程度。

通過改進(jìn)水冷壁防腐蝕噴涂材料同時(shí)加裝貼壁風(fēng)及H2S在線檢測(cè)來防治鍋爐結(jié)焦，其優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，標(biāo)本兼治，只需選對(duì)材料即可，可以保證小修周期內(nèi)防住水冷壁高溫腐蝕，就不會(huì)在鍋爐運(yùn)行中發(fā)生嚴(yán)重結(jié)掉焦問題。同時(shí)，此方案的執(zhí)行，不會(huì)影響鍋爐穩(wěn)燃性能，不會(huì)影響鍋爐低氮燃燒效果，也不會(huì)限制鍋爐燃燒調(diào)整方式，進(jìn)而確保了鍋爐安全經(jīng)濟(jì)環(huán)保運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)貧煤鍋爐低氮燃燒改造以來出現(xiàn)的燃燒區(qū)域水冷壁結(jié)掉焦加劇問題，經(jīng)理論分析及研究，找到了真正原因——低氮燃燒導(dǎo)致原有的水冷壁防高溫腐蝕噴涂材料壽命大大降低，鍋爐燃燒區(qū)域水冷壁在不到一個(gè)小修周期內(nèi)由于其上噴涂材料脫落而發(fā)生高溫腐蝕，進(jìn)而產(chǎn)生了嚴(yán)重結(jié)掉焦問題。針對(duì)此原因，提出了合理的防范措施建議：由于防住了貧煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕便防住了其結(jié)掉焦問題，因此要對(duì)水冷壁防高溫腐蝕材料進(jìn)行優(yōu)選及改進(jìn)，以提高其對(duì)防范貧煤鍋爐低氮燃燒情況下水冷壁高溫腐蝕的適應(yīng)性。本文同時(shí)還明確了鍋爐水冷壁結(jié)焦防治工作下一步的研究努力方向，對(duì)鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)環(huán)保運(yùn)行有著重要的意義。