1 000 MW四角切圓燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因分析及防治

摘 要：目前，燃煤電廠鍋爐水冷壁高溫腐蝕較為普遍。鑒于此，針對某1 000 MW四角切圓燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象，從腐蝕的區(qū)域、程度、形態(tài)等方面分析了水冷壁管發(fā)生高溫腐蝕的原因，提出了配煤摻燒優(yōu)化、風(fēng)量合理化配置、還原性氣氛測試等措施，對防治水冷壁高溫腐蝕具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：水冷壁；高溫腐蝕；還原性氣氛；配煤

中圖分類號：TK227.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）18-0062-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.016

0" " 引言

鍋爐水冷壁高溫腐蝕是目前燃煤電廠普遍存在的問題，在不同燃燒方式、不同布置形式的鍋爐中均有發(fā)生。腐蝕的原因主要有超低排放采用分級燃燒造成主燃燒區(qū)缺氧；大量摻燒經(jīng)濟(jì)煤種，尤其是硫分偏高的煤種；低氧量運行；煤粉氣流刷墻等[1]。腐蝕嚴(yán)重時將導(dǎo)致管壁減薄泄漏，不利于機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

本文針對某1 000 MW燃煤鍋爐水冷壁發(fā)生的高溫腐蝕現(xiàn)象，從腐蝕的區(qū)域、形態(tài)、管壁減薄程度等方面進(jìn)行分析，總結(jié)了本次水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的原因，并提出了相應(yīng)的防治措施。

1" " 設(shè)備概況

鍋爐為3 049 t/h超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調(diào)溫、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、采用機(jī)械刮板撈渣機(jī)固態(tài)排渣，燃用煙煤。

水冷系統(tǒng)采用下部螺旋管圈和上部垂直管圈的型式，螺旋管圈分為灰斗部分和螺旋管上部，垂直管圈分為垂直管下部和垂直管上部。螺旋段水冷壁經(jīng)水冷壁過渡連接管引至水冷壁中間集箱，經(jīng)中間集箱混合后再由連接管引出，形成垂直段水冷壁，兩者間通過管鍛件結(jié)構(gòu)來連接并完成爐墻的密封。

鍋爐燃燒方式采用低NOx切向燃燒系統(tǒng)（LNTFSTM），單角布置37層二次風(fēng)噴口（內(nèi)含6層煤粉噴口），由6層SOFA風(fēng)、1層CCOFA風(fēng)、30層輔助二次風(fēng)（包含6層燃燒器下輔助風(fēng)、周界風(fēng)、油層輔助風(fēng)、上輔助風(fēng)）組成，其中上輔助風(fēng)采用偏置22°形成富氧氛圍。爐內(nèi)四角射流形成順時針假想切圓。

2" " 高溫腐蝕現(xiàn)象描述

2.1" " 主要腐蝕區(qū)域

（1）前墻：#1角C層燃燒器區(qū)域長5 m，高6 m，約30 m2；#2角前墻F2層燃燒器區(qū)域至E2區(qū)域較為嚴(yán)重，一直延伸到C層都有腐蝕情況，約180 m2。

（2）后墻：#4角F層較為嚴(yán)重，水平方向10 m，高10 m，延伸至E2，至E1層時較輕微；#3角E層鰭片焊縫處有很輕微的腐蝕，F(xiàn)層無腐蝕，約80 m2。

（3）南墻：#3角南，F(xiàn)層延伸至E1層較為嚴(yán)重，約80 m2。

（4）北墻：#1角處北墻，F(xiàn)層較為嚴(yán)重，至E1層時較為輕微，約70 m2。

總體來看，高溫腐蝕主要集中在燃燒器F層至E層熱負(fù)荷較高的區(qū)域，同時處于火焰向火側(cè)。

2.2" " 管壁測厚情況

水冷壁管材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為？準(zhǔn)38×7.2 mm，選取了部分管排進(jìn)行測厚：以#2角噴燃器最上部（F層上輔助風(fēng)）為標(biāo)高，向爐右約3 m，向下至E1噴燃器區(qū)域，進(jìn)行抽查，如表1所示。

水冷壁管壁厚度最低至5.3 mm，以管壁標(biāo)準(zhǔn)值7 mm計，當(dāng)前腐蝕量為1.7 mm（24.3%）。

2.3" " 腐蝕形態(tài)

從單根管腐蝕位置來看，腐蝕主要發(fā)生在水冷壁管斜下沿，集中在鰭片焊縫至管子正面中心線區(qū)域（圖1）。

腐蝕嚴(yán)重區(qū)域已做了噴涂處理，但能見腐蝕層剝落后三角形、棱臺形（圖2）。腐蝕溝槽內(nèi)積有較為致密的灰白色粉狀灰粒以及焦渣垢層，清理后可見較為明顯的腐蝕坑，高溫腐蝕引起水冷壁管表面變色，呈現(xiàn)紅褐色（圖3）。

部分腐蝕區(qū)域管子表面有粒狀結(jié)焦（圖4），存在煤粉刷邊的可能性，焦質(zhì)較為松軟，清除表面灰焦后也見明顯的煙氣腐蝕溝槽（圖5）。

吹灰器周圍水冷壁管腐蝕減薄溝槽沒有明顯的突出，也未發(fā)現(xiàn)迎蒸汽吹掃面的腐蝕減薄特征。

3" " 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場檢查分析結(jié)果，從腐蝕形態(tài)上看，水冷壁高溫腐蝕以還原性氣氛下的煙氣腐蝕為主，同時存在灰焦作用下的硫化物腐蝕。結(jié)合鍋爐運行歷史工況數(shù)據(jù)，總結(jié)造成本次水冷壁區(qū)域發(fā)生較嚴(yán)重腐蝕的主要原因如下：爐膛還原性氣氛較強(qiáng)、入爐煤硫分偏高、深度調(diào)峰影響。

3.1" " 爐膛還原性氣氛

引起水冷壁高溫腐蝕的一個主要因素是煙氣的還原性氣氛，爐膛出口氧量表征爐膛整體的還原性氛圍，二次風(fēng)配風(fēng)則主要影響局部還原性氣氛。

3.1.1" " 氧量

鍋爐整體氧量偏低，機(jī)組于投產(chǎn)前期進(jìn)行超低排放改造，增加了MGGH，濕式除塵器、脫硝系統(tǒng)加裝一層催化劑等，設(shè)計工況下煙氣系統(tǒng)阻力增加約2 200 Pa，超過原引風(fēng)機(jī)設(shè)計裕量1 600 Pa。隨著機(jī)組的長期運行，受熱面積灰堵塞，系統(tǒng)阻力進(jìn)一步增加，在夏季高負(fù)荷時，引風(fēng)機(jī)出力受限，出現(xiàn)氧量不足現(xiàn)象，主燃燒區(qū)缺氧更為嚴(yán)重。調(diào)取某工況數(shù)據(jù)：負(fù)荷1 000 MW，環(huán)境溫度30.7 ℃，甲/乙/丙引風(fēng)機(jī)電流434/443/405 A，引風(fēng)機(jī)全壓達(dá)到6.6 kPa，氧量僅為0.85%。

3.1.2" " 二次風(fēng)配風(fēng)

為控制NOx濃度，SOFA風(fēng)門開度較大，尤其是鍋爐摻燒貧煤時，脫硝進(jìn)口煙氣NOx濃度會顯著升高，為保證脫硝系統(tǒng)運行安全，降低脫硝出口NH3逃逸率，保證空預(yù)器不發(fā)生嚴(yán)重的NH4HSO4沉積，會采用減少主燃燒器區(qū)域二次風(fēng)量的措施。從運行歷史數(shù)據(jù)來看，中高負(fù)荷時SOFA風(fēng)門基本全開，同時為保證風(fēng)箱-爐膛差壓，只能壓縮主燃燒區(qū)二次風(fēng)門開度，導(dǎo)致開度普遍都不大，如此使得主燃燒區(qū)煙氣O2濃度低。此外，主燃燒區(qū)二次風(fēng)剛性弱，難以保證帶動一次風(fēng)射流形成良好的旋轉(zhuǎn)混合，不利于燃燒切圓的組織，一、二次風(fēng)混合不好更加重了局部煙氣的還原性與腐蝕性。

熱態(tài)時燃燒射流的切圓會較冷態(tài)時更大，運行中二次風(fēng)門控制時油槍風(fēng)開度較低，偏置風(fēng)的風(fēng)量份額相對上升，也會引起燃燒切圓的增大。燃燒切圓的增大會加劇煤粉刷邊現(xiàn)象，引起高溫腐蝕進(jìn)一步惡化。

圖6為滿負(fù)荷工況時，為降低脫硝SCR入口NOx，采用典型配風(fēng)方式，氧量0.9%，主燃區(qū)二次風(fēng)總量為1 400 t/h，SOFA層總風(fēng)量達(dá)到860 t/h，兩者配比0.62：0.38，主燃區(qū)缺氧明顯。

3.2" " 入爐煤質(zhì)

煙氣中硫分對爐膛的高溫腐蝕主要包括純氣體腐蝕、熔鹽腐蝕、在固相附著物參與作用下的氣體腐蝕以及在致腐氣體作用下的熔鹽腐蝕。氣體腐蝕主要包括SO2、SO3與H2S、HCl氣體；對鋼管形成腐蝕的熔鹽Na2SO4、K2SO4與Fe2O3、Al2O3作用生成低熔點的復(fù)合硫酸鹽，低熔點的堿金屬焦硫酸鹽與Fe2O3反應(yīng)生成復(fù)合硫酸鹽。其中SO2、SO3對鋼管的腐蝕為SO2在附著灰的催化作用下生成SO3，SO3與Fe、Fe2O3反應(yīng)；H2S腐蝕主要是與Fe、FeO發(fā)生反應(yīng)，在還原性氣氛下還會生成原子硫與Fe反應(yīng)[2]。一般在壁溫450 ℃以下時以H2S腐蝕為主，在450 ℃以上時SO2腐蝕逐漸增強(qiáng)。煙氣的還原性氣氛是生成H2S氣體的條件，當(dāng)燃燒器的過量空氣系數(shù)低于1時，H2S濃度急劇上升，穩(wěn)定值僅與燃煤的當(dāng)量含硫有關(guān)[3]。高溫腐蝕能溶解鋼管表面致密的氧化層，同時生成的腐蝕產(chǎn)物是疏松狀態(tài)的覆蓋層，腐蝕氣體可以通過附著層間隙到達(dá)鐵表面產(chǎn)生連續(xù)的腐蝕，因此腐蝕可以持久地進(jìn)行。

燃煤的硫分高是形成腐蝕的主要影響因素，在還原性氣氛下腐蝕速率與硫含量成明顯的線性關(guān)系，硫分越大腐蝕速率越快。由于腐蝕是一種不可逆行為，具有累積作用，局部煙氣中H2S濃度高，會產(chǎn)生嚴(yán)重的高溫腐蝕。

受煤炭市場影響，低硫煤采購困難，電廠難以保證原煤品質(zhì)。部分時段鍋爐存在入爐煤硫分偏高現(xiàn)象，調(diào)取某工況運行數(shù)據(jù)：入爐煤平均硫分0.932%（SO2：2 256 mg/Nm3），最高達(dá)到1.17%（SO2：2 860 mg/Nm3），如圖7所示，總體來看，平均硫分處于中高水平，但不排除存在單層燃燒器硫分更高的情況。

3.3" " 深度調(diào)峰影響

機(jī)組深度調(diào)峰運行對鍋爐高溫腐蝕也存在一定影響。深度調(diào)峰頻繁調(diào)用，機(jī)組運行于低負(fù)荷段的次數(shù)增加，低負(fù)荷段爐膛熱負(fù)荷均勻性、水動力穩(wěn)定性均降低，水冷壁金屬亦會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，尤其是對于下部水冷壁影響較大。

雖然低負(fù)荷運行時氧量較高，但由于爐膛溫度較低，煤粉的著火能力變差，導(dǎo)致著火點滯后、燃燼度降低，較大的未燃燼煤粉極易被甩到水冷壁上，燃煤灰分中的堿金屬在爐內(nèi)高溫狀態(tài)下呈氣態(tài)，氣態(tài)鈉、鉀成分在管子表面凝結(jié)，形成堿金屬化合物沉淀層，一些帶有其他成分的灰粒也同時粘附在管子表面。含硫燃料燃燒時生成的SO2、SO3氣體與堿金屬成分接觸發(fā)生反應(yīng)，形成熔融狀態(tài)的復(fù)合硫酸鹽，當(dāng)管壁溫度較高時，對管材腐蝕性很強(qiáng)。

4" " 防治措施

根據(jù)以上對水冷壁管高溫腐蝕的現(xiàn)象描述以及原因分析，提出以下防治措施：

（1）存在高溫腐蝕時宜在爐膛噴涂防磨防腐蝕的防護(hù)層，抵御爐膛的高溫腐蝕，進(jìn)行防腐防磨噴涂時，應(yīng)注意噴涂材料、噴涂工藝及噴涂過程質(zhì)量的監(jiān)督。

（2）控制燃煤含硫量，盡量做到高硫煤與低硫煤均勻摻配，防止燃煤中硫分時高時低地進(jìn)入爐膛，或個別噴嘴煤粉硫分高；避免同時摻燒硫分較高的煤種和灰熔點很低的煤種，防止結(jié)焦與高溫腐蝕相互促進(jìn)。

（3）在引風(fēng)機(jī)運行安全的前提下，適當(dāng)提高爐膛氧量；在NOx可控的前提下，盡可能提高主燃燒區(qū)二次風(fēng)門開度，風(fēng)量一定時，可提高油槍風(fēng)的小風(fēng)門開度，以降低同等風(fēng)量下的偏置風(fēng)量份額，達(dá)到縮小燃燒切圓的目的，減少煤粉飛邊的可能性。

（4）在燃煤硫分偏高時，應(yīng)適當(dāng)提高爐膛出口氧量，通過二次風(fēng)配風(fēng)，優(yōu)化SOFA風(fēng)、主燃燒區(qū)小風(fēng)門配置，確保主燃燒區(qū)氧量不低、二次風(fēng)射流剛性，減輕煙氣的腐蝕性，調(diào)整的同時應(yīng)兼顧NOx濃度。

（5）對于變形、燒損的燃燒器噴嘴，及時進(jìn)行修復(fù)，并清除噴嘴中的焦塊，保證二次風(fēng)通暢，并對所有二次風(fēng)門進(jìn)行遠(yuǎn)方、就地實際開度校驗，確保開度一致。

（6）導(dǎo)致水冷壁高溫腐蝕速率過快的其他因素有吹灰蒸汽吹損，當(dāng)吹灰蒸汽射流掃射存在高溫腐蝕的管子表面時，會將腐蝕產(chǎn)物吹走，加快了腐蝕產(chǎn)生的速率；腐蝕產(chǎn)生的附著物疏松，蒸汽射流可以更容易地吹損管子表面。建議檢修期間對水冷壁區(qū)域吹灰器加強(qiáng)檢查，確認(rèn)噴嘴伸入爐膛的深度是否合適，吹灰槍安裝角度是否發(fā)生偏斜；吹灰前充分暖管疏水，對管道保溫破損不全的及時恢復(fù)，確保吹灰蒸汽不帶水；在爐膛結(jié)焦不嚴(yán)重時，再熱蒸汽減溫水基本不投的狀況下，盡量減少爐膛吹灰器投入頻次。

（7）升降負(fù)荷操作時，加強(qiáng)分離器出口過熱度控制，盡量避免水冷壁溫度大幅波動和局部溫度偏差過大等問題。

（8）目前鍋爐部分水冷壁區(qū)域已有還原性氣氛測試孔，但由于儀器與測孔匹配原因，未進(jìn)行過測試，建議在高溫腐蝕較嚴(yán)重的區(qū)域，再增加適量水冷壁測孔，盡快安排定期測試形成臺賬，便于分析腐蝕速率，并根據(jù)實際情況進(jìn)行干預(yù)調(diào)整，將CO、H2S等還原性氣體控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，CO的體積分?jǐn)?shù)建議控制在2.0×10-2以內(nèi)，H2S的體積分?jǐn)?shù)控制在2.0×10-4以內(nèi)。

5" " 結(jié)束語

水冷壁高溫腐蝕是爐內(nèi)高溫?zé)煔馀c金屬壁面相互作用的一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在當(dāng)前高參數(shù)、大容量燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐中發(fā)生率較高，高溫腐蝕將導(dǎo)致水冷壁管壁減薄，嚴(yán)重時泄漏爆管，在當(dāng)前煤質(zhì)較差的市場環(huán)境下，電廠應(yīng)引起高度重視，從配煤控制、運行方式調(diào)整、還原性氣氛測試、水冷壁防腐噴涂等方面，結(jié)合本廠實際情況進(jìn)行預(yù)防和治理。

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收稿日期：2023-06-02

作者簡介：陶謙（1968—），男，江蘇南通人，工程師，長期從事火電機(jī)組調(diào)試與試驗工作。