燃煤鍋爐還原區(qū) H₂S 生成模型研究與水冷壁腐蝕防治

中圖分類號：TQ116;TP391.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）07-0114-03

Abstract：Inrecentyears，afterthe completion of ultra-low emisiontransformation of coal-fired units，theemission of nitrogenoxides has been efectively controlled.However，due to the wideapplication of low-nitrogencombustion technology，the reduction zone of coal-fired boiler has more reducing gases such as CO and H₂ ，resulting in an increase in H₂S concentration，further leading to high-temperature corrosion of water-cooled wall pipelines and affecting the safe operation of the unit.In this paper，the production mechanism of H₂S was analyzed，and a model of H₂ S generation easy toapplywasobtained，which was verified byactual measurements.Finally，the measures toreduce the high-temperature corrosion of the water wall were analyzed.

Keywords：coal-fired boiler;reduction zone; H₂S ；model research；high-temperaturecorrosion

近年來，全國絕大部分燃煤機(jī)組完成超低排放改造，這使得氮氧化物污染物的排放得到了進(jìn)一步降低。在改造之后，氮氧化物排放上限僅為50mg/m³ ，這一嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)極大地減少了燃煤對環(huán)境的影響，為全國的空氣質(zhì)量改善做出了積極貢獻(xiàn)。為達(dá)到這一排放要求，通常需要在燃燒脫硝和煙氣脫硝兩方面同時采取措施，主流技術(shù)為低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝SCR技術(shù)[1]

燃煤電廠低氮燃燒技術(shù)采用爐內(nèi)垂直方向上空氣分級燃燒的方法來減少 NO_x 排放?？諝夥旨壢紵夹g(shù)將燃燒所需的空氣量分級送入：燃料先在缺氧的條件下燃燒，降低燃燒速度和溫度，抑制了燃料型NOx的生成；在燃盡區(qū)，燃燒得到充分進(jìn)行，但由于溫度較低，氮氧化物生成量也能得到有效控制。

低氮燃燒技術(shù)在降低氮氧化物的同時，在還原區(qū)會形成較高含量的還原氣氛（CO含量可能達(dá)到1% 以上），此時燃料中的硫元素傾向于轉(zhuǎn)化為 H₂S 當(dāng)鍋爐水冷壁附近 H₂S 體積分?jǐn)?shù)超過 100μL/L 時[2]，容易引起水冷壁管道的高溫腐蝕，嚴(yán)重時引起水冷壁爆管，進(jìn)而影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

為了避免超低排放后出現(xiàn)水冷壁高溫腐蝕，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。崔強(qiáng)等旋流燃燒鍋爐為研究對象，進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗，研究不同燃燒參數(shù)對 H₂S 濃度的影響[3]，為對沖旋流燃燒鍋爐水冷壁高溫腐蝕防治提供參考。彭志敏等研究了基于TDLAS技術(shù)測量鍋爐水冷壁近壁面 CO/H₂S 含量的方法[4]，為 H₂S 的在線高精度測量提供了基礎(chǔ)。鄧?yán)诘冗M(jìn)行了切圓燃煤鍋爐 H₂S 分布特性的數(shù)值模擬研究，用數(shù)據(jù)模擬的辦法計算了爐膛內(nèi)的 H₂S 分布情況，并定量分析了不同工況下，鍋爐運(yùn)行參數(shù)對于HS濃度影響程度[5]

1還原區(qū) H₂S 生成數(shù)學(xué)模型

1.1 H₂S 生成模型概述

燃料中的硫元素，除了少部分以無機(jī)硫的形式存在灰分中外，大部分會熱解形成氣相物質(zhì)，包括等。

Strohl等對褐煤燃燒過程中重要含硫組分的反應(yīng)動力學(xué)展開相關(guān)研究，建立詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型，包括10種含硫組分和49個基元反應(yīng)，并用GRI-2.11機(jī)理描述烷烴類的相關(guān)反應(yīng)。預(yù)測了CO和H₂S 含量的分布趨勢。其結(jié)果表明：在煤粉熱解階段， H₂S 大量釋放，迅速被氧化為 SO₂ ；隨著燃燒過程的進(jìn)行，在還原性氣氛下， SO₂ 又被還原為H₂S^[6] 。謝召祥等采用了Kramlich 提出的硫化物簡化反應(yīng)機(jī)理模型，進(jìn)行了燃盡風(fēng)對 H₂S 和CO影響的數(shù)值計算研究。該模型包含8個基元反應(yīng)。結(jié)果表明：隨著燃盡風(fēng)率減小，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)增大，爐膛近壁面區(qū)的CO體積分?jǐn)?shù)降低、 O₂ 體積分?jǐn)?shù)升高 ，H₂S 體積分?jǐn)?shù)降低[7]

現(xiàn)有模型主要為動力學(xué)模型，且包含的基元反應(yīng)數(shù)量龐大，適合進(jìn)行離線的 H₂S 分布規(guī)律的研究。而在實際中，還原區(qū)的反應(yīng)往往進(jìn)行比較充分，且許多工況參數(shù)（如氧量、CO含量等）易于獲得，因此采用熱力學(xué)模型，不但能簡化計算，還能獲得較可靠的結(jié)果。

1.2 H₂S 生成熱力學(xué)模型

在燃煤鍋爐中為微負(fù)壓、高溫環(huán)境，存在大量的CO₂、N₂ 和少量的CO、 SO₂ 、 H₂S，H₂O 等。鄧?yán)诮o出了包含10個化學(xué)反應(yīng)的總包方程及化學(xué)動力學(xué)參數(shù)（見表1）[5]；但指前因子差異較大，為簡化分析，選取其中指前因子較大的方程進(jìn)行分析。

還原區(qū)中，水分含量主要取決于燃料中的水分含量及氫含量，當(dāng)燃料和燃燒工況無變化時可以看成常數(shù)?？梢姡岣哌€原區(qū)的氧含量可以有效降低H₂S 含量。

根據(jù)方程1、2和5，可得：

可見， H₂S 含量和 CO/CO₂ 比例的3次方成正比。減少還原氣體CO對于降低 H₂S 具有非常關(guān)鍵的影響。

式（1）式（2）可以作為還原區(qū) H₂S 含量的預(yù)測模型。在實際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場能夠測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行選取。需要說明的是，該模型公式是在化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)這一簡化下得到的，這與實際的含量會存在一定誤差。

2 還原區(qū) H₂S 生成的試驗驗證

2.1 試驗概述

國能某發(fā)電有限責(zé)任公司 1 000MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的DG3035/29.3-II1 型超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、鍋爐采用Ⅱ型布置方式，前后墻對沖燃燒方式，采用雙層等離子點火系統(tǒng)，燃燒器采用東方鍋爐股份有限公司設(shè)計的外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器。配用中速磨冷一次風(fēng)直吹式制粉系統(tǒng)，每臺鍋爐配置6臺磨煤機(jī)。電廠為實現(xiàn)NOx超低排放，采用低氮燃燒控制技術(shù)，在這種燃燒情況下，雖然可以抑制NOx的生成，但是燃盡及還原區(qū)深度缺氧，會造成CO含量的急劇增加，從而大大增加化學(xué)未完全燃燒熱損失。此外， H₂S/CO 含量劇增會導(dǎo)致爐膛內(nèi)不充分燃燒、水冷壁高溫腐蝕、結(jié)渣等情況發(fā)生。基于以上問題提出在鍋爐水冷壁近壁面測量碳（CO）、總硫（ H₂S/SO₂ ）、總氮（ NO/NO₂ ）和氧量（ 0₂ ）含量，通過測量其含量可直接反映爐膛內(nèi)燃燒狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配風(fēng)調(diào)整，有助于燃燒優(yōu)化，避免爐膛結(jié)渣和腐蝕。本項目基于多光譜技術(shù)對鍋爐水冷壁近壁面碳、總硫、總氮以及氧量含量進(jìn)行測量，然后根據(jù)測量數(shù)值進(jìn)行燃燒優(yōu)化控制。

在鍋爐還原區(qū)標(biāo)高 41.3m 平面上安裝8個取樣探頭（前、后、左、右墻面，每墻各2個），每個取樣探頭均可實現(xiàn)多種氣體含量的分析。

2.2 試驗結(jié)果分析

在機(jī)組高（ 950MW ）、中（ 600MW ）負(fù)荷下，實測還原區(qū)1～8號測點的氮氧化物、氧量、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫的含量，結(jié)果如表2、表3所示。

應(yīng)用式（2），需要有 CO₂ 含量數(shù)據(jù)，而本項目并沒有進(jìn)行 CO₂ 含量測量，無法使用式（2）進(jìn)行擬合，因此選用式（1）進(jìn)行擬合分析。與式（1）要求的數(shù)據(jù)相比，實際測量時也缺乏 H₂O 含量數(shù)據(jù)，但 H₂O 含量與煤質(zhì)高度相關(guān)，短期內(nèi)可認(rèn)為常數(shù)。

將中負(fù)荷時試驗數(shù)據(jù)，用式（1）進(jìn)行擬合，得到c（H₂O）/k₃=90 ，并將用式（1）的結(jié)果作為計算值，在表2中分別列出了 H₂S 計算值與實際值，可見計算值與實測值吻合較好。此時 H₂S 的計算公式為： ;

同理，將高負(fù)荷時試驗數(shù)據(jù)，用式（1）進(jìn)行擬合，c（H₂O）/k₃=18 （見表3）。高負(fù)荷時的 c（H₂O）/k₃ 相對較低，可能是由于煤質(zhì)變化造成的。此時 H₂S 的計算公式為： c（H₂S）=18?c（S0₂）?c^-1.5（O₂） 。

在實際應(yīng)用中，機(jī)組在不同負(fù)荷下采用不同的公式進(jìn)行理論計算，以指導(dǎo)運(yùn)行。

3減少水冷壁高溫腐蝕的措施

燃煤鍋爐爐內(nèi)氣氛對水冷壁高溫腐蝕有著重要的影響。爐內(nèi)氣氛中的還原性氣體（如CO、 H₂ 、 CH₄ 等）會導(dǎo)致水冷壁腐蝕速率增加。因此，控制爐內(nèi)氣氛對于減少水冷壁高溫腐蝕非常重要?？刂茽t內(nèi)氣氛，減少水冷壁高溫腐蝕的具體措施有燃料控制、運(yùn)行控制兩方面。

燃料控制方面：對入廠的煤進(jìn)行嚴(yán)格控制，包括揮發(fā)份、低位發(fā)熱量、灰分、含硫量等參數(shù)。盡量減少使用貧煤或高硫煤，并燃燒前和燃燒過程中都可以進(jìn)行除硫以此來使煤中硫的含量降低。建議將入爐煤硫分控制在 0.8% 以下，并建立基于硫形態(tài)分析的配煤預(yù)警機(jī)制。

運(yùn)行控制方面：調(diào)整一、二次風(fēng)粉系統(tǒng)，使?fàn)t內(nèi)熱負(fù)荷分配均勻，降低兩側(cè)給水流量偏差，使?fàn)t內(nèi)火焰中心正常，水冷壁區(qū)域處在較均勻性的氧化性氣氛中，從而遏制水冷壁的高溫腐蝕。

4結(jié)語

（1）基于燃煤鍋爐還原區(qū)氣固反應(yīng)特性，構(gòu)建了 H₂S 生成的熱力學(xué)預(yù)測模型，揭示了 H₂S 含量與SO₂、O₂ 及CO的函數(shù)關(guān)系。模型驗證表明，在中、高負(fù)荷工況下， H₂S 含量計算值與實測值的誤差在可接受范圍內(nèi)，能夠有效反映不同運(yùn)行條件下的含量變化趨勢。特別是模型中發(fā)現(xiàn)的 H₂S 含量與氧含量的定量關(guān)系，為現(xiàn)場氧量調(diào)控提供了量化依據(jù)；（2）提出分級防控技術(shù)體系，在燃料控制層面，建議將入爐煤硫分控制在 0.8% 以下，并建立基于硫形態(tài)分析的配煤預(yù)警機(jī)制；在運(yùn)行調(diào)控方面，調(diào)整一、二次風(fēng)粉系統(tǒng)，使?fàn)t內(nèi)火焰中心正常，從而遏制水冷壁的高溫腐蝕。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 張瑩瑩.燃煤鍋爐煙氣超低排放技術(shù)研究［J].節(jié)能與環(huán)保，2020，（12）：65-66.

[2] KUNG，STEVENC.Furtherunderstandingof furnacewallcorrosion in coal-fired boilers[J].Corrosion，2014，70（7） ：749-763.

[3] 崔強(qiáng)，張振魯，李洪瑞.670MW對沖旋流燃燒鍋爐防高溫腐蝕試驗研究［J].熱能動力工程，2023，38（6）：182-188.

[4] 彭志敏，賀拴玲，周佩麗，等.基于TDLAS的煤粉鍋爐水冷壁近壁面CO/H2S同步在線監(jiān)測[J].熱力發(fā)電，2022，51（10）：145-152.

[5] 鄧?yán)?，袁茂博，楊家輝，等.寬負(fù)荷下切圓燃煤鍋爐H2S分布特性的數(shù)值模擬［J].煤炭學(xué)報，2024，49（6） ：2887-2895.

[6] STROEHLEJ，CHENX，ZORBACHI，etal.Validation ofadetailed reaction mechanism for sulfurspeciesin coalcombustion[J].CombustionScienceamp;Technology，2014，186（4-6） ：540-551.

[7]謝召祥，凌鵬，湛芳，等.分離燃盡風(fēng)對貧煤鍋爐CO和H₂S 生成特性的影響［J].動力工程學(xué)報，2021，41（9） ：729-735.

（本欄目責(zé)任編輯：蘇慢）