神華國華壽電一期工程對沖燃燒鍋爐高溫腐蝕分析及預防

東方鍋爐近年來在國內新建的一些大型鍋爐，不同程度地存在鍋爐水冷壁的高溫腐蝕現象，容易造成水冷壁的泄流和爆管，直接影響到鍋爐的安全運行。通常認為四角切圓燃燒鍋爐因切圓過大或火焰中心偏移，容易引起水冷壁的高溫腐蝕和磨損，而前后墻對沖燃燒布置鍋爐因采用旋流燃燒器，對煙氣的卷吸率高、火焰行程短和爐內熱負荷比較均勻。故認為結渣和腐蝕較容易控制。然后，東方鍋爐仍有一些對沖燃燒布置的鍋爐存在較嚴重的水冷壁高溫腐蝕現象，說明對沖燃燒布置鍋爐的高溫腐蝕問題也需認真研究解決。

腐蝕發生的區域通常是在燃燒器中心線位置標高上下，即局部熱負荷較高，管壁溫度也較高的區域，其余區域的高溫腐蝕明顯減弱或根本不發生高溫腐蝕。發生高溫腐蝕的水冷壁管向火側的正面腐蝕最快的且減薄量最大，管子側面減薄量減少，而背火側面幾乎不減薄，因此爆管事故都是在管子向火側發生的。一般情況下，爐膛水冷壁的高溫腐蝕速度遠遠超過其氧化速度，二者之比約為45：1。水冷壁上的高溫腐蝕會使其管壁變薄、強度降低，容易造成爆管和泄露，從而嚴重影響鍋爐的安全運行和壽命。

2、水冷壁高溫腐蝕形成的主要因素

2.1腐蝕原理

在燃煤鍋爐中，高溫腐蝕分為三種類型：硫酸鹽型、氯化物型和硫化物型。硫酸鹽型腐蝕主要發生高溫受熱面上；氯化物型腐蝕主要發生在大型鍋爐燃燒器高溫區域的水冷壁管上；硫化物型腐蝕主要發生在大型鍋爐水冷壁上。水冷壁的高溫腐蝕通常是由這三種類型腐蝕復合作用的結果。

硫酸鹽型高溫腐蝕的形成：在爐內高溫下，煤中的NaCl中的Na⁺易揮發，除一部分被熔融的硅酸鹽捕捉外，有一部分與煙氣中的SO₃發生反應，形成Na₂SO₄;另有一部分是易于揮發的硅酸鹽，與揮發的鈉發生置換反應，而釋放出來的鉀，與SO₃化合，生成K₂SO₄。而堿金屬硫酸鹽有粘性，且露點低。當堿金屬硫酸鹽沉積到受熱面的壁管后會在吸收SO₃，并與Fe₂O₃、Al₂O₃作用生成焦硫酸鹽。這樣一來，受熱面上熔融的硫酸鹽吸收SO₃并在Fe₂O₃、Al₂O₃作用下，生成復合硫酸鹽，隨著復合硫酸鹽的沉積，其熔點降低，表面溫度升高。當表面溫度升高到熔點，壁管表面的Fe₂O₃氧化保護膜被復合硫酸鹽破壞，使壁管繼續腐蝕。另外，浮著層中的焦硫酸鹽。由于熔點低，更容易與Fe₂O₃發生反應生成(Na^. K)₃Fe(SO₄)₃,即形成反應速度更快的熔鹽型腐蝕。

氯化物型腐蝕的形成：在爐內高溫下，原煤中的NaCl中的易與H2O、SO2、SO3反應，生成硫酸鹽和HCl氣體。同時凝結在水冷壁上的NaCl也會和硫酸鹽發生反應，生成HCl氣體，因此，沉積層中的HCl濃度要比煙氣中的大得多，致使受熱面管壁表面的Fe₂O₃氧化保護膜破壞。有研究表明，這種情況在CO和H₂濃度超過一定范圍的強還原性氣氛中則更為強烈。

硫化物型腐蝕的形成：這類腐蝕是由黃鐵礦硫造成的，黃鐵礦粉末隨著未燃盡煤粉到達水冷壁管上，受熱會釋放出單原子硫和硫化亞鐵，H2S、SO2也會釋放出一定量的單原子硫。當壁管溫度達到350℃時，單原子硫在還原性煙氣中會發生硫化作用生成硫化亞鐵，同時H2S也會通過硫松的Fe₂O₃與致密的磁性氧化鐵中FeO反應生成硫化亞鐵，并緩慢氧化生成Fe₂O₃，使壁管不斷被腐蝕，影響鍋爐的安全運行。硫化物型腐蝕持續發展的條件是：

1)黃鐵礦顆粒由于能到達壁面；

2)近壁附近是還原性氣氛；

3)有較高的壁面溫度。一般認為應大于350℃。

綜上所訴，燃煤中的S、Cl、K、Na等物質的存在是發生高溫腐蝕的內在根源。而燃用劣質煤所需要的氣流擾動和較高的燃燒溫度，使煤粉火焰容易刷墻以及水冷壁附近可能出現還原性氣氛，為產生水冷壁高溫腐蝕提供了充分條件。現將產生高溫腐蝕的條件，歸納如下：

1）燃煤中存在一定含量的S、Cl、K、Na等可產生高溫腐蝕的物質；

2）水冷壁附近出現還原性氣氛和腐蝕性氣體；

3）水冷壁腐蝕區域的壁溫在320℃以上；

4）腐蝕產物的剝落，使得腐蝕能不斷地滲透內層。

3、腐蝕過程

   水冷壁的高溫腐蝕是一個復雜的物理化學過程，主要與水冷壁附近的溫度、氣體成分、煤質成分和煤粒的運動狀況有關。由于爐內燃燒不均勻，水冷壁附近局部溫度增高，使水冷壁壁面溫度提高，在高溫下水冷壁高溫管材料容易老化，抗磨損和腐蝕性能降低。煤粉在燃燒過程中，煤中的礦物質成分不斷地揮發出來，其中有一部分形成SO2、HCl、NaOH和H2S等腐蝕性較強的物質，并對水冷壁產生腐蝕。當水冷壁附近的煙氣處于還原性氣氛時，還原性氣氛將導致灰熔點的下降和灰沉積過程加快，從而加速受熱面的腐蝕。煤質對高溫腐蝕也有一定影響，燃用無煙煤和貧煤的鍋爐，煤的著火點溫度相對較高，燃燒困難，容易產生不完全燃燒和火焰拖長，因而形成還原氣氛，致使爐內腐蝕性氣氛增強。含硫高的煤出現腐蝕的可能性大，硫分越高，腐蝕性物質濃度越大，與金屬管壁發生化學反應的可能性越大，對水冷壁的腐蝕就越嚴重。另外，當含有較多未燃盡的煤粉氣流直接沖向水冷壁時，這股氣流除了造成水冷壁附近的溫度增加和形成還原氣氛外，其中的煤粉顆粒將直接沖刷水冷壁，導致水冷壁的磨損，并由于氣流中攜帶著已熔化的灰粒，這些灰粒撞擊到水冷壁后會黏附上去，灰粒中的腐蝕性物質就會很容易地與水冷壁金屬發生化學反應，引起嚴重的腐蝕和磨損。

4、大型燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕主要原因

   影響水冷壁外部腐蝕的最主要因素是水冷壁附近的煙氣成份和管壁溫度。具體地說由于燃燒器附近因火焰溫度可達1400~1600℃左右，因NaOH、SO2、HCl、H2S等腐蝕性氣體成份較多，同時水冷壁附近的煙氣還處于還原性氣氛，還原性氣氛導致了灰熔點溫度的下降和灰沉積過程加快，從而引起受熱面的腐蝕；另一方面，由于燃燒器區附近的水冷壁管的熱流密度很大，溫度梯度也很大，管壁溫度常在350~400℃左右。通過水冷壁的熱負荷很高會使壁溫升高，并常會引起管內結水垢，這就更進一步提高了管壁溫度，加速了腐蝕的進程。

在燃煤機組發生高溫腐蝕的過程中，其腐蝕類型基本上都屬于還原性氣氛下的硫化物型高溫腐蝕。經過分析可知，影響腐蝕的因素主要有以下幾個方面：燃煤品質、煤粉細度、腐蝕區域的還原性氣氛、煤粉近壁燃燒以及水冷壁溫度條件等。

1) 燃煤因素

無煙煤與貧煤的揮發份較低，著火溫度較高，燃燒困難，容易產生不完全燃燒和火焰沖墻，從而在近壁處形成還原性氣氛，導致水冷壁高溫腐蝕的發生。

燃煤中硫的含量也是一個相當重要的因素。硫的含量越高，燃燒過程中產生的游離態硫與H2S含量越高，產生高溫腐蝕的可能性也越大。我國發生高溫腐蝕鍋爐的燃煤中硫含量大多數大于1%，有的甚至高達2~4%。

2)煤粉細度和腐蝕區域的還原性氣氛

3)水冷壁溫度條件

4)燃燒器及其布置方式

5)參與變負荷調峰

5、對沖燃燒布置鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題的實踐分析

   對沖燃燒布置鍋爐的高溫腐蝕通常發生在爐內兩側墻水冷壁上，這主要是因這類鍋爐采用雙調風旋流燃燒器前后墻對沖布置，該燃燒器的一次風不旋轉，可調節內外二次風量比例和內二次風的旋流強度。由于一次風并不旋轉，故當一次風速度較大時，造成前后墻的一次風碰撞后煤粉氣流沖向兩側水冷壁，從而導致煤粉在水冷壁附近燃燒，產生較高的溫度和煤粉沖刷水冷壁，以及腐蝕性氣氛的形成，使得水冷壁易受腐蝕和磨損，是導致對沖布置鍋爐受高溫腐蝕關鍵所在。以國內某電廠鍋爐為例，該爐燃燒器為對沖燃燒布置，前后墻各布置12只雙調風旋流燃燒器，設計煤種為晉中貧煤。該爐投運兩年后發現該爐兩側墻的水冷壁表面腐蝕磨損較為嚴重，經過現場分析及研究，認為這主要是由于該爐的燃燒器為對沖布置，運行中一次風風速較大，造成前后強的一次風對沖后煤粉氣流沖向兩側水冷壁燃燒，致使該處水冷壁收到腐蝕及磨損。而一次風由于管徑偏大，減小一次風量又容易造成一次風管堵塞，二次風的葉片和擋板調節有限。為此，提出了安裝貼壁風的辦法來解決該爐的高溫腐蝕及磨損問題。貼壁風由二次風箱引入，布置在兩側墻或前后墻上，使兩側墻水冷壁的附近有一層氣流經過，減輕水冷壁附近受高溫的影響。煤粉的沖刷和還原性氣氛的形式，緩解水冷壁的高溫腐蝕和磨損。

貼壁風的位置和尺寸，以及風量的大小和風速的高低對減輕水冷壁的高溫腐蝕非常關鍵。為了獲得這些數據，采用先進的鍋爐燃燒過程計算機模擬預示技術，根據對貼壁風布置位置和風速的選擇，并與改變二次風的旋流強度進行比較，對該爐燃燒過程進行額大量的模擬計算，以便得到解決該爐水冷壁高溫腐蝕及磨損切實可行的辦法。這里，僅選取幾個具有代表性的計算機模擬工況進行討論。

貼壁風布置在前后墻時，三層燃燒器共布置貼壁噴口12個，貼壁風靠近兩側墻附近。每層貼壁風噴口的中心標高與各層燃燒器的中心標高一致，噴入的方向也與一次風的方向一致。通過計算機模擬不同工況，依據計算機提供的溫度場、速度場、煤粉顆粒運動規律、爐膛出口溫度下的溫度場和速度場上的定性判斷以及爐膛出口溫度和煤粉的燃盡率。

1)鍋爐實際運行工況

當按目前該爐運行工況配風配煤時，從爐內流場中可以看到煤粉氣流由前后墻燃燒器噴出后，因一次風的速度較大，噴出的氣流碰撞后向兩側墻沖去。溫度場表明煤粉的兩側墻附近燃燒，兩側墻附近的溫度很高，約1300℃，在這種情況下爐內水冷壁必然會產生較嚴重的高溫腐蝕。

2)內外二次風風量比例的變化

改變內外二次風量的比例，對煤粉的初期著火和燃燒有影響，當內二次風較小時，著火和穩燃較好。當內二次風較大時，著火推遲，煤粉的燃用率也受到影響。內外二次風量比例的改變，對爐內整體溫度的分布影響不大，因此，對緩解爐內的高溫腐蝕作用并不太大。

3)內二次風旋流強度的變化

內二次風旋流強度的變化同樣對煤粉的初期著火和燃燒有一定影響，增加內二次風的旋流強度，有利于煤粉的著火，工況2時煤粉的著火距離較短。在一次風速度較大的情況下，改變內二次風的旋流強度對爐內整個溫度的分布影響不大，即對緩解爐內的高溫腐蝕作用不大。

4) 一次風速的變化

一次風速的降低使得前后墻燃燒器噴出的氣流在爐內的碰撞相對減弱，使爐內沖向兩側水冷壁的氣流減少，略可降低水冷壁附近的溫度，減緩了水冷壁的高溫腐蝕，但沒有從根本上解決鍋爐的高溫腐蝕問題。一次風速的降低對煤粉的著火和穩定燃燒十分有利。

5)貼壁風位置、噴口大小、風量和風速的影響

當貼壁風的位置選擇在前后墻上時，貼壁風的風量、風速、噴口的截面積或噴口距兩側墻的距離的選擇對降低爐內兩側墻水冷壁附近的溫度有較大影響。對降低兩側墻水冷壁附近的高溫有一定的作用。

由以上分析可知，布置貼壁風能有效地減輕爐內水冷壁的高溫腐蝕，且不會對爐內煤粉的著火穩燃和燃盡造成不良影響。而其他方法對爐內的煤粉著火和穩定燃燒有一定作用，但對緩解爐內水冷壁高溫腐蝕作用不大。

6 對沖燃燒布置鍋爐水冷壁高溫腐蝕的應對措施

1) 控制燃料中的硫和氯含量

控制燃料中的硫和氯含量可降低腐蝕速率。研究顯示，水冷壁管常在燃料品種變化時發生向火側嚴重腐蝕。燃料是控制腐蝕速率的第一道關口，應燃用含硫量低于0.8%的煤種，以降低腐蝕速率。

2)均勻供粉、合適的煤粉細度

在運行中，若不能保證向各燃燒器均勻送粉，則各燃燒器煤粉空氣配比就不可能保持均勻，易導致爐內局部缺氧、著火困難和燃燒不穩定。因此，對于煤粉管道，一方面應盡量減少它的彎頭及長度，另一方面可在管道內裝設十字形的整流裝置來盡量消除氣流旋轉、加裝導流板來減輕因彎頭而引起的煤粉慣性分離；對于直吹式系統，應注意控制一次風壓不可太低。

煤粉較粗將會導致火焰沖墻、壁面附近燃燒強度高、煤粉難于燃盡等，從而引起高溫腐蝕與磨損。燃燒器供粉不均或供風工況收到破壞時更是如此。因此要根據具體情況，控制好適當的煤粉細度，以避免高溫腐蝕。

3）監控水質

4) 采用貼壁風

5) 采用滲鋁管

6) 噴涂防磨防爆合金

7) 采用低氧燃燒技術

8) 避免長期低負荷運行

7 壽電工程防止鍋爐水冷壁高溫腐蝕措施

1）壽電一期工程燃燒系統

壽電一期工程2x1000MW機組鍋爐為東鍋DG3002/29.4-II4型鍋爐，采用前后墻對沖燃燒方式。

2）壽電一期工程控制鍋爐水冷壁高溫腐蝕有效措施的應用情況

針對以上提到的八個對沖燃燒布置鍋爐水冷壁高溫腐蝕的應對措施，壽電一期工程對這幾個問題進行了有效避免。

1)      控制燃料中的硫和氯含量

2)      均勻供粉、合適的煤粉細度

3)      監控水質

4)      采用貼壁風

5)      采用滲鋁管

6)      噴涂防磨防爆合金

7)      采用低氧燃燒技術

低氧燃燒的優點主要有以下幾個方面：

(1)    送風量和煙氣量減小使排煙熱損失下降，鍋爐效率提高，并使吸、送風機耗電量減小；

(2)    煙氣中剩余氧濃度降低，金屬高溫氧化的可能性降低，并能降低五氧化二釩的生成量，能有效地減輕受熱面的高溫腐蝕和防止出現高溫粘結灰；

(3)    能使三氧化硫生產量下降，煙氣露點溫降低，有利于防止受熱面的低溫腐蝕；

(4)    減少氮氧化合物生產量，有利于環境保護。

8 結論

高溫腐蝕是一個復雜的物理過程，由于受煤種、受熱面材質、燃燒方式、燃燒器結構、運行方式等影響，高溫腐蝕是鍋爐燃燒中不可避免存在的問題，需要在運行中不斷的總結經驗，對受熱面工作氛圍進行檢測，大修時對受熱面進行檢查，針對性的做好預防。壽電一期工程在設計、運行和檢修方面，有針對性的對防止水冷壁區域高溫腐蝕現象進行了分析和研究，并將這些措施應用于壽電一期工程中，對其它同類型機組有很好的借鑒意義。