神華國華壽電一期工程對(duì)沖燃燒鍋爐高溫腐蝕分析及預(yù)防

東方鍋爐近年來在國內(nèi)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(xiàn)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(yùn)行。通常認(rèn)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(duì)沖燃燒布置鍋爐因采用旋流燃燒器，對(duì)煙氣的卷吸率高、火焰行程短和爐內(nèi)熱負(fù)荷比較均勻。故認(rèn)為結(jié)渣和腐蝕較容易控制。然后，東方鍋爐仍有一些對(duì)沖燃燒布置的鍋爐存在較嚴(yán)重的水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象，說明對(duì)沖燃燒布置鍋爐的高溫腐蝕問題也需認(rèn)真研究解決。

腐蝕發(fā)生的區(qū)域通常是在燃燒器中心線位置標(biāo)高上下，即局部熱負(fù)荷較高，管壁溫度也較高的區(qū)域，其余區(qū)域的高溫腐蝕明顯減弱或根本不發(fā)生高溫腐蝕。發(fā)生高溫腐蝕的水冷壁管向火側(cè)的正面腐蝕最快的且減薄量最大，管子側(cè)面減薄量減少，而背火側(cè)面幾乎不減薄，因此爆管事故都是在管子向火側(cè)發(fā)生的。一般情況下，爐膛水冷壁的高溫腐蝕速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)使其管壁變薄、強(qiáng)度降低，容易造成爆管和泄露，從而嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)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(fā)生高溫受熱面上；氯化物型腐蝕主要發(fā)生在大型鍋爐燃燒器高溫區(qū)域的水冷壁管上；硫化物型腐蝕主要發(fā)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(fù)合作用的結(jié)果。

硫酸鹽型高溫腐蝕的形成：在爐內(nèi)高溫下，煤中的NaCl中的Na⁺易揮發(fā)，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(fā)生反應(yīng)，形成Na₂SO₄;另有一部分是易于揮發(fā)的硅酸鹽，與揮發(fā)的鈉發(fā)生置換反應(yīng)，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(diǎn)低。當(dāng)堿金屬硫酸鹽沉積到受熱面的壁管后會(huì)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(fù)合硫酸鹽，隨著復(fù)合硫酸鹽的沉積，其熔點(diǎn)降低，表面溫度升高。當(dāng)表面溫度升高到熔點(diǎn)，壁管表面的Fe₂O₃氧化保護(hù)膜被復(fù)合硫酸鹽破壞，使壁管繼續(xù)腐蝕。另外，浮著層中的焦硫酸鹽。由于熔點(diǎn)低，更容易與Fe₂O₃發(fā)生反應(yīng)生成(Na^. K)₃Fe(SO₄)₃,即形成反應(yīng)速度更快的熔鹽型腐蝕。

氯化物型腐蝕的形成：在爐內(nèi)高溫下，原煤中的NaCl中的易與H2O、SO2、SO3反應(yīng)，生成硫酸鹽和HCl氣體。同時(shí)凝結(jié)在水冷壁上的NaCl也會(huì)和硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)，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(hù)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(qiáng)還原性氣氛中則更為強(qiáng)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(dá)水冷壁管上，受熱會(huì)釋放出單原子硫和硫化亞鐵，H2S、SO2也會(huì)釋放出一定量的單原子硫。當(dāng)壁管溫度達(dá)到350℃時(shí)，單原子硫在還原性煙氣中會(huì)發(fā)生硫化作用生成硫化亞鐵，同時(shí)H2S也會(huì)通過硫松的Fe₂O₃與致密的磁性氧化鐵中FeO反應(yīng)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(yùn)行。硫化物型腐蝕持續(xù)發(fā)展的條件是：

1)黃鐵礦顆粒由于能到達(dá)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(rèn)為應(yīng)大于350℃。

綜上所訴，燃煤中的S、Cl、K、Na等物質(zhì)的存在是發(fā)生高溫腐蝕的內(nèi)在根源。而燃用劣質(zhì)煤所需要的氣流擾動(dòng)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(xiàn)還原性氣氛，為產(chǎn)生水冷壁高溫腐蝕提供了充分條件。現(xiàn)將產(chǎn)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(chǎn)生高溫腐蝕的物質(zhì)；

2）水冷壁附近出現(xiàn)還原性氣氛和腐蝕性氣體；

3）水冷壁腐蝕區(qū)域的壁溫在320℃以上；

4）腐蝕產(chǎn)物的剝落，使得腐蝕能不斷地滲透內(nèi)層。

3、腐蝕過程

   水冷壁的高溫腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，主要與水冷壁附近的溫度、氣體成分、煤質(zhì)成分和煤粒的運(yùn)動(dòng)狀況有關(guān)。由于爐內(nèi)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(zhì)成分不斷地?fù)]發(fā)出來，其中有一部分形成SO2、HCl、NaOH和H2S等腐蝕性較強(qiáng)的物質(zhì)，并對(duì)水冷壁產(chǎn)生腐蝕。當(dāng)水冷壁附近的煙氣處于還原性氣氛時(shí)，還原性氣氛將導(dǎo)致灰熔點(diǎn)的下降和灰沉積過程加快，從而加速受熱面的腐蝕。煤質(zhì)對(duì)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(diǎn)溫度相對(duì)較高，燃燒困難，容易產(chǎn)生不完全燃燒和火焰拖長，因而形成還原氣氛，致使?fàn)t內(nèi)腐蝕性氣氛增強(qiáng)。含硫高的煤出現(xiàn)腐蝕的可能性大，硫分越高，腐蝕性物質(zhì)濃度越大，與金屬管壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性越大，對(duì)水冷壁的腐蝕就越嚴(yán)重。另外，當(dāng)含有較多未燃盡的煤粉氣流直接沖向水冷壁時(shí)，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(dǎo)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(huì)黏附上去，灰粒中的腐蝕性物質(zhì)就會(huì)很容易地與水冷壁金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起嚴(yán)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(dá)1400~1600℃左右，因NaOH、SO2、HCl、H2S等腐蝕性氣體成份較多，同時(shí)水冷壁附近的煙氣還處于還原性氣氛，還原性氣氛導(dǎo)致了灰熔點(diǎn)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(qū)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(fù)荷很高會(huì)使壁溫升高，并常會(huì)引起管內(nèi)結(jié)水垢，這就更進(jìn)一步提高了管壁溫度，加速了腐蝕的進(jìn)程。

在燃煤機(jī)組發(fā)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(jīng)過分析可知，影響腐蝕的因素主要有以下幾個(gè)方面：燃煤品質(zhì)、煤粉細(xì)度、腐蝕區(qū)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(fā)份較低，著火溫度較高，燃燒困難，容易產(chǎn)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(dǎo)致水冷壁高溫腐蝕的發(fā)生。

燃煤中硫的含量也是一個(gè)相當(dāng)重要的因素。硫的含量越高，燃燒過程中產(chǎn)生的游離態(tài)硫與H2S含量越高，產(chǎn)生高溫腐蝕的可能性也越大。我國發(fā)生高溫腐蝕鍋爐的燃煤中硫含量大多數(shù)大于1%，有的甚至高達(dá)2~4%。

2)煤粉細(xì)度和腐蝕區(qū)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(fù)荷調(diào)峰

5、對(duì)沖燃燒布置鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題的實(shí)踐分析

   對(duì)沖燃燒布置鍋爐的高溫腐蝕通常發(fā)生在爐內(nèi)兩側(cè)墻水冷壁上，這主要是因這類鍋爐采用雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器前后墻對(duì)沖布置，該燃燒器的一次風(fēng)不旋轉(zhuǎn)，可調(diào)節(jié)內(nèi)外二次風(fēng)量比例和內(nèi)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度。由于一次風(fēng)并不旋轉(zhuǎn)，故當(dāng)一次風(fēng)速度較大時(shí)，造成前后墻的一次風(fēng)碰撞后煤粉氣流沖向兩側(cè)水冷壁，從而導(dǎo)致煤粉在水冷壁附近燃燒，產(chǎn)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(dǎo)致對(duì)沖布置鍋爐受高溫腐蝕關(guān)鍵所在。以國內(nèi)某電廠鍋爐為例，該爐燃燒器為對(duì)沖燃燒布置，前后墻各布置12只雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器，設(shè)計(jì)煤種為晉中貧煤。該爐投運(yùn)兩年后發(fā)現(xiàn)該爐兩側(cè)墻的水冷壁表面腐蝕磨損較為嚴(yán)重，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析及研究，認(rèn)為這主要是由于該爐的燃燒器為對(duì)沖布置，運(yùn)行中一次風(fēng)風(fēng)速較大，造成前后強(qiáng)的一次風(fēng)對(duì)沖后煤粉氣流沖向兩側(cè)水冷壁燃燒，致使該處水冷壁收到腐蝕及磨損。而一次風(fēng)由于管徑偏大，減小一次風(fēng)量又容易造成一次風(fēng)管堵塞，二次風(fēng)的葉片和擋板調(diào)節(jié)有限。為此，提出了安裝貼壁風(fēng)的辦法來解決該爐的高溫腐蝕及磨損問題。貼壁風(fēng)由二次風(fēng)箱引入，布置在兩側(cè)墻或前后墻上，使兩側(cè)墻水冷壁的附近有一層氣流經(jīng)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(fēng)的位置和尺寸，以及風(fēng)量的大小和風(fēng)速的高低對(duì)減輕水冷壁的高溫腐蝕非常關(guān)鍵。為了獲得這些數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)的鍋爐燃燒過程計(jì)算機(jī)模擬預(yù)示技術(shù)，根據(jù)對(duì)貼壁風(fēng)布置位置和風(fēng)速的選擇，并與改變二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度進(jìn)行比較，對(duì)該爐燃燒過程進(jìn)行額大量的模擬計(jì)算，以便得到解決該爐水冷壁高溫腐蝕及磨損切實(shí)可行的辦法。這里，僅選取幾個(gè)具有代表性的計(jì)算機(jī)模擬工況進(jìn)行討論。

貼壁風(fēng)布置在前后墻時(shí)，三層燃燒器共布置貼壁噴口12個(gè)，貼壁風(fēng)靠近兩側(cè)墻附近。每層貼壁風(fēng)噴口的中心標(biāo)高與各層燃燒器的中心標(biāo)高一致，噴入的方向也與一次風(fēng)的方向一致。通過計(jì)算機(jī)模擬不同工況，依據(jù)計(jì)算機(jī)提供的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律、爐膛出口溫度下的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)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(shí)際運(yùn)行工況

當(dāng)按目前該爐運(yùn)行工況配風(fēng)配煤時(shí)，從爐內(nèi)流場(chǎng)中可以看到煤粉氣流由前后墻燃燒器噴出后，因一次風(fēng)的速度較大，噴出的氣流碰撞后向兩側(cè)墻沖去。溫度場(chǎng)表明煤粉的兩側(cè)墻附近燃燒，兩側(cè)墻附近的溫度很高，約1300℃，在這種情況下爐內(nèi)水冷壁必然會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的高溫腐蝕。

2)內(nèi)外二次風(fēng)風(fēng)量比例的變化

改變內(nèi)外二次風(fēng)量的比例，對(duì)煤粉的初期著火和燃燒有影響，當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)較小時(shí)，著火和穩(wěn)燃較好。當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)較大時(shí)，著火推遲，煤粉的燃用率也受到影響。內(nèi)外二次風(fēng)量比例的改變，對(duì)爐內(nèi)整體溫度的分布影響不大，因此，對(duì)緩解爐內(nèi)的高溫腐蝕作用并不太大。

3)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的變化

內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的變化同樣對(duì)煤粉的初期著火和燃燒有一定影響，增加內(nèi)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度，有利于煤粉的著火，工況2時(shí)煤粉的著火距離較短。在一次風(fēng)速度較大的情況下，改變內(nèi)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度對(duì)爐內(nèi)整個(gè)溫度的分布影響不大，即對(duì)緩解爐內(nèi)的高溫腐蝕作用不大。

4) 一次風(fēng)速的變化

一次風(fēng)速的降低使得前后墻燃燒器噴出的氣流在爐內(nèi)的碰撞相對(duì)減弱，使?fàn)t內(nèi)沖向兩側(cè)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(fēng)速的降低對(duì)煤粉的著火和穩(wěn)定燃燒十分有利。

5)貼壁風(fēng)位置、噴口大小、風(fēng)量和風(fēng)速的影響

當(dāng)貼壁風(fēng)的位置選擇在前后墻上時(shí)，貼壁風(fēng)的風(fēng)量、風(fēng)速、噴口的截面積或噴口距兩側(cè)墻的距離的選擇對(duì)降低爐內(nèi)兩側(cè)墻水冷壁附近的溫度有較大影響。對(duì)降低兩側(cè)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(fēng)能有效地減輕爐內(nèi)水冷壁的高溫腐蝕，且不會(huì)對(duì)爐內(nèi)煤粉的著火穩(wěn)燃和燃盡造成不良影響。而其他方法對(duì)爐內(nèi)的煤粉著火和穩(wěn)定燃燒有一定作用，但對(duì)緩解爐內(nèi)水冷壁高溫腐蝕作用不大。

6 對(duì)沖燃燒布置鍋爐水冷壁高溫腐蝕的應(yīng)對(duì)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(shí)發(fā)生向火側(cè)嚴(yán)重腐蝕。燃料是控制腐蝕速率的第一道關(guān)口，應(yīng)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(xì)度

在運(yùn)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(dǎo)致爐內(nèi)局部缺氧、著火困難和燃燒不穩(wěn)定。因此，對(duì)于煤粉管道，一方面應(yīng)盡量減少它的彎頭及長度，另一方面可在管道內(nèi)裝設(shè)十字形的整流裝置來盡量消除氣流旋轉(zhuǎn)、加裝導(dǎo)流板來減輕因彎頭而引起的煤粉慣性分離；對(duì)于直吹式系統(tǒng)，應(yīng)注意控制一次風(fēng)壓不可太低。

煤粉較粗將會(huì)導(dǎo)致火焰沖墻、壁面附近燃燒強(qiáng)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(fēng)工況收到破壞時(shí)更是如此。因此要根據(jù)具體情況，控制好適當(dāng)?shù)拿悍奂?xì)度，以避免高溫腐蝕。

3）監(jiān)控水質(zhì)

4) 采用貼壁風(fēng)

5) 采用滲鋁管

6) 噴涂防磨防爆合金

7) 采用低氧燃燒技術(shù)

8) 避免長期低負(fù)荷運(yùn)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(tǒng)

壽電一期工程2x1000MW機(jī)組鍋爐為東鍋DG3002/29.4-II4型鍋爐，采用前后墻對(duì)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(yīng)用情況

針對(duì)以上提到的八個(gè)對(duì)沖燃燒布置鍋爐水冷壁高溫腐蝕的應(yīng)對(duì)措施，壽電一期工程對(duì)這幾個(gè)問題進(jìn)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(xì)度

3)      監(jiān)控水質(zhì)

4)      采用貼壁風(fēng)

5)      采用滲鋁管

6)      噴涂防磨防爆合金

7)      采用低氧燃燒技術(shù)

低氧燃燒的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

(1)    送風(fēng)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(fēng)機(jī)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(xiàn)高溫粘結(jié)灰；

(3)    能使三氧化硫生產(chǎn)量下降，煙氣露點(diǎn)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(chǎn)量，有利于環(huán)境保護(hù)。

8 結(jié)論

高溫腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，由于受煤種、受熱面材質(zhì)、燃燒方式、燃燒器結(jié)構(gòu)、運(yùn)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(yùn)行中不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)受熱面工作氛圍進(jìn)行檢測(cè)，大修時(shí)對(duì)受熱面進(jìn)行檢查，針對(duì)性的做好預(yù)防。壽電一期工程在設(shè)計(jì)、運(yùn)行和檢修方面，有針對(duì)性的對(duì)防止水冷壁區(qū)域高溫腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了分析和研究，并將這些措施應(yīng)用于壽電一期工程中，對(duì)其它同類型機(jī)組有很好的借鑒意義。