丁　彪

(大唐林州熱電有限責(zé)任公司，河南 安陽　456561)

1　水冷壁的高溫腐蝕和結(jié)渣現(xiàn)象

大唐林州熱電采用低氮燃燒技術(shù)鍋爐，順時針切圓燃燒。水冷壁高溫硫腐蝕和結(jié)渣主要發(fā)生在燃燒區(qū)域向火側(cè)，如圖1所示。

圖1　高溫腐蝕及爐內(nèi)結(jié)渣發(fā)生的部位

為了提高再熱器氣溫，運(yùn)行調(diào)整采用投運(yùn)上層燃燒器的燃燒方式，則煤粉的燃燒位置上移，那么上層燃燒器至燃盡風(fēng)區(qū)域也會發(fā)生腐蝕。大唐林州熱電1、2號鍋爐在檢修時發(fā)現(xiàn)E層燃燒器高度(標(biāo)高：27 m)后墻靠向火側(cè)水冷壁管減薄，且表面凹凸不平，有明顯片狀剝落痕跡，管壁上也存在不規(guī)則的突起，在檢查中發(fā)現(xiàn)有的管子管壁減薄超過管子總壁厚的30%，管子已不能滿足鍋爐安全運(yùn)行要求。結(jié)合管子腐蝕形態(tài)、爐內(nèi)燃燒環(huán)境以及腐蝕產(chǎn)物等綜合分析，確認(rèn)為典型的硫化物型高溫腐蝕[1-2]。同時發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)大面積結(jié)渣，結(jié)渣主要發(fā)生在燃盡風(fēng)高度以下主燃區(qū)向火測。

2　高溫腐蝕及爐內(nèi)結(jié)渣的機(jī)理及影響因素

水冷壁高溫腐蝕的主要腐蝕方式是H2S及原子硫與鐵反應(yīng)形成的腐蝕。壁面H2S氣體的濃度越高，高溫腐蝕就越嚴(yán)重[3]。腐蝕速度與H2S濃度的關(guān)系如圖2所示。

圖2　腐蝕速度與H2S濃度的關(guān)系

H2S氣體的濃度除與燃煤含硫量有關(guān)外，還與壁面處CO濃度有關(guān)，在相同含硫量下，CO氣體濃度越高，H2S氣體的濃度也越高。發(fā)生嚴(yán)重高溫腐蝕的水冷壁面處，含氧量一般低于0.5%、CO濃度>5 000 μL/L、H2S濃度在300～800 μL/L。H2S氣體濃度與過剩空氣系數(shù)和CO2濃度的關(guān)系如圖3所示。

圖3　H2S氣體濃度與過?？諝庀禂?shù)、CO濃度的關(guān)系

從圖3可以看出，在含硫量不變的情況下，解決高溫腐蝕的方向是提高壁面附近氧的濃度從而降低CO濃度，降低壁面CO濃度繼而降低H2S氣體的濃度，最終解決高溫腐蝕問題。

爐內(nèi)結(jié)渣的機(jī)理是熔融的灰在到達(dá)壁面前未冷卻到軟化溫度以下，在水冷壁面上的沾污堆積。爐內(nèi)結(jié)渣主要與爐內(nèi)煤粉氣流的刷墻及灰熔融溫度降低相關(guān)聯(lián)，爐內(nèi)切圓直徑越大，氣流刷墻的概率越高；壁面還原性氣體濃度越高，灰熔點(diǎn)溫度下降幅度越大，結(jié)渣的可能行也越高[4]。結(jié)渣的治理主要從減小爐內(nèi)切圓直徑及改善壁面還原性條件入手。

3　低氮燃燒器改造后高溫腐蝕及結(jié)渣的原因

低氮燃燒器改造的主要內(nèi)容是通過在燃燒器上部增設(shè)分離燃盡風(fēng)，將燃燒進(jìn)行分級，形成主燃燒器區(qū)域缺氧燃燒的環(huán)境。低氮燃燒器改造后燃盡風(fēng)以下區(qū)域總體缺氧的環(huán)境是不會改變的，燃燒器改造時要使近壁處形成富氧環(huán)境才能避免高溫腐蝕的發(fā)生。該爐低氮燃燒器改造時一次風(fēng)采用百葉窗濃縮器，濃、淡煤粉間設(shè)有垂直鈍體，使?jié)獾淮物L(fēng)之間6°的夾角。濃側(cè)為向火側(cè)，淡側(cè)為背火側(cè)，期望形成濃側(cè)靠向爐膛中心、淡側(cè)靠在爐膛外側(cè)風(fēng)包粉的氣流結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示。

為防止?fàn)t膛結(jié)渣及高溫腐蝕，將BC、CDⅡ?qū)佣物L(fēng)上下各隔出風(fēng)口，與主燃燒器射流方向正向偏轉(zhuǎn)22°，期望形成貼壁風(fēng)以保護(hù)水冷壁使之不產(chǎn)生高溫腐蝕，如圖4(b)所示。

圖4　濃淡分離及一、二風(fēng)氣流結(jié)構(gòu)

但實(shí)際情況與期望正好相反，部分二次風(fēng)大角度正向偏轉(zhuǎn)會使?fàn)t內(nèi)切圓直徑增大，同時動量較小一次風(fēng)射流受同角偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)的引射及上游偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)氣流對其根部沖擊點(diǎn)提前的影響，其偏轉(zhuǎn)程度更加嚴(yán)重，造成一次風(fēng)煤粉與二次風(fēng)的分離，形成粉包風(fēng)的氣流分布如圖5所示。如此使?fàn)t內(nèi)燃燒在向火側(cè)更貼近壁面，并且由于得不到二次風(fēng)中氧的補(bǔ)充，向火側(cè)壁面附近呈嚴(yán)重的缺風(fēng)燃燒狀態(tài)，產(chǎn)生高濃度的CO及H2S氣體,對水冷壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的高溫腐蝕，同時由于切圓直徑變大，氣流刷墻嚴(yán)重，加之強(qiáng)還原性氣氛，使灰熔點(diǎn)溫度降低，爐內(nèi)向火側(cè)結(jié)渣趨向嚴(yán)重。

圖5　一次風(fēng)偏轉(zhuǎn)后的爐內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)

4　高溫腐蝕原因的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1　熱態(tài)試驗(yàn)的驗(yàn)證

在前后墻各層標(biāo)高位置布置煙氣取樣測點(diǎn)得到仿真結(jié)果(見圖6)，通過對各測點(diǎn)的煙氣成分測量驗(yàn)證高溫腐蝕的原因。

圖6　仿真結(jié)果一

4.1.1提高運(yùn)行磨煤機(jī)風(fēng)量試驗(yàn)

按習(xí)慣運(yùn)行方式，工況穩(wěn)定后對水冷壁區(qū)域的各測點(diǎn)進(jìn)行煙氣成分測量，然后保持氧量及分離燃盡風(fēng)開度不變，將運(yùn)行的磨風(fēng)量提高10 t/h，同時減小各主燃區(qū)二次風(fēng)門開度，使?fàn)t膛—風(fēng)箱壓差與習(xí)慣運(yùn)行方式相同，工況穩(wěn)定后對水冷壁區(qū)域的各測點(diǎn)進(jìn)行煙氣成分測量。如磨煤機(jī)風(fēng)量提高后，向火側(cè)各測點(diǎn)處的氧量升高、CO及H2S氣體濃度降低，說明提高一次風(fēng)量后，一次風(fēng)剛性增強(qiáng)，一次風(fēng)射流偏置程度減輕，爐內(nèi)切圓直徑減小，風(fēng)粉分離現(xiàn)象減弱。

4.1.2減小偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)量試驗(yàn)

在提高磨煤機(jī)風(fēng)量的基礎(chǔ)上，減小BC、CDⅡ?qū)悠D(zhuǎn)二次風(fēng)開度，增大AA、AB、CDⅠ，同時保持爐膛-風(fēng)箱壓差不變，工況穩(wěn)定后對水冷壁區(qū)域的各測點(diǎn)進(jìn)行煙氣成分測量。如減小偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)的風(fēng)量后，向火側(cè)各測點(diǎn)處的氧量進(jìn)一步升高、CO及H2S氣體濃度進(jìn)一步降低，說明偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)加劇了一次風(fēng)射流的偏轉(zhuǎn)，是引起一次風(fēng)風(fēng)粉分離的原因。

4.2　冷態(tài)試驗(yàn)的驗(yàn)證

利用停爐機(jī)會對鍋爐進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)在爐內(nèi)一、二次風(fēng)按冷態(tài)?；L(fēng)速調(diào)平的基礎(chǔ)上利用長飄帶觀察C、D、E層一次風(fēng)射流的偏轉(zhuǎn)情況及切圓直徑的大小，然后將BC、CDⅡ?qū)悠D(zhuǎn)風(fēng)噴口用膠帶封死，增大AA、AB、CDⅠ開度，使二次風(fēng)量保持不變，重新利用長飄帶觀察C、D、E層一次風(fēng)射流的偏轉(zhuǎn)情況及切圓直徑的大小。如偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)噴口封死后一次風(fēng)射流偏轉(zhuǎn)程度減輕、切圓直徑減小，說明偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)加據(jù)了一次風(fēng)射流的偏轉(zhuǎn)、增大了爐內(nèi)切圓直徑。

5　改造方案及效果的驗(yàn)證

由分析得到試驗(yàn)結(jié)果可知，結(jié)渣及高溫腐蝕的原因是相同的，改造的方向主要是減小一次風(fēng)氣流的偏轉(zhuǎn)，減小爐內(nèi)切圓直徑。改造方案主要從減小偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)的偏轉(zhuǎn)角度著手。改造后偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)的偏轉(zhuǎn)角不大于8°。偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)如果完全取消，會使?fàn)t內(nèi)切圓減小過多，引起煤在爐內(nèi)停留時間減少，引起飛灰含碳量升高，降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)偏轉(zhuǎn)角取消后二次風(fēng)混入提前，引起NOx升高。綜合分析后改造時偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)角度采用7°。

通過改造后水冷壁面煙氣成分測量來驗(yàn)證改造效果，改造后向火側(cè)煙氣氧量升高到1.0、CO含量低于3 000 μL/L、H2S濃度低于100 μL/L，改造后明顯解決了高溫腐蝕問題，同時通過對運(yùn)行中掉渣情況的觀察確認(rèn)爐內(nèi)結(jié)渣的情況，改造后掉渣明顯減少，所以改造取得了很好的效果。

6　結(jié)語

鍋爐水冷壁高溫硫腐蝕和結(jié)渣的原因很多，主要有燃用高硫煤、爐內(nèi)切圓直徑大、爐膛火焰溫度高、爐膛內(nèi)還原性氣氛高及氣粉分離造成的沖刷水冷壁等。本文根據(jù)電廠實(shí)際情況，對問題原因進(jìn)行了分析，并通過試驗(yàn)對分析進(jìn)行了驗(yàn)證，最后提出了具體的改造方案，改造后效果比較明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏威. 電廠鍋爐水冷壁的高溫腐蝕淺析[J]. 化學(xué)工程與

[1]裝備, 2010(1): 109-110.

[2]丘紀(jì)華, 陳剛. 四角燃燒煤粉鍋爐穩(wěn)燃技術(shù)的分析與應(yīng)用[J]. 熱能動力工程, 1999, 14(4): 276-277.

[3]丘紀(jì)華, 李敏, 孫學(xué)信, 等. 對沖燃燒布置鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題的研究[J]. 華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999, 27(1): 63-65.

QIU Jihua, LI Min, SUN Xuexin, et al. The corrosion of water-wall in wall fired boiler[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology , 1999, 27(1): 63-65.

[4]姚斌, 曾漢才, 焦慶豐. 大型鍋爐水冷壁高溫腐蝕分析及改進(jìn)措施[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 32(3):20-22.

YAO Bin, ZENG Hancai, JIAO Qingfeng. The high temperature corrosion on water cooled wall in large-scale boiler and its improvement[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology(Nature Science Edition), 2004, 32(3): 20-22.