劉同干，劉曉東，何利軍，戴維葆，孔俊峰，陳國慶，戴家麒，馬江英

(1.國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327；2.國電南京電力試驗(yàn)研究有限公司，江蘇 南京 210023)

0 引 言

近年來，燃煤電廠涉及環(huán)保的技改中，NOx處理多采用低氮燃燒和SCR的技術(shù)路線[1-2]。其中，低氮燃燒技術(shù)主要是采用空氣分級燃燒，通過控制主燃燒器區(qū)域的氧量和燃燒強(qiáng)度，采用缺氧燃燒的方式形成還原性氣氛，減少NO生成[3]。由于采用缺氧燃燒，會在主燃燒器區(qū)域生成較多的CO。同時在主燃燒器上部一定高度布置燃盡風(fēng)(SOFA)，實(shí)現(xiàn)煤粉顆粒和初期燃燒產(chǎn)生的CO的燃盡。隨著低氮燃燒運(yùn)行時間延長，主燃燒器區(qū)域水冷壁貼壁氣氛中O2濃度長期處于較低甚至為0的水平，CO濃度長期處于較高水平，還原性氣氛較濃，逐漸對水冷壁形成高溫腐蝕，由此帶來的水冷壁管壁減薄、爆管以及壽命縮短等問題，嚴(yán)重影響燃煤機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-7]。

針對燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕產(chǎn)生的原因分析和治理較多，許堯[8]針對某1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組鍋爐水冷壁腐蝕機(jī)理進(jìn)行分析，認(rèn)為解決CO排放濃度高和腐蝕問題的要求一致:通過燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)方法，針對性地改善水冷壁近壁區(qū)煙氣條件以減輕和防治腐蝕。李永生等[9]以某超臨界660 MW對沖旋流燃燒鍋爐為研究對象，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法，研究了水冷壁貼壁氣氛分布特征，分析了機(jī)組負(fù)荷、運(yùn)行氧量、燃盡風(fēng)量及二次風(fēng)配風(fēng)方式對兩側(cè)墻水冷壁貼壁氣氛中O2、CO和H2S濃度的影響。劉博等[10]針對某1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組出現(xiàn)的鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題，通過燃燒器優(yōu)化改造和增設(shè)側(cè)燃風(fēng)裝置，使得煤粉刷墻現(xiàn)象消失，水冷壁側(cè)墻壁面CO和H2S平均濃度大幅下降。洪立和江焯燁[11]分析了某600 MW超臨界對沖燃燒鍋爐水冷壁高溫腐蝕的情況，認(rèn)為主要原因是煤粉刷墻和側(cè)墻存在高濃度H2S，通過設(shè)備改造，調(diào)整了兩側(cè)墻壁面氣氛。岳峻峰等[12]分析了某1 000 MW 超超臨界二次再熱鍋爐燃燒器特點(diǎn)，認(rèn)為提高運(yùn)行O2體積分?jǐn)?shù)、降低煤粉細(xì)度、減少燃盡風(fēng)量有助于減弱水冷壁近壁面還原性氣氛，超超臨界二次再熱鍋爐比超超臨界一次再熱鍋爐面臨的水冷壁高溫腐蝕風(fēng)險更高。

然而，國內(nèi)外鮮見針對單爐膛雙切圓超超臨界鍋爐水冷壁貼壁氣氛分布特征的相關(guān)報道，該類鍋爐近年來也出現(xiàn)了較嚴(yán)重的水冷壁高溫腐蝕問題[13-16]。筆者以某超超臨界1 000 MW單爐膛雙切圓燃燒鍋爐為研究對象，采用試驗(yàn)和優(yōu)化調(diào)整的方法，測量分析了機(jī)組負(fù)荷、運(yùn)行氧量、分離燃盡風(fēng)風(fēng)量、煤粉細(xì)度等因素對水冷壁貼壁氣氛中O2、CO和H2S體積分?jǐn)?shù)的影響。

1 研究對象及特點(diǎn)

1.1 鍋爐

采用哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司與日本三菱公司聯(lián)合設(shè)計制造的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，中間一次再熱、單爐膛八角反向雙切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型、露天布置直流鍋爐，型號為HG-2980/26.15-YM2。燃燒系統(tǒng)采用M-PM低氮燃燒器+偏置周界風(fēng)+SOFA燃燒器的組合。

1.2 燃燒特點(diǎn)和高溫腐蝕

單爐膛雙切圓鍋爐的爐膛由形成切圓氣流的4組噴口連線，呈長寬比約為1.55∶1.00的矩形，爐內(nèi)水平截面流場呈橢圓形，橢圓長軸指向的區(qū)域溫度高于其他區(qū)域，形成雙切圓鍋爐所特有的“冷熱角”現(xiàn)象，在熱角附近易發(fā)生高溫腐蝕現(xiàn)象。本試驗(yàn)爐膛截面呈長方形結(jié)構(gòu)，8只燃燒器分別布置在爐膛前、后墻上，逆時針排列，其中2、3、5、8號角為“熱角”，1、4、6、7號角為“冷角”。如圖1所示。

圖1 雙切圓燃燒鍋爐爐內(nèi)空氣動力場特性

檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐水冷壁區(qū)域高溫腐蝕主要集中于熱角區(qū)域，即前墻2、3號角，左側(cè)墻和右側(cè)墻靠爐后區(qū)域5、8號角均存在較嚴(yán)重的高溫腐蝕問題。

2 試驗(yàn)方法

2.1 貼壁氣氛測點(diǎn)布置

爐膛水冷壁貼壁氣氛試驗(yàn)測點(diǎn)的布置如圖2所示。在標(biāo)高25.9、30.3和34.9 m處分別布置3層測點(diǎn)，每層布置10個測點(diǎn)，爐膛四角上分別布置2個測點(diǎn)，2、3號燃燒器之間布置1個測點(diǎn)，6、7號燃燒器之間布置1個測點(diǎn)，爐膛四周共布置30個測點(diǎn)。第3層1號角的測點(diǎn)命名為3-1，其他類似。

圖2 爐膛水冷壁貼壁氣氛試驗(yàn)測點(diǎn)布置

2.2 測量方法和煤質(zhì)分析

試驗(yàn)采用TESTO350、optima 7和煙氣預(yù)處理器測量水冷壁近壁區(qū)煙氣中O2、CO和H2S體積分?jǐn)?shù)及脫硝系統(tǒng)入口O2、CO和NOx體積分?jǐn)?shù)。取樣時將煙氣經(jīng)除塵、除濕、冷卻等預(yù)處理后送入煙氣分析儀，測量煙氣中O2、CO、H2S等體積分?jǐn)?shù)。

試驗(yàn)期間入爐煤采用分磨燃燒的配煤方式，燃用3種煤質(zhì)，煤質(zhì)分析結(jié)果見表1，試驗(yàn)中3種煤質(zhì)的燃用比例為3∶2∶1。試驗(yàn)過程中，保證機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定，各臺磨出力穩(wěn)定，運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定。每個試驗(yàn)工況調(diào)整后穩(wěn)定0.5 h，測量時間2 h。

表1 試驗(yàn)煤種的煤質(zhì)分析

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 貼壁氣氛分布特點(diǎn)

機(jī)組負(fù)荷分別為950、750、500 MW工況下，機(jī)組采用習(xí)慣運(yùn)行方式，分析鍋爐水冷壁貼壁氣氛中O2、CO和H2S的體積分?jǐn)?shù)測量結(jié)果見表2(工況1～3)。由于運(yùn)行時間久，部分測點(diǎn)已被煤粉顆?；蛉廴谠舛?，無法使用，因此僅列出可使用的測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

由表2可知，950 MW負(fù)荷下，分析3層測點(diǎn)的貼壁氣氛測量結(jié)果。所有的“熱角”測點(diǎn)貼壁氣氛中O2體積分?jǐn)?shù)均為0，所有的“冷角”測點(diǎn)貼壁氣氛中均能測量到不同體積分?jǐn)?shù)的O2?！盁峤恰钡腃O體積分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)高于“冷角”，3-5號測點(diǎn)CO體積分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到94 300×10-6。對比所有“熱角”和“冷角”的CO體積分?jǐn)?shù)平均值，“熱角”為55 470×10-6，“冷角”為10 950×10-6。O2體積分?jǐn)?shù)低的測點(diǎn)，CO體積分?jǐn)?shù)相對較高。

表2 機(jī)組不同負(fù)荷下負(fù)荷貼壁氣氛測量結(jié)果

在機(jī)組950 MW負(fù)荷下，比較第2層測點(diǎn)的測量結(jié)果，2-2、2-5、2-8號測點(diǎn)的O2體積分?jǐn)?shù)均為0，CO體積分?jǐn)?shù)均不低于35 000×10-6，其中2-5號測點(diǎn)CO體積分?jǐn)?shù)為68 000×10-6。2-1、2-4號測點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)均在1%左右，CO體積分?jǐn)?shù)分別為3 300×10-6、17 000×10-6。而第2層所有測點(diǎn)的H2S體積分?jǐn)?shù)相差不大，在140×10-6～190×10-6，前墻高于后墻。

在機(jī)組950 MW負(fù)荷下，比較第3層和第1、2層的測量結(jié)果。第1層各“熱角”位置貼壁氣氛中O2、CO和H2S體積分?jǐn)?shù)平均值分別為0、54 200×10-6、112×10-6，“冷角”位置貼壁氣氛中O2、CO和H2S體積分?jǐn)?shù)平均值分別為0.6%、6 000×10-6、97×10-6；第2層各“熱角”位置貼壁氣氛中O2、CO和H2S體積分?jǐn)?shù)平均值分別為0、46 667×10-6、153×10-6，“冷角”位置貼壁氣氛中O2、CO和H2S體積分?jǐn)?shù)平均值分別為1.1%、10 150×10-6、180×10-6；第3層各“熱角”位置貼壁氣氛中H2S體積分?jǐn)?shù)平均值分別為0、69 950×10-6、116×10-6，“冷角”位置貼壁氣氛中O2、CO和H2S體積分?jǐn)?shù)平均值分別為1.6%、13 133×10-6、162×10-6。CO體積分?jǐn)?shù)最低的位置位于2-1號測點(diǎn)，體積分?jǐn)?shù)為3 300×10-6，屬于“冷角”，發(fā)生高溫腐蝕的風(fēng)險很小。CO體積分?jǐn)?shù)最高的位置位于標(biāo)高最高的3-5號測點(diǎn)，為94 300×10-6。H2S體積分?jǐn)?shù)最低的位置位于標(biāo)高最低的1-8號測點(diǎn)，體積分?jǐn)?shù)為80×10-6。H2S體積分?jǐn)?shù)最高的位置位于標(biāo)高最高的3-1號測點(diǎn)，為200×10-6，H2S體積分?jǐn)?shù)變化與是否“熱角”關(guān)系不大。在“熱角”位置貼壁氣氛中O2體積分?jǐn)?shù)均為0的條件下，綜合判斷CO和H2S的體積分?jǐn)?shù)，認(rèn)為第3層“熱角”位置的貼壁氣氛還原性最強(qiáng)。因此，隨著燃燒器標(biāo)高的增加，發(fā)生高溫腐蝕的可能性增大。

綜上可知，水冷壁近壁區(qū)“熱角”具有較強(qiáng)的還原性氣氛，且隨著爐膛高度而增強(qiáng)，具有較高的高溫腐蝕風(fēng)險。所有“熱角”位置的O2體積分?jǐn)?shù)均為0，CO體積分?jǐn)?shù)平均值超過50 000×10-6。所有冷角的還原性氣氛稍弱，但CO體積分?jǐn)?shù)平均值仍超過10 000×10-6。H2S體積分?jǐn)?shù)與是否“熱角”關(guān)系不大。相同高度上，2、3、5、8號角燃燒器所在區(qū)域的還原性氣氛最強(qiáng)。

3.2 機(jī)組負(fù)荷的影響

機(jī)組負(fù)荷750 MW工況下的測量結(jié)果顯示，同950 MW負(fù)荷下測量結(jié)果相似，除2-2號測點(diǎn)位置外，其他“熱角”位置O2體積分?jǐn)?shù)均為0，，CO體積分?jǐn)?shù)均高于“冷角”，3-5號測點(diǎn)CO的體積分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到85 600×10-6。所有“熱角”CO體積分?jǐn)?shù)平均值為70 530×10-6，“冷角”為8 120×10-6?！盁峤恰盋O體積分?jǐn)?shù)平均值比950 MW負(fù)荷工況高，但總體處于同一數(shù)量級水平。

機(jī)組負(fù)荷500 MW工況下的測量結(jié)果顯示，同中高負(fù)荷下相比，多數(shù)“熱角”測點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)仍為0，除3-1號測點(diǎn)外，其他“冷角”測點(diǎn)的O2體積分?jǐn)?shù)明顯升高，CO體積分?jǐn)?shù)降低。因此在低負(fù)荷下，僅有部分CO濃度高的區(qū)域發(fā)生高溫腐蝕的風(fēng)險較大。

對比3個負(fù)荷下“熱角”和“冷角”貼壁氣氛中O2、CO體積分?jǐn)?shù)平均值，如圖3所示。隨著負(fù)荷的升高，貼壁氣氛中O2體積分?jǐn)?shù)總體降低，CO體積分?jǐn)?shù)總體升高。其中，中高負(fù)荷下的貼壁氣氛基本在同一水平，而在500～750 MW，O2體積分?jǐn)?shù)急劇下降，CO體積分?jǐn)?shù)急劇上升。對比3個負(fù)荷下H2S的平均測量結(jié)果，隨著負(fù)荷降低，H2S體積分?jǐn)?shù)逐漸下降。

圖3 機(jī)組負(fù)荷對貼壁氣氛的影響

在爐膛內(nèi)，煤粉燃燒主要的化學(xué)反應(yīng)如下：

(1)

(2)

(3)

不同氧量濃度下，C的化學(xué)反應(yīng)不同。當(dāng)煤粉濃度較低、氧濃度充足的情況下，煤粉燃燒主要按反應(yīng)(3)進(jìn)行，煤粉燃盡性良好。當(dāng)煤粉濃度較高、氧濃度較低時，則主要發(fā)生反應(yīng)(1)，產(chǎn)生大量CO，同時也可抑制CO的再燃燒(反應(yīng)(2))。

分析認(rèn)為，在中高負(fù)荷下，爐膛總體處于低氧運(yùn)行狀態(tài)，分級燃燒導(dǎo)致主燃區(qū)的過?？諝庀禂?shù)僅為0.75左右，加劇了缺氧燃燒，主燃區(qū)的煤粉燃燒主要按反應(yīng)(1)進(jìn)行，從而產(chǎn)生大量CO，且低氧也抑制了CO再燃燒生成CO2，因此貼壁氣氛中O2體積分?jǐn)?shù)低，CO體積分?jǐn)?shù)高。而在低負(fù)荷下，爐膛內(nèi)氧濃度較高，主燃區(qū)雖然也處于缺氧燃燒狀態(tài)，但過?？諝庀禂?shù)可達(dá)0.8～0.9，因此，主燃區(qū)的煤粉燃盡性相對更高，因此貼壁氣氛中的CO體積分?jǐn)?shù)較低。

3.3 運(yùn)行氧量的影響

機(jī)組950 MW負(fù)荷下，保持磨運(yùn)行方式不變，適當(dāng)提高爐膛出口氧量，“熱角”位置貼壁氣氛中O2、CO和H2S的體積分?jǐn)?shù)測量結(jié)果見表3(工況4)。

由表3可知，高負(fù)荷下，提高運(yùn)行氧量，“熱角”位置的還原性氣氛并未改善，O2、CO和H2S的體積分?jǐn)?shù)基本不變。同工況1對比，“熱角”的O2體積分?jǐn)?shù)基本為0，CO體積分?jǐn)?shù)超過33 000×10-6，950 MW下運(yùn)行氧量對貼壁氣氛的影響如圖4所示。

表3 機(jī)組950 MW負(fù)荷貼壁氣氛測量結(jié)果

圖4 950 MW下運(yùn)行氧量對貼壁氣氛的影響

此外，測量爐膛出口的煙氣成分，發(fā)現(xiàn)隨著氧量提高，爐膛出口NOx排放量由190 mg/Nm3升高到201 mg/Nm3，CO排放體積分?jǐn)?shù)由285×10-6降低到200×10-6，飛灰可燃物含量由1.18%降低到0.92%。

機(jī)組500 MW負(fù)荷下，保持磨運(yùn)行方式不變，適當(dāng)降低爐膛出口氧量，“熱角”位置貼壁氣氛中O2、CO和H2S的體積分?jǐn)?shù)測量結(jié)果見表4(工況5)。

表4 機(jī)組500 MW負(fù)荷貼壁氣氛測量結(jié)果

由表4可知，低負(fù)荷下，降低運(yùn)行氧量，“熱角”位置的O2和H2S體積分?jǐn)?shù)基本不變，但除2-8測點(diǎn)外，其他“熱角”位置CO的體積分?jǐn)?shù)均有不同程度的升高，部分測點(diǎn)測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 500 MW下運(yùn)行氧量對貼壁氣氛的影響

分析認(rèn)為，機(jī)組高中低3個負(fù)荷下的原設(shè)計運(yùn)行氧量分別是2.74%、3.79%、5.67%，實(shí)際運(yùn)行中，3個負(fù)荷下的運(yùn)行氧量分別是1.74%、3.38%、4.75%。由于高負(fù)荷下運(yùn)行氧量本身較低，主燃區(qū)處于深度缺氧環(huán)境下，煤粉燃燒主要按反應(yīng)(1)進(jìn)行，煤粉不能快速燃盡，產(chǎn)生大量CO。提高氧量并不能改變深度缺氧的狀況，因此在水冷壁貼壁處氧量為0的情況下，貼壁氣氛中CO體積分?jǐn)?shù)不發(fā)生變化。而在低負(fù)荷下，由于爐膛過?？諝庀禂?shù)大，主燃區(qū)氧量相對比較充足，提高氧量更有利于煤粉盡快燃盡，因此貼壁氣氛對氧量的變化較為敏感。

3.4 分離燃盡風(fēng)風(fēng)量的影響

機(jī)組950 MW負(fù)荷下，維持磨運(yùn)行方式和運(yùn)行氧量不變，關(guān)小分離燃盡風(fēng)門(表5)，減少燃盡風(fēng)量(工況6)，“熱角”位置CO和H2S的體積分?jǐn)?shù)測量結(jié)果如圖6所示。

表5 燃盡風(fēng)門開度調(diào)整工況

圖6 燃盡風(fēng)量對貼壁氣氛的影響

由圖6可知，隨著燃盡風(fēng)量的降低，“熱角”位置貼壁氣氛中CO體積分?jǐn)?shù)普遍降低，但仍處于較高水平，而H2S體積分?jǐn)?shù)，除2-2測點(diǎn)外，其他測點(diǎn)位置基本不變。

此外，測量爐膛出口的煙氣成分發(fā)現(xiàn)，由于分級風(fēng)量的減少，燃燒產(chǎn)生的NOx增加，導(dǎo)致爐膛出口煙氣中NOx質(zhì)量濃度上升，由190 mg/Nm3升高到206 mg/Nm3，飛灰可燃物含量由1.18%降低到0.90%。

分析認(rèn)為，在保持負(fù)荷、總?cè)剂狭亢涂傦L(fēng)量不變的前提下，燃盡風(fēng)量的減少使得燃燒器區(qū)域的二次風(fēng)量增多，主燃區(qū)的過?？諝庀禂?shù)增加，一方面有利于煤粉與O2直接反應(yīng)生成CO2(反應(yīng)(3))，另一方面也有助于缺氧燃燒產(chǎn)生的CO能夠進(jìn)一步燃燒生成CO2(反應(yīng)(2))，提高了煤粉的燃盡率，從而導(dǎo)致貼壁氣氛中CO體積分?jǐn)?shù)降低。

3.5 煤粉細(xì)度的影響

機(jī)組950 MW負(fù)荷下，調(diào)整各運(yùn)行磨的分離器轉(zhuǎn)速，降低入爐煤的煤粉細(xì)度，調(diào)整前后煤粉細(xì)度R90由24.3%降低到18.85%(工況7)，測量“熱角”的貼壁氣氛，如圖7所示。

由圖7可知，隨著煤粉細(xì)度的降低，“熱角”位置貼壁氣氛中CO和H2S的體積分?jǐn)?shù)均有不同程度的降低，但2-5和3-5測點(diǎn)位置的CO體積分?jǐn)?shù)仍超過50 000×10-6。

圖7 煤粉細(xì)度對貼壁氣氛的影響

分析認(rèn)為，由于煤粉細(xì)度的降低，擴(kuò)大了煤粉與空氣的接觸面積，有利于煤粉的著火和燃盡。以4號角為例，煤粉著火的提前，使火焰下游的煤粉含量降低，煙氣中氧含量相對較高，初期缺氧燃燒產(chǎn)生的CO能夠及時再燃，同時風(fēng)對煤粉的包裹性相對改善，因此貼壁氣氛中CO體積分?jǐn)?shù)有所降低。但煤粉細(xì)度的降低無法改變“熱角”CO體積分?jǐn)?shù)高的狀況。且煤粉細(xì)度不能一味降低，還需要考慮磨煤機(jī)耗電和設(shè)備磨損，以及煤粉著火過快帶來的燃燒器噴口燒損風(fēng)險。

另外，由于煤粉細(xì)度降低，煤粉燃燒得到改善。測量爐膛出口的煙氣成分發(fā)現(xiàn)，爐膛出口NOx排放量由190 mg/Nm3降低到173 mg/Nm3，CO體積分?jǐn)?shù)由285×10-6降低到127×10-6，飛灰可燃物含量由1.18%降低到0.83%。

4 結(jié) 論

1)由于單爐膛雙切圓鍋爐爐膛的特有結(jié)構(gòu)，以及空氣分級燃燒的影響，主燃區(qū)處于缺氧燃燒狀態(tài)，導(dǎo)致燃燒器區(qū)域的“熱角”具有極強(qiáng)的還原性貼壁氣氛，第3層熱角位置貼壁氣氛還原性最強(qiáng)，成為水冷壁高溫腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。

2)機(jī)組負(fù)荷越高，貼壁氣氛還原性越強(qiáng)；中高負(fù)荷下的貼壁氣氛基本在同一水平，“熱角”位置發(fā)生高溫腐蝕的可能性大，低負(fù)荷下貼壁氣氛的還原性減弱，僅有部分“熱角”位置具有發(fā)生高溫腐蝕的可能性。負(fù)荷由50% BRL升高到75% BRL，中負(fù)荷，貼壁氣氛中O2體積分?jǐn)?shù)急劇下降，CO體積分?jǐn)?shù)急劇上升；H2S體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的降低逐漸下降。

3)燃燒優(yōu)化調(diào)整可在一定程度上緩解高溫腐蝕，適當(dāng)提高氧量，減少燃盡風(fēng)量，可提高主燃區(qū)的過?？諝庀禂?shù)，減弱貼壁氣氛的還原性強(qiáng)度，但僅在低負(fù)荷下較為明顯，中高負(fù)荷下提高氧量或減少燃盡風(fēng)量，貼壁氣氛基本不變；降低煤粉細(xì)度有利于煤粉提前著火和燃盡，貼壁氣氛中CO和H2S的體積分?jǐn)?shù)有不同程度降低。