周三多

(重慶大唐國(guó)際石柱發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶 409106)

近年來(lái)，電站鍋爐的單機(jī)容量不斷增大，參數(shù)不斷提高，再加上低氮燃燒技術(shù)和超低排放技術(shù)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致在水冷壁的附近區(qū)域形成了較強(qiáng)的還原性氣氛[1]。即使是燃用相同煤種的相同型式的鍋爐，因運(yùn)行條件不同，有的燃燒器高溫區(qū)域的水冷壁管的高溫腐蝕問(wèn)題會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重[2-5]，這會(huì)給鍋爐的安全運(yùn)行帶來(lái)極大的影響。

某新建燃煤電廠2×350 MW超臨界純凝機(jī)組在2014年投產(chǎn)發(fā)電，該廠位于我國(guó)西南地區(qū)，鍋爐為東方電氣集團(tuán)東方鍋爐有限公司生產(chǎn)的DG1100/25.4-Ⅱ3鍋爐，單爐膛π型布置，前后墻對(duì)沖燃燒(燃燒器為OPCC低氮旋流燃燒器)，一次再熱，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼架結(jié)構(gòu)，露天島式布置。脫硫脫硝系統(tǒng)同步建設(shè)，脫硫系統(tǒng)為石灰石濕法脫硫，脫硝系統(tǒng)采用SCR脫硝法，2臺(tái)鍋爐均在2016年進(jìn)行了超低排放改造。

1 高溫腐蝕概況

為最大限度降低燃燒高硫煤對(duì)鍋爐四管安全的威脅，在該廠初步設(shè)計(jì)時(shí)就重點(diǎn)考慮了鍋爐高溫腐蝕問(wèn)題。專業(yè)技術(shù)人員多次赴同樣燃用高硫煤的電廠調(diào)研，搜集到一些實(shí)用的解決方法。雖然燃用高硫煤是可行的，但和這些廠相比，該廠最大的不同之處就是鍋爐為超臨界鍋爐。超臨界鍋爐燃用高硫煤在國(guó)內(nèi)外尚屬首例，所以沒(méi)有嚴(yán)格意義上的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。經(jīng)過(guò)與電科院和鍋爐廠專家多次探討，某廠決定從鍋爐結(jié)構(gòu)、燃燒器和燃盡風(fēng)布置、風(fēng)量分配、熱負(fù)荷分布及受熱面熱噴涂等5個(gè)方面綜合預(yù)防腐蝕，確定入爐煤收到的基全硫分≤3.62%(2015—2017年每月入爐煤分析基全硫分見(jiàn)圖1)。對(duì)鍋爐分級(jí)配風(fēng)，水冷壁全爐膛噴涂45CT防腐涂層，涂層范圍為自冷灰斗拐點(diǎn)至折焰角中心線高度的區(qū)域，合計(jì)噴涂面積為2 535 m2(展開(kāi)面積)，噴涂于機(jī)組試運(yùn)前施工完成。

圖1 2015—2017年每月入爐煤分析基全硫分

2015年5月，1#爐首次小修時(shí)，未發(fā)現(xiàn)較大設(shè)備缺陷，部分水冷壁高溫防腐涂層發(fā)生剝落，分析原因可能為噴涂工藝控制不嚴(yán)格和涂層厚度超標(biāo)。在對(duì)剝落部位重新補(bǔ)噴之后的幾次檢修中，均未發(fā)現(xiàn)水冷壁高溫腐蝕的情況。

2018年9月后有幾次機(jī)組檢修，在對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行防磨防爆檢查后發(fā)現(xiàn)，下部螺旋水冷壁左右側(cè)墻存在腐蝕減薄，高溫防腐涂層大面積脫落的現(xiàn)象，每次測(cè)壁厚減薄超標(biāo)(原壁厚7.5 mm，按照規(guī)程，減薄超過(guò)1/4即需換管，即壁厚小于5.6 mm需換管)的管均超過(guò)300處，腐蝕減薄最薄處僅有3.86 mm。腐蝕區(qū)域主要集中在標(biāo)高17 500～34 000 mm的側(cè)墻中間區(qū)域，如圖2所示。

(a)右側(cè)墻

1.1 腐蝕區(qū)域分布

從腐蝕區(qū)域來(lái)看，1#和2#爐高溫腐蝕均發(fā)生在兩側(cè)墻主燃燒區(qū)和燃盡風(fēng)區(qū)。1#爐腐蝕位置靠近后墻，2#爐腐蝕位置幾乎都在側(cè)墻中間。前、后墻狀況良好，均未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，說(shuō)明該廠進(jìn)行燃燒調(diào)整時(shí)，旋流強(qiáng)度合適，一次風(fēng)旋流沒(méi)有飛邊，沒(méi)有造成對(duì)前、后墻的沖刷，腐蝕分布情況也符合前、后墻對(duì)沖鍋爐的典型特點(diǎn)。另外，檢查腐蝕情況時(shí)發(fā)現(xiàn)吹灰器附近水冷壁管排腐蝕較集中。由腐蝕區(qū)域特點(diǎn)可知以下3點(diǎn)：一是運(yùn)行調(diào)整時(shí)，過(guò)多使用燃盡風(fēng)會(huì)造成燃燒區(qū)域明顯缺氧，產(chǎn)生較強(qiáng)的還原性氣氛；二是爐膛整體氧量充足，燃盡風(fēng)補(bǔ)入后續(xù)氧氣后，燃盡風(fēng)上部沒(méi)有形成還原性氣氛；三是吹灰可能造成防腐噴涂層脫落，導(dǎo)致周邊區(qū)域的腐蝕。

1.2 腐蝕管特征

水冷壁管腐蝕形貌(見(jiàn)圖3)有以下特征：管壁外壁向火側(cè)有較厚的沉積物，外觀顏色為黃黑色，內(nèi)部為分層結(jié)構(gòu)，外層為黃色，下層是黑色結(jié)積物，外層呈顆粒狀、粉狀脫落，與黑色結(jié)積物結(jié)合得很不牢固，分離時(shí)呈小片狀，很脆且有磁性。下層黑色結(jié)積物也呈層狀，比外層結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，機(jī)械剝落后的鋼管表面呈臺(tái)階狀。用手錘將部分管根垢層敲擊脫落后，向火側(cè)管壁兩側(cè)從鰭片根部向管子頂端部呈“三角形”或“梯形”雙側(cè)減薄。

2 原因分析

根據(jù)該廠水冷壁高溫腐蝕的特點(diǎn)，開(kāi)展了熱態(tài)側(cè)墻水冷壁壁面附近煙氣成分測(cè)試、水冷壁表面垢樣分析，并對(duì)管母材、噴涂層和腐蝕產(chǎn)物采用金相顯微鏡、掃描電鏡分析等方法進(jìn)行理化分析，研究該廠水冷壁管高溫腐蝕的詳細(xì)原因。

圖3 腐蝕管形貌

2.1 熱態(tài)側(cè)墻水冷壁壁面附近煙氣成分測(cè)試

為了解水冷壁壁面氣氛，查找高溫腐蝕與煙氣成分的關(guān)系，繼而指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)整，該廠在側(cè)墻水冷壁上新增了煙氣取樣管(取樣管分布示意如圖4所示)，并開(kāi)展了2#爐熱態(tài)側(cè)墻水冷壁壁面附近煙氣成分測(cè)試，測(cè)試是在285 MW和345 MW 2個(gè)工況下進(jìn)行的。

上左墻序號(hào)序號(hào)A1A2A3B1B2A4B3A5B4右墻標(biāo)高34 800 mm29 200 mm21 500 mm下

試驗(yàn)期間，285 MW工況下燃用煤種收到基全硫分2.53%，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分31.04%，收到基低位發(fā)熱量21 820 kJ/kg；345 MW工況下燃用煤種收到基全硫分2.72%，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分29.84%，收到基低位發(fā)熱量22 260 kJ/kg。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，285 MW和345 MW 2種工況下水冷壁各測(cè)點(diǎn)附近還原性氣氛CO與腐蝕性氣氛H2S的濃度分布如圖5所示。

表1 原始工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 兩種工況下水冷壁各測(cè)點(diǎn)附近CO與H2S濃度分布

由煙氣測(cè)量結(jié)果可知，機(jī)組在345 MW負(fù)荷時(shí)，上下層燃盡風(fēng)和B層燃燒器水冷壁附近的煙氣還原性氣氛很強(qiáng)，當(dāng)煙氣中還原性氣氛CO增強(qiáng)時(shí)，往往H2S濃度也大幅上升；左墻測(cè)點(diǎn)位置的CO濃度均在60 000 mg/L以上，特別是下層燃盡風(fēng)處A4測(cè)點(diǎn)和B層燃燒器處A5測(cè)點(diǎn)CO質(zhì)量濃度均在110 000 mg/L以上，相應(yīng)的H2S基本上都高于1 700 mg/L；后墻測(cè)點(diǎn)B3位置CO質(zhì)量濃度在80 000 mg/L以上，相應(yīng)的H2S高于1 800 mg/L。此時(shí)，水冷壁氣氛中的H2S質(zhì)量濃度已可以對(duì)水冷壁產(chǎn)生較強(qiáng)烈的硫腐蝕。285 MW負(fù)荷下，熱負(fù)荷降低，爐膛整體氧量有所升高，煙氣中還原性氣氛有所降低，硫腐蝕有所減輕。有研究表明，當(dāng)近壁面煙氣中CO含量較高時(shí)，該區(qū)域還原性氣氛也較強(qiáng)，若同時(shí)存在大量的H2S等氣體，極易造成水冷壁高溫腐蝕。故證明該廠水冷壁發(fā)生嚴(yán)重的高溫腐蝕不是偶然。

2.2 水冷壁表面垢樣檢測(cè)

用X 射線能譜儀的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示腐蝕產(chǎn)物中有S、Fe、Si、Al、Na、K、Ca、Mg、Ti等元素，其氧化物含量如表2所示。

表2 水冷壁表面垢樣檢測(cè)結(jié)果 %

從表中也可以看出：腐蝕物樣品純度不高，含有大量煤灰，煤灰和腐蝕物混合物中Ca、K、Mg、Ti、Na含量較高，Al、S、Fe元素的含量很高，說(shuō)明高溫腐蝕與高含硫量有很大關(guān)系。而堿金屬含量高，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)結(jié)渣，含有堿金屬化合物的灰渣與金屬管及煙氣發(fā)生反應(yīng)，即產(chǎn)生高溫腐蝕。

2.3 掃描電鏡觀察和X射線能譜分析

為更好地了解水冷壁管高溫腐蝕的原因，使分析更為科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，取樣管母材、噴涂層和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行電鏡和能譜分析。

1)用NIKON EPIPHOT 300金相顯微鏡對(duì)水冷壁管的試樣進(jìn)行顯微組織評(píng)定，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。由金相可知，樣管母材組織正常，為鐵素體+珠光體組織，管材金相組織未劣化。

圖6 樣管母材金相組織

2)用JSM-6610掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)及NSS SYSTEM7能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)對(duì)噴涂層和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，結(jié)果顯示腐蝕產(chǎn)物(外層)和噴涂層中有大量的S，如圖7所示。

圖7 樣品能譜檢測(cè)結(jié)果

2.4 結(jié)論

對(duì)在2個(gè)負(fù)荷段抽取的煙氣進(jìn)行分析可知，燃盡風(fēng)和B層燃燒器水冷壁附近的煙氣還原性氣氛很強(qiáng)，當(dāng)煙氣中還原性氣氛CO增強(qiáng)時(shí)，往往H2S濃度也大幅上升。有研究表明，當(dāng)近壁面煙氣中CO含量較高時(shí)，該區(qū)域還原性氣氛也較強(qiáng)，若同時(shí)存在大量的H2S等氣體，極易造成水冷壁高溫腐蝕。故該廠水冷壁發(fā)生嚴(yán)重的高溫腐蝕不是偶然。

對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)含有大量的S，說(shuō)明該廠長(zhǎng)期燃燒高硫煤，致使水冷壁受到了高溫硫腐蝕。

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 結(jié)論

由以上研究可知，從高溫腐蝕位置和腐蝕管的形貌特征看，2臺(tái)鍋爐也大致相同，均是在主燃燒區(qū)和燃盡風(fēng)區(qū)的兩側(cè)墻上，這與前、后墻對(duì)沖燃燒鍋爐理論腐蝕位置相符。由樣管減薄的形貌特征可推測(cè)，樣管表面噴涂層因沖刷和腐蝕的共同作用而失效，裸露出基體金屬，基體金屬受高溫硫腐蝕，腐蝕產(chǎn)物又被沖刷脫落，新的基體不斷裸露、不斷被腐蝕，最終導(dǎo)致管壁減薄嚴(yán)重；對(duì)水冷壁兩側(cè)墻附近的煙氣成分進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)還原性氣氛嚴(yán)重，在煙氣溫度較低且流動(dòng)性差的管子兩側(cè)部位，未被完全燃燒氧化的游離態(tài)硫與水冷壁管中的鐵反應(yīng)，生成硫化物。鐵的硫化物內(nèi)較多的宏觀和微觀缺陷，又為硫和氧向內(nèi)的滲透及鐵離子向外的擴(kuò)散提供了更多的通道，破壞或強(qiáng)烈地削弱了氧化腐蝕產(chǎn)物層對(duì)管壁的保護(hù)作用，造成了管壁的嚴(yán)重高溫硫腐蝕。

3.2 建議

1)調(diào)整燃燒，適當(dāng)加大外二次風(fēng)量，降低一次風(fēng)速，使煤粉顆粒被分離在靠近爐膛中心的區(qū)域，避免一次風(fēng)對(duì)沖后刷墻，實(shí)現(xiàn)“風(fēng)包粉”的燃燒方式[6]。而且使煙氣到達(dá)側(cè)墻壁面前有充分的燃燒，能減輕側(cè)墻壁面還原性氣氛，可防止?fàn)t膛水冷壁高溫腐蝕。

2)對(duì)上層燃燒器至燃盡風(fēng)噴口標(biāo)高區(qū)域內(nèi)側(cè)墻進(jìn)行高質(zhì)量熱噴涂，形成防護(hù)層，以阻止高溫腐蝕的發(fā)生。

3)更換或修復(fù)目前腐蝕嚴(yán)重的水冷壁管。