談紫星，王晞青，楊 梅，譚姍姍 ，徐 倩

（1.南昌科晨電力試驗(yàn)研究有限公司，江西 南昌 330096；2.江西東方航空配餐有限公司，江西 南昌 330117）

0 引言

近年來，隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境問題的高度關(guān)注，國家對(duì)大氣污染物排放控制更加嚴(yán)格，大型燃煤電廠是能源的消費(fèi)大戶，排污量大且集中，各大發(fā)電集團(tuán)為完成環(huán)保排放指標(biāo)，紛紛對(duì)下轄火電廠進(jìn)行超低排放改造。氮氧化物是燃煤電廠的三大污染物之一，為降低爐膛出口處氮氧化物的生成，往往采取低NOX燃燒技術(shù)[1]，在主燃區(qū)缺氧燃燒，燃盡區(qū)富氧燃燒，造成主燃區(qū)水冷壁近壁區(qū)域缺氧燃燒，形成強(qiáng)還原性氣氛，燃煤中的硫元素在此氛圍中將轉(zhuǎn)化為硫化氫氣體，從而對(duì)水冷壁造成嚴(yán)重的高溫腐蝕問題。大型燃煤電廠在當(dāng)今新型能源結(jié)構(gòu)中，起到“托底保供”的基礎(chǔ)性作用，因而高溫腐蝕導(dǎo)致的水冷壁壁面減薄甚至爆管，不僅嚴(yán)重影響燃煤電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，也會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響。因此對(duì)大型燃煤電廠水冷壁高溫腐蝕燃燒調(diào)整試驗(yàn)[2]的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 設(shè)備概況

某發(fā)電廠1 號(hào)爐系哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的HG－1025/18.2－YM6 型亞臨界壓力一次中間再熱控制循環(huán)汽包爐。鋼爐架、Π 型露天布置，單爐膛、四角布置擺動(dòng)式燃燒器，采用平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒，固態(tài)排渣，四臺(tái)ZGM－95G 中速磨爐前布置，每臺(tái)磨配一層煤粉噴嘴，采用高壓頭冷一次風(fēng)機(jī)使整個(gè)制粉系統(tǒng)作正壓運(yùn)行。爐膛上部布置壁式輻射式再熱器和大節(jié)距分隔屏過熱器以增加過熱器和再熱器的輻射特性。采用內(nèi)螺紋管膜式水冷壁和低壓頭的循環(huán)泵以提高運(yùn)行的可靠性。裝有兩臺(tái)三分倉容克式空氣預(yù)熱器。汽溫調(diào)節(jié)方式：過熱器采用二級(jí)噴水減溫，再熱器的調(diào)溫主要靠燃燒器的擺動(dòng)，再熱器的進(jìn)口導(dǎo)管上裝有兩只霧化噴嘴式的噴水減溫器（主要作事故噴水用）。

鍋爐燃燒器為四角布置，采用大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，由隔板將大風(fēng)箱分成若干個(gè)風(fēng)室，每組燃燒器共有6種13個(gè)風(fēng)室15 個(gè)噴嘴。一次風(fēng)噴嘴可上下擺動(dòng)20°。二次風(fēng)及油噴嘴可作上下27°的擺動(dòng)，頂部燃燼風(fēng)室噴嘴可作向上25°，向下5°的擺動(dòng)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)邊界確定

水冷壁近壁區(qū)煙氣組分對(duì)高溫腐蝕有決定性的作用，不同的煙氣氛圍條件下，腐蝕速率差異巨大，其中CO、O2和H2S 三者相互關(guān)聯(lián)，相互影響。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)及參考文獻(xiàn)總結(jié)[3]，三者大致具有如下關(guān)系（圖1和圖2所示）。

圖1 CO與O2之間的關(guān)系

圖2 H2S與O2之間的關(guān)系

由圖1 可知，當(dāng)氧濃度小于1%時(shí)，CO 濃度隨著O2濃度的增大而急劇降低；當(dāng)氧濃度大于1%時(shí)，CO濃度降低速度減緩；當(dāng)氧濃度大于2%時(shí)，CO 濃度值基本穩(wěn)定在一個(gè)很小的值附近，基本接近0。

由圖2 可知，H2S 的濃度隨著O2濃度的升高而降低。總體上，當(dāng)O2濃度小于1%時(shí)，H2S 濃度隨著O2濃度的增大而急劇降低；當(dāng)O2濃度大于1%時(shí)，H2S濃度降低速度減低；當(dāng)O2濃度大于2%時(shí)，H2S濃度值基本穩(wěn)定在一個(gè)較小的值。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[3]，認(rèn)為爐內(nèi)強(qiáng)還原性氣氛分界點(diǎn)：H2S 含量>200 ppm，CO 含量>3%（30 000 ppm）即認(rèn)為是強(qiáng)還原性氣氛。

基于以上，本次試驗(yàn)期間為方便比較，將H2S含量200 ppm、CO含量3%、O2含量1%作為比較的邊界。

2.2 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

2021年9月，1號(hào)爐臨停檢查中發(fā)現(xiàn)鍋爐爐膛水冷壁高溫腐蝕嚴(yán)重，腐蝕區(qū)域主要集中在前/后墻沿爐高方向，C燃燒器中心水平位置（標(biāo)高約14 m）到燃盡風(fēng)（SOFA 風(fēng)）噴口中心水平位置（標(biāo)高約32 m），區(qū)域高度約18 m。據(jù)此，在前/后墻沿爐高方向每隔3 m，每層布置10個(gè)測點(diǎn)（前/后墻各布置5個(gè)），共6層。

2.3 燃煤品質(zhì)控制

入爐煤含硫量對(duì)H2S 的生成至關(guān)重要，而H2S 是水冷壁高溫腐蝕的一個(gè)主要因素，試驗(yàn)期間要保持入爐煤質(zhì)穩(wěn)定，結(jié)合電廠實(shí)際，確定煤質(zhì)目標(biāo)：Qnet，ar：5000大卡，Vad：15%-20%，St：1.0%左右。

2.4 機(jī)組負(fù)荷

機(jī)組負(fù)荷影響貼壁氣氛，負(fù)荷越高，管壁溫度越高，還原性氣氛越強(qiáng)，腐蝕速率越快，高溫腐蝕越嚴(yán)重。故本次水冷壁高溫腐蝕燃燒調(diào)整試驗(yàn)在300 MW負(fù)荷下進(jìn)行。

2.5 單因素輪轉(zhuǎn)法

試驗(yàn)因素選?。籂t膛氧量、二次風(fēng)配風(fēng)方式（含燃燒器周界風(fēng)）、一次風(fēng)壓、煤粉細(xì)度[4]。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

本次水冷壁高溫腐蝕燃燒調(diào)整試驗(yàn)內(nèi)容見表1。

表1 試驗(yàn)內(nèi)容

本次水冷壁高溫腐蝕燃燒調(diào)整試驗(yàn)共計(jì)14 個(gè)工況，每個(gè)工況持續(xù)穩(wěn)定試驗(yàn)時(shí)間4 h。

4 結(jié)果和分析

4.1 摸底試驗(yàn)

摸底試驗(yàn)在習(xí)慣運(yùn)行方式下，對(duì)水冷壁貼壁煙氣成份（O2、CO、H2S）濃度進(jìn)行測試，以掌握機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水冷壁近壁區(qū)域還原性氣氛的實(shí)際狀況，為正式試驗(yàn)參數(shù)的選擇提供依據(jù)，并可以和燃燒調(diào)整試驗(yàn)后的水冷壁近壁區(qū)域還原性氣氛進(jìn)行對(duì)比（見表2 至表4），檢驗(yàn)此次試驗(yàn)效果。

表2 前/后墻H2S濃度測試摸底試驗(yàn)結(jié)果一覽表 ppm

表4 前/后墻O2濃度測試摸底試驗(yàn)結(jié)果一覽表 %

由表2可見，前/后墻均存在部分測點(diǎn)的H2S 濃度大于200 ppm（表中超過200 ppm 的用黃色光標(biāo)標(biāo)示），部分甚至高于400 ppm。

由表3可見，前/后墻均存在部分測點(diǎn)CO濃度大于3%，部分甚至高于20%，（表中超過3%的用黃色光標(biāo)標(biāo)示）。

表3 前/后墻CO濃度測試摸底試驗(yàn)結(jié)果一覽表 %

由表4 可見，前/后墻均存在部分測點(diǎn)的O2濃度低于1%（表中O2含量低于1%的用黃色光標(biāo)標(biāo)示）。

從上述三個(gè)工況試驗(yàn)結(jié)果可以看出，后墻O2濃度低于1%、H2S濃度大于200 ppm和CO濃度大于3%測點(diǎn)數(shù)量多于前墻，結(jié)合本機(jī)組最近一次的檢修情況判斷，爐內(nèi)后墻水冷壁管高溫腐蝕情況，比前墻更嚴(yán)重。

4.2 氧量調(diào)整試驗(yàn)

300 MW 負(fù)荷下，氧量調(diào)整試驗(yàn)在爐膛出口（SCR 入口）表盤氧量為3.7%和3.9%兩種工況下進(jìn)行，習(xí)慣性運(yùn)行方式下（表盤氧量為3.5%）。試驗(yàn)結(jié)果見表5至表7。

表5 氧量調(diào)整試驗(yàn)前后墻H2S濃度測試結(jié)果對(duì)比 ppm

表6 氧量調(diào)整試驗(yàn)前后墻CO濃度測試結(jié)果對(duì)比 %

表7 氧量調(diào)整試驗(yàn)前后墻O2濃度測試結(jié)果對(duì)比 %

由表5至表7可知，爐膛氧量的提高，對(duì)改善水冷壁近壁區(qū)域還原性氣氛具有積極重要的意義。但考慮到環(huán)保的壓力，只能在滿足爐膛出口NOX排放濃度的前提下，適當(dāng)提高爐膛氧量。

4.3 周界風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)

300 MW負(fù)荷下，周界風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)，氧量設(shè)定為3.7%下進(jìn)行，共進(jìn)行了三個(gè)工況。試驗(yàn)結(jié)果見表8至表10。

表8 周界風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)，前后墻H2S濃度測試結(jié)果對(duì)比 ppm

表9 周界風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)前后墻CO濃度測試結(jié)果對(duì)比 %

表10 周界風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)前后墻O2濃度測試結(jié)果對(duì)比 %

由表8至表10可知，周界風(fēng)開度的大小可以影響一次風(fēng)的剛性，防止氣流偏斜，更易形成“風(fēng)包粉”，適當(dāng)提高周界風(fēng)開度，對(duì)改善水冷壁近壁還原性氣氛具有重要意義。

4.4 二次風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)

300 MW 負(fù)荷下，二次風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)在爐膛出口表盤氧量設(shè)定為3.7%下進(jìn)行，共進(jìn)行了5 個(gè)工況。參考1 號(hào)爐低氮燃燒器改造后，鍋爐廠家針對(duì)爐膛出口NOX排放濃度開展的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，在當(dāng)前煤質(zhì)下，AA 層和BC 層二次風(fēng)門開度控制在11%左右，爐膛出口NOX排放濃度可以得到較好控制，一旦這兩層風(fēng)門開大，NOX排放濃度升高較多，且在之前的檢查中，AA 層對(duì)應(yīng)的附近水冷壁高溫腐蝕并不嚴(yán)重，所以本次不對(duì)AA 層和BC 層進(jìn)行調(diào)整，保持11%開度不變。同時(shí)，為控制NOX排放，燃盡風(fēng)（SOFA）風(fēng)門均保持100%全開。綜上，本次燃燒調(diào)整試驗(yàn)只對(duì)AB/CD/DD 層二次風(fēng)擋板開度進(jìn)行調(diào)整，試驗(yàn)結(jié)果見表11 至表13。

表12 二次風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)前后墻CO濃度測試結(jié)果對(duì)比 %

由表11 至表13 可知，通過改變爐內(nèi)二次風(fēng)的配比，能夠較大程度的影響爐內(nèi)燃燒，從而影響水冷壁近壁還原性氣氛[4]，CD 層二次風(fēng)擋板對(duì)水冷壁近壁還原性氣氛影響較小，AB 層和DD 層二次風(fēng)擋板開度對(duì)水冷壁近壁還原性氣氛影響較大。

4.5 一次風(fēng)壓調(diào)整試驗(yàn)

300 MW 負(fù)荷，習(xí)慣運(yùn)行方式下，本次試驗(yàn)在一次風(fēng)母管壓力在8.6 kPa 和9.1 kPa 下進(jìn)行了2 個(gè)工況，試驗(yàn)結(jié)果見表14至表16。

表14 一次風(fēng)壓調(diào)整試驗(yàn)前后墻H2S濃度測試結(jié)果對(duì)比 ppm

表16 一次風(fēng)壓調(diào)整試驗(yàn)前后墻O2測試結(jié)果對(duì)比 %

表15 一次風(fēng)壓調(diào)整試驗(yàn)前后墻CO濃度測試結(jié)果對(duì)比 %

由表14至表16可知，通過改變一次風(fēng)壓力，可以影響水冷壁近壁還原性氣氛[4]，在保證爐膛安全穩(wěn)定燃燒的情況下，適當(dāng)降低一次風(fēng)壓力對(duì)改善水冷壁近壁還原性氣氛非常有益處。

4.6 煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn)

300 MW 負(fù)荷下，煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn)[5]在氧量設(shè)定為3.7%下進(jìn)行，共進(jìn)行了1 個(gè)工況。將分離器葉片擋板開度調(diào)小5%，試驗(yàn)結(jié)果見表17至表19。

表17 煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn)前后墻H2S測試濃度結(jié)果對(duì)比 ppm

表18 煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn)，后墻CO濃度測試結(jié)果對(duì)比 %

表19 煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn)前后墻O2測試結(jié)果對(duì)比 %

由表17至表19可知，在常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下，磨煤機(jī)出口煤粉細(xì)度在R90在10%左右，繼續(xù)降低煤粉細(xì)度，對(duì)近壁還原性氣氛改善作用十分有限。

5 結(jié)語

1）氧量調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著爐膛氧量的增加，H2S 及CO 濃度均呈下降趨勢(shì)，能較好的控制爐膛水冷壁近壁區(qū)域的還原性氣氛，結(jié)合環(huán)保因素考量，建議在300 MW 負(fù)荷下，將氧量設(shè)置在3.7%左右較為合適。

2）周界風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著A/B/C/D 層周界風(fēng)擋板開度由33%增大至44%，H2S 濃度明顯降低，且爐膛出口煙氣NOX含量變化不大；繼續(xù)增大至50%，H2S 濃度變化不明顯，且爐膛出口煙氣NOX有所上升。綜合考慮，建議在300 MW 負(fù)荷下，將A/B/C/D層周界風(fēng)擋板開度控制在44%左右較為合適。

3）二次風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著CD層二次風(fēng)擋板開度增大，前/后墻相應(yīng)層數(shù)（第2、3層測點(diǎn)）測得的H2S濃度變化不明顯；隨著AB/DD層二次風(fēng)擋板開度增大，前后墻相應(yīng)層數(shù)（第1、2層測點(diǎn)）測得的H2S濃度降低明顯。綜合考慮，建議在300 MW負(fù)荷下，在習(xí)慣配風(fēng)方式下，可適當(dāng)將AB層和DD層二次風(fēng)擋板開度增大（開度控制在43%左右較為合適），同時(shí)將CD層二次風(fēng)擋板開度適當(dāng)減?。ㄩ_度控制在33%左右較為合適）。

4）一次風(fēng)壓調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著一次風(fēng)母管壓力降低，鍋爐水冷壁前后墻H2S 濃度整體上降低明顯。建議在300 MW 負(fù)荷下，在保證爐內(nèi)燃燒安全穩(wěn)定的前提下，盡量將一次風(fēng)母管壓力降低，有利于水冷壁高溫腐蝕的緩解。

5）煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果表明，煤粉細(xì)度下降，對(duì)鍋爐水冷壁前后墻H2S 濃度整體上的降低并不明顯，維持現(xiàn)有煤粉細(xì)度即可。