趙子龍,張?zhí)m慶,陳建亮,馬東森,李振興

(華能國際電力股份有限公司德州電廠,山東 德州 253024)

伴隨著國內(nèi)對鍋爐燃燒污染物排放控制要求的逐步提升,低氮燃燒技術(shù)迅速發(fā)展起來,并在燃煤電廠實(shí)現(xiàn)了推廣運(yùn)用,有效解決了氮排放量的問題[1]。但在經(jīng)過長期的實(shí)踐后,在高硫煤燃燒期間會對水冷壁帶來非常突出的高溫腐蝕問題,導(dǎo)致管壁受損,極易因出現(xiàn)爆管而導(dǎo)致鍋爐無法正常使用,從而使得電廠運(yùn)作受到影響[2]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,火電廠設(shè)備故障中,27.8%的事故均是由于水冷壁管爆裂事故導(dǎo)致鍋爐四管爆破[3]。為此,加強(qiáng)對水冷壁高溫腐蝕問題的研究是燃煤電廠的探索重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 高溫腐蝕機(jī)理及典型高溫腐蝕區(qū)域

高硫煤燃燒會導(dǎo)致鍋爐受熱面造成的主要影響為水冷壁高溫腐蝕問題。高溫腐蝕是一個交替、復(fù)雜且持續(xù)性的過程。多呈現(xiàn)為爐膛水冷壁表面非常容易有大量灰塵附著,附著層中大量低熔點(diǎn)復(fù)合堿性硫酸鹽(例如:Na3Fe(SO4)2)或者腐蝕性氣體(例如:H2S)[4]。在高溫的條件下,其能夠與其他基材表面氧化膜進(jìn)行相互作用,從而使得管子基材被迅速腐蝕[5]。

根據(jù)設(shè)計(jì)單位的相關(guān)資料來看,八角切圓垂直+垂直水冷壁是出現(xiàn)高溫腐蝕的主要區(qū)域,燃燒器與燃盡風(fēng)區(qū)域的四面墻水冷壁向火側(cè),見圖1與圖2。

圖1 水冷壁主要高溫腐蝕區(qū)域

圖2 水冷壁極易發(fā)生高溫腐蝕區(qū)域

2 對沖鍋爐水冷壁高溫腐蝕情況

2.1 設(shè)備介紹

某電廠鍋爐為哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的HG1021/18.2-YM3 型亞臨界自然循環(huán),一次中間再熱,單爐膛π型號布置,燃煤固態(tài)排渣鍋爐,具體參數(shù)見表1。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量1 021 t/h。四角切圓的直流燃燒器,配有 6 臺中速磨煤機(jī),鍋爐運(yùn)行方式:主要承擔(dān)基本負(fù)荷并具有調(diào)峰能力。鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷為40%B-MCR,并能在此負(fù)荷上長期運(yùn)行。鍋爐設(shè)置等離子點(diǎn)火系統(tǒng),常規(guī)點(diǎn)火助燃油系統(tǒng)作為等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的補(bǔ)充。燃煤特性見表2。

表1 鍋爐原設(shè)計(jì)主要參數(shù)

表2 燃煤特性

2.2 對沖鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題

2021年12月份2號機(jī)組在開展檢修工作時,針對水冷壁管實(shí)施防磨防爆檢查維修,觀察到有以下幾個問題:

(1)水冷壁F層燃燒器到C 層吹灰器層之間表現(xiàn)出非常普遍且輕微的高溫腐蝕問題,受熱面管盡管腐蝕情況相對較為嚴(yán)重,但并未超出更換標(biāo)準(zhǔn)。高溫腐蝕的區(qū)域測量面積為600 m2。

(2)右側(cè)墻壁水冷壁B層吹灰器層從前向后數(shù)第 4、5個吹灰器之間260～290根出現(xiàn)了一個高溫腐蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域,對其進(jìn)行厚度測量,為5.1～5.4 mm(原壁厚5．8 mm),并未超出標(biāo)準(zhǔn)。該區(qū)域在2021年5月份未進(jìn)行噴涂。

2.3 高溫腐蝕原因分析

在高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求下,低氮改造通常需要配合運(yùn)用空氣分級燃燒技術(shù)與低氮燃燒器來達(dá)標(biāo)[6]。這就會導(dǎo)致向火側(cè)與背火側(cè)貼壁風(fēng)強(qiáng)度不合理、切圓大小不合理、不同燃燒區(qū)域表現(xiàn)出過量空氣系數(shù)不合理等因素,使得鍋爐的熱負(fù)荷呈現(xiàn)出不均勻的分布狀態(tài),從而使得還原性氣氛變濃和局部溫度偏高,這就造成水冷壁高溫腐蝕問題加劇,使得鍋爐安全運(yùn)營遭受極大的影響[7]。此外,在長期的觀察中發(fā)現(xiàn),隨著水冷壁近壁區(qū)域CO、H2S濃度的升高,鍋爐中水冷壁高溫腐蝕問題持續(xù)加劇。與此同時,四角切圓燃燒器鍋爐中呈現(xiàn)出切圓明顯過大問題,導(dǎo)致火焰持續(xù)沖刷墻壁,水冷壁周圍也呈現(xiàn)出較高的問題;燃煤電站在采取低氮燃燒技術(shù)時,所引入的空氣分級處理技術(shù),使得部分二次風(fēng)被轉(zhuǎn)化為燃盡風(fēng)上移,使得主要的燃燒區(qū)域出現(xiàn)過量空氣系數(shù)<1的情況,非常容易呈現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的還原性氣氛。這些均是導(dǎo)致水冷壁高溫腐蝕問題的主要因素。

3 高硫煤燃燒改造策略

根據(jù)上述原因分析結(jié)果,通過對貼壁風(fēng)進(jìn)行合理布置,能夠促使CO、H2S的生成和濃度均得到控制。設(shè)想將切緣直徑適當(dāng)縮小,能夠降低火焰對墻壁的沖刷,這就能夠更好地改善水冷壁腐蝕的問題[8]?；诖?本研究針對低氮燃燒改造后四角切圓燃燒鍋爐進(jìn)行改造,具體方案為:通過對研究對象低氮燃燒改造處理后,進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)測定,發(fā)現(xiàn)主要燃燒區(qū)域2層一次風(fēng)的強(qiáng)風(fēng)環(huán)直徑偏大,這是導(dǎo)致熱態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)期間主要燃燒區(qū)域煤粉貼壁問題的關(guān)鍵因素,為此,在改造期間將上部第3層和第4層一次風(fēng)及第3層和第4層二次風(fēng)、第3層與第4層一次風(fēng)的假想切圓直徑均調(diào)整為1 200 mm,同時將第2層一次風(fēng)及其上部相鄰的第2層二次風(fēng)和第1層三次風(fēng)的假想切圓直徑調(diào)整1 200 mm,基于此計(jì)算獲得第3層、第4層、第2層一次風(fēng)燃燒器濃側(cè)反切角度均需調(diào)整為 6°。

4 高硫煤燃燒改造后高溫腐蝕性能計(jì)算

4.1 爐內(nèi)速度場

鍋爐在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中,速度場對整個燃燒性能都有著極大的影響。四角切圓燃燒鍋爐會導(dǎo)致氣流對水冷壁造成持續(xù)性沖刷,從而引發(fā)腐蝕問題[9]。在本次改造方案下,對爐膛不同高度橫截面和中心截面的速度場實(shí)施分析處理。

根據(jù)圖3來看,在原始工況下,不同高度火焰非常容易沖刷墻壁,尤其是在配合低氮燃燒技術(shù)后更加容易發(fā)生該問題。但在優(yōu)化處理后,在19 m與24 m標(biāo)高位置,沖刷水冷壁的問題得到了明顯改善。這主要是由于在對切圓直徑進(jìn)行改造處理之后,氣流遠(yuǎn)離了墻壁,降低了對水冷壁的沖刷問題,確保煤粉能夠聚集在爐內(nèi)燃燒。

圖3 19 m與24 m標(biāo)高速度場

4.2 爐內(nèi)溫度場

煤粉在鍋爐內(nèi)煙氣、燃燒和受熱面持續(xù)交換作用、高溫腐蝕等均必然會對爐內(nèi)溫度帶來影響[10],為此,關(guān)注爐內(nèi)溫度也能夠更好地連接爐內(nèi)燃燒特性。爐膛縱剖面溫度場見圖4。

圖4 爐膛縱剖面溫度場

根據(jù)圖4來看,原始工況和優(yōu)化后工況下溫度的分布無較大差異,主要燃燒區(qū)域下部的溫度相對較低,隨著高度的增加溫度也在持續(xù)升高,主要燃燒區(qū)域的溫度達(dá)到最高值,到折焰角周圍溫度逐漸開始下降。但可以觀察到的是,原始工況下高溫區(qū)域分布范圍較大,這主要是受到低氮改造技術(shù)的影響,使得空氣分級燃燒,從二次風(fēng)在上部形成二次燃盡區(qū)。在進(jìn)行改造處理之后,高溫區(qū)域范圍明顯縮小,爐膛的整體溫度也較之原始工況有明顯降低。

4.3 爐內(nèi)CO濃度場和O2濃度場

對改造前后爐內(nèi)CO濃度場和O2濃度場進(jìn)行測定,結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5來看,在原始工況水冷壁周圍的CO本身的濃度非常高,并且CO濃度較高的區(qū)域范圍相對較大,這同樣是因空氣分級燃燒技術(shù)影響導(dǎo)致主燃區(qū)空氣量減少所致。根據(jù)結(jié)果來看,在經(jīng)過改造處理后不僅近壁位置的CO高濃度范圍得到了明顯縮小,同時整體的CO濃度得到了明顯控制。同時觀察主燃燒區(qū)域O2的濃度相對較高,且伴隨著高度的升高O2濃度呈現(xiàn)出持續(xù)下降,這主要是由于大量空氣經(jīng)由主燃燒區(qū)域噴口進(jìn)入爐膛所致。而通過改造處理之后,近壁區(qū)域的O2濃度表現(xiàn)出了明顯升高,而爐膛出口O2濃度也較之原始工況有所升高,這就能夠極大程度上提升氧化性氣氛,從而緩解高腐蝕問題。

圖5 爐膛縱剖面CO濃度場和O2濃度場

4.4 爐內(nèi)H2S濃度場

爐內(nèi)H2S濃度過高也是引起水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的主要因素,為此,爐內(nèi)H2S是本次改造關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。

根據(jù)圖6來看,在原始工況下爐內(nèi)H2S濃度主要聚集于燃燒區(qū)域,與噴口有著一定的距離,燃燒區(qū)域下部與上部均無H2S生成。這主要是由于一次風(fēng)與三次風(fēng)等均屬于反切布置所致,其能夠?qū)е職饬骱蟀攵涡纬奢^為強(qiáng)烈的還原性氣氛,這就為爐內(nèi)H2S的生成創(chuàng)造了最佳的條件,燃燒區(qū)域下部和上部均有著充足的氧氣供應(yīng),故而不容易生成爐內(nèi)H2S。

圖6 右壁近端區(qū)H2S濃度場

根據(jù)圖6還可以了解到,在原始工況下,右側(cè)墻壁爐內(nèi)H2S的濃度相對較高,甚至已經(jīng)達(dá)到了1.5×10-3,這也是受到空氣分級燃燒技術(shù)影響,造成主要燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)<1所致,在這種條件下煤粉很難徹底燃燒,煤中聚集硫元素在還原氛圍下無法產(chǎn)生SO2,此時就必然會導(dǎo)致爐內(nèi)H2S濃度升高。有研究者發(fā)現(xiàn)[11],伴隨著爐內(nèi)H2S濃度的上升,在高溫的影響下非常容易導(dǎo)致水冷壁腐蝕問題。在對其進(jìn)行改造處理后,可以觀察到近端區(qū)域的爐內(nèi)H2S濃度實(shí)現(xiàn)了顯著下降,這對改善水冷壁高溫腐蝕情況有著非常重要的意義。

4.5 出口參數(shù)比較

對原始工況下和改造后工況下爐膛出口參數(shù)進(jìn)行對比,見表3。

表3 不同工況下爐膛出口參數(shù)

根據(jù)表3來看,在實(shí)施改造處理之后,爐膛出口的NOx濃度出現(xiàn)了明顯升高,同時飛灰含碳量出現(xiàn)了明顯下降,即表明在改造處理后燃燒中心高度出現(xiàn)了下降,使得爐膛出口煙溫逐漸下降,能夠更好地完成煤粉的充分燃燒。

5 工程應(yīng)用

根據(jù)前文改造結(jié)果,對低氮燃燒改造后BMCR工況下實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了解?；诘偷髽?biāo)準(zhǔn)下,因20%SFOA風(fēng)率會導(dǎo)致NOx濃度達(dá)到437.1 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)),而在30%SFOA風(fēng)率時會造成最為嚴(yán)重的高溫腐蝕問題,為此,綜合各方面特點(diǎn),將SOFA風(fēng)率設(shè)定為25%。基于該風(fēng)率下對改造后水冷壁進(jìn)行持續(xù)4個月跟蹤監(jiān)測,重點(diǎn)對比改造前后前后壁的燃燒情況。具體見圖7與圖8。

圖7 前墻調(diào)整前后燃燒狀況

圖8 后墻調(diào)整前后燃燒狀況

根據(jù)原有數(shù)據(jù)信息來看,在進(jìn)行低氮改造處理后,鍋爐停爐檢查時,水冷壁19～30標(biāo)高區(qū)域有著較為突出的腐蝕問題,其中向火側(cè)情況最為嚴(yán)重。前墻大約28 m的距離有0.5 m×0.4 m×0.1 m的焦塊,21～23 m 位置右側(cè)墻壁水冷壁管道脫落嚴(yán)重,呈現(xiàn)為銹黃色;后墻大約28 m的位置也有2 m×0.5 m×0.1 m的焦塊,20～25 m位置有大約2/3的面積焦痕。但通過改造處理后,前墻28 m位置靠近右墻區(qū)域掛渣問題得到了明顯改善,后墻21 m位置靠近左側(cè)區(qū)域的腐蝕情況也有顯著改善。由此可知,適當(dāng)縮小假想切圓直徑以及合理進(jìn)行貼壁風(fēng)布置,能夠促使水冷壁向火側(cè)溫度得到改善,從而實(shí)現(xiàn)對高溫腐蝕問題的控制。

6 結(jié) 論

本研究針對燃燒高硫煤對沖鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題進(jìn)行探討和改造研究,得出以下結(jié)論:

(1)本次電廠鍋爐2號機(jī)組檢修發(fā)現(xiàn)水冷壁腐蝕問題嚴(yán)重,在分析后發(fā)現(xiàn)主要與低氮改造后空氣分級燃燒技術(shù)、四角切圓燃燒器直徑過大所致?；诖颂岢隽酸槍︼L(fēng)向調(diào)整和假想切圓直徑改造方案。

(2)對改造后爐內(nèi)速度場、溫度場、CO濃度場和O2濃度場、H2S濃度場進(jìn)行對比,結(jié)果證實(shí),改造后水冷壁火焰沖刷問題得到了改善,高溫區(qū)域范圍明顯縮小,氧化性氣氛顯著提升,爐內(nèi)H2S明顯增加。同時分析出口參數(shù),證實(shí)改造后爐膛出口煙溫逐漸下降,能夠更好地完成煤粉的充分燃燒。

(3)以低氮燃燒改造后BMCR工況為例,對改造后水冷壁高溫腐蝕問題進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,顯示在25%SOFA風(fēng)率下不僅能夠達(dá)到NOx生成性能要求,還能夠有效改善水冷壁重點(diǎn)區(qū)域高溫腐蝕問題。