神华国华寿电一期工程对冲燃烧锅炉高温腐蚀分析及预防

东方锅炉近年来在国内新建的一些大型锅炉，不同程度地存在锅炉水冷壁的高温腐蚀现象，容易造成水冷壁的泄流和爆管，直接影响到锅炉的安全运行。通常认为四角切圆燃烧锅炉因切圆过大或火焰中心偏移，容易引起水冷壁的高温腐蚀和磨损，而前后墙对冲燃烧布置锅炉因采用旋流燃烧器，对烟气的卷吸率高、火焰行程短和炉内热负荷比较均匀。故认为结渣和腐蚀较容易控制。然后，东方锅炉仍有一些对冲燃烧布置的锅炉存在较严重的水冷壁高温腐蚀现象，说明对冲燃烧布置锅炉的高温腐蚀问题也需认真研究解决。

腐蚀发生的区域通常是在燃烧器中心线位置标高上下，即局部热负荷较高，管壁温度也较高的区域，其余区域的高温腐蚀明显减弱或根本不发生高温腐蚀。发生高温腐蚀的水冷壁管向火侧的正面腐蚀最快的且减薄量最大，管子侧面减薄量减少，而背火侧面几乎不减薄，因此爆管事故都是在管子向火侧发生的。一般情况下，炉膛水冷壁的高温腐蚀速度远远超过其氧化速度，二者之比约为45：1。水冷壁上的高温腐蚀会使其管壁变薄、强度降低，容易造成爆管和泄露，从而严重影响锅炉的安全运行和寿命。

2、水冷壁高温腐蚀形成的主要因素

2.1腐蚀原理

在燃煤锅炉中，高温腐蚀分为三种类型：硫酸盐型、氯化物型和硫化物型。硫酸盐型腐蚀主要发生高温受热面上；氯化物型腐蚀主要发生在大型锅炉燃烧器高温区域的水冷壁管上；硫化物型腐蚀主要发生在大型锅炉水冷壁上。水冷壁的高温腐蚀通常是由这三种类型腐蚀复合作用的结果。

硫酸盐型高温腐蚀的形成：在炉内高温下，煤中的NaCl中的Na⁺易挥发，除一部分被熔融的硅酸盐捕捉外，有一部分与烟气中的SO₃发生反应，形成Na₂SO₄;另有一部分是易于挥发的硅酸盐，与挥发的钠发生置换反应，而释放出来的钾，与SO₃化合，生成K₂SO₄。而碱金属硫酸盐有粘性，且露点低。当碱金属硫酸盐沉积到受热面的壁管后会在吸收SO₃，并与Fe₂O₃、Al₂O₃作用生成焦硫酸盐。这样一来，受热面上熔融的硫酸盐吸收SO₃并在Fe₂O₃、Al₂O₃作用下，生成复合硫酸盐，随着复合硫酸盐的沉积，其熔点降低，表面温度升高。当表面温度升高到熔点，壁管表面的Fe₂O₃氧化保护膜被复合硫酸盐破坏，使壁管继续腐蚀。另外，浮着层中的焦硫酸盐。由于熔点低，更容易与Fe₂O₃发生反应生成(Na^. K)₃Fe(SO₄)₃,即形成反应速度更快的熔盐型腐蚀。

氯化物型腐蚀的形成：在炉内高温下，原煤中的NaCl中的易与H2O、SO2、SO3反应，生成硫酸盐和HCl气体。同时凝结在水冷壁上的NaCl也会和硫酸盐发生反应，生成HCl气体，因此，沉积层中的HCl浓度要比烟气中的大得多，致使受热面管壁表面的Fe₂O₃氧化保护膜破坏。有研究表明，这种情况在CO和H₂浓度超过一定范围的强还原性气氛中则更为强烈。

硫化物型腐蚀的形成：这类腐蚀是由黄铁矿硫造成的，黄铁矿粉末随着未燃尽煤粉到达水冷壁管上，受热会释放出单原子硫和硫化亚铁，H2S、SO2也会释放出一定量的单原子硫。当壁管温度达到350℃时，单原子硫在还原性烟气中会发生硫化作用生成硫化亚铁，同时H2S也会通过硫松的Fe₂O₃与致密的磁性氧化铁中FeO反应生成硫化亚铁，并缓慢氧化生成Fe₂O₃，使壁管不断被腐蚀，影响锅炉的安全运行。硫化物型腐蚀持续发展的条件是：

1)黄铁矿颗粒由于能到达壁面；

2)近壁附近是还原性气氛；

3)有较高的壁面温度。一般认为应大于350℃。

综上所诉，燃煤中的S、Cl、K、Na等物质的存在是发生高温腐蚀的内在根源。而燃用劣质煤所需要的气流扰动和较高的燃烧温度，使煤粉火焰容易刷墙以及水冷壁附近可能出现还原性气氛，为产生水冷壁高温腐蚀提供了充分条件。现将产生高温腐蚀的条件，归纳如下：

1）燃煤中存在一定含量的S、Cl、K、Na等可产生高温腐蚀的物质；

2）水冷壁附近出现还原性气氛和腐蚀性气体；

3）水冷壁腐蚀区域的壁温在320℃以上；

4）腐蚀产物的剥落，使得腐蚀能不断地渗透内层。

3、腐蚀过程

   水冷壁的高温腐蚀是一个复杂的物理化学过程，主要与水冷壁附近的温度、气体成分、煤质成分和煤粒的运动状况有关。由于炉内燃烧不均匀，水冷壁附近局部温度增高，使水冷壁壁面温度提高，在高温下水冷壁高温管材料容易老化，抗磨损和腐蚀性能降低。煤粉在燃烧过程中，煤中的矿物质成分不断地挥发出来，其中有一部分形成SO2、HCl、NaOH和H2S等腐蚀性较强的物质，并对水冷壁产生腐蚀。当水冷壁附近的烟气处于还原性气氛时，还原性气氛将导致灰熔点的下降和灰沉积过程加快，从而加速受热面的腐蚀。煤质对高温腐蚀也有一定影响，燃用无烟煤和贫煤的锅炉，煤的着火点温度相对较高，燃烧困难，容易产生不完全燃烧和火焰拖长，因而形成还原气氛，致使炉内腐蚀性气氛增强。含硫高的煤出现腐蚀的可能性大，硫分越高，腐蚀性物质浓度越大，与金属管壁发生化学反应的可能性越大，对水冷壁的腐蚀就越严重。另外，当含有较多未燃尽的煤粉气流直接冲向水冷壁时，这股气流除了造成水冷壁附近的温度增加和形成还原气氛外，其中的煤粉颗粒将直接冲刷水冷壁，导致水冷壁的磨损，并由于气流中携带着已熔化的灰粒，这些灰粒撞击到水冷壁后会黏附上去，灰粒中的腐蚀性物质就会很容易地与水冷壁金属发生化学反应，引起严重的腐蚀和磨损。

4、大型燃煤锅炉水冷壁高温腐蚀主要原因

   影响水冷壁外部腐蚀的最主要因素是水冷壁附近的烟气成份和管壁温度。具体地说由于燃烧器附近因火焰温度可达1400~1600℃左右，因NaOH、SO2、HCl、H2S等腐蚀性气体成份较多，同时水冷壁附近的烟气还处于还原性气氛，还原性气氛导致了灰熔点温度的下降和灰沉积过程加快，从而引起受热面的腐蚀；另一方面，由于燃烧器区附近的水冷壁管的热流密度很大，温度梯度也很大，管壁温度常在350~400℃左右。通过水冷壁的热负荷很高会使壁温升高，并常会引起管内结水垢，这就更进一步提高了管壁温度，加速了腐蚀的进程。

在燃煤机组发生高温腐蚀的过程中，其腐蚀类型基本上都属于还原性气氛下的硫化物型高温腐蚀。经过分析可知，影响腐蚀的因素主要有以下几个方面：燃煤品质、煤粉细度、腐蚀区域的还原性气氛、煤粉近壁燃烧以及水冷壁温度条件等。

1) 燃煤因素

无烟煤与贫煤的挥发份较低，着火温度较高，燃烧困难，容易产生不完全燃烧和火焰冲墙，从而在近壁处形成还原性气氛，导致水冷壁高温腐蚀的发生。

燃煤中硫的含量也是一个相当重要的因素。硫的含量越高，燃烧过程中产生的游离态硫与H2S含量越高，产生高温腐蚀的可能性也越大。我国发生高温腐蚀锅炉的燃煤中硫含量大多数大于1%，有的甚至高达2~4%。

2)煤粉细度和腐蚀区域的还原性气氛

3)水冷壁温度条件

4)燃烧器及其布置方式

5)参与变负荷调峰

5、对冲燃烧布置锅炉水冷壁高温腐蚀问题的实践分析

   对冲燃烧布置锅炉的高温腐蚀通常发生在炉内两侧墙水冷壁上，这主要是因这类锅炉采用双调风旋流燃烧器前后墙对冲布置，该燃烧器的一次风不旋转，可调节内外二次风量比例和内二次风的旋流强度。由于一次风并不旋转，故当一次风速度较大时，造成前后墙的一次风碰撞后煤粉气流冲向两侧水冷壁，从而导致煤粉在水冷壁附近燃烧，产生较高的温度和煤粉冲刷水冷壁，以及腐蚀性气氛的形成，使得水冷壁易受腐蚀和磨损，是导致对冲布置锅炉受高温腐蚀关键所在。以国内某电厂锅炉为例，该炉燃烧器为对冲燃烧布置，前后墙各布置12只双调风旋流燃烧器，设计煤种为晋中贫煤。该炉投运两年后发现该炉两侧墙的水冷壁表面腐蚀磨损较为严重，经过现场分析及研究，认为这主要是由于该炉的燃烧器为对冲布置，运行中一次风风速较大，造成前后强的一次风对冲后煤粉气流冲向两侧水冷壁燃烧，致使该处水冷壁收到腐蚀及磨损。而一次风由于管径偏大，减小一次风量又容易造成一次风管堵塞，二次风的叶片和挡板调节有限。为此，提出了安装贴壁风的办法来解决该炉的高温腐蚀及磨损问题。贴壁风由二次风箱引入，布置在两侧墙或前后墙上，使两侧墙水冷壁的附近有一层气流经过，减轻水冷壁附近受高温的影响。煤粉的冲刷和还原性气氛的形式，缓解水冷壁的高温腐蚀和磨损。

贴壁风的位置和尺寸，以及风量的大小和风速的高低对减轻水冷壁的高温腐蚀非常关键。为了获得这些数据，采用先进的锅炉燃烧过程计算机模拟预示技术，根据对贴壁风布置位置和风速的选择，并与改变二次风的旋流强度进行比较，对该炉燃烧过程进行额大量的模拟计算，以便得到解决该炉水冷壁高温腐蚀及磨损切实可行的办法。这里，仅选取几个具有代表性的计算机模拟工况进行讨论。

贴壁风布置在前后墙时，三层燃烧器共布置贴壁喷口12个，贴壁风靠近两侧墙附近。每层贴壁风喷口的中心标高与各层燃烧器的中心标高一致，喷入的方向也与一次风的方向一致。通过计算机模拟不同工况，依据计算机提供的温度场、速度场、煤粉颗粒运动规律、炉膛出口温度下的温度场和速度场上的定性判断以及炉膛出口温度和煤粉的燃尽率。

1)锅炉实际运行工况

当按目前该炉运行工况配风配煤时，从炉内流场中可以看到煤粉气流由前后墙燃烧器喷出后，因一次风的速度较大，喷出的气流碰撞后向两侧墙冲去。温度场表明煤粉的两侧墙附近燃烧，两侧墙附近的温度很高，约1300℃，在这种情况下炉内水冷壁必然会产生较严重的高温腐蚀。

2)内外二次风风量比例的变化

改变内外二次风量的比例，对煤粉的初期着火和燃烧有影响，当内二次风较小时，着火和稳燃较好。当内二次风较大时，着火推迟，煤粉的燃用率也受到影响。内外二次风量比例的改变，对炉内整体温度的分布影响不大，因此，对缓解炉内的高温腐蚀作用并不太大。

3)内二次风旋流强度的变化

内二次风旋流强度的变化同样对煤粉的初期着火和燃烧有一定影响，增加内二次风的旋流强度，有利于煤粉的着火，工况2时煤粉的着火距离较短。在一次风速度较大的情况下，改变内二次风的旋流强度对炉内整个温度的分布影响不大，即对缓解炉内的高温腐蚀作用不大。

4) 一次风速的变化

一次风速的降低使得前后墙燃烧器喷出的气流在炉内的碰撞相对减弱，使炉内冲向两侧水冷壁的气流减少，略可降低水冷壁附近的温度，减缓了水冷壁的高温腐蚀，但没有从根本上解决锅炉的高温腐蚀问题。一次风速的降低对煤粉的着火和稳定燃烧十分有利。

5)贴壁风位置、喷口大小、风量和风速的影响

当贴壁风的位置选择在前后墙上时，贴壁风的风量、风速、喷口的截面积或喷口距两侧墙的距离的选择对降低炉内两侧墙水冷壁附近的温度有较大影响。对降低两侧墙水冷壁附近的高温有一定的作用。

由以上分析可知，布置贴壁风能有效地减轻炉内水冷壁的高温腐蚀，且不会对炉内煤粉的着火稳燃和燃尽造成不良影响。而其他方法对炉内的煤粉着火和稳定燃烧有一定作用，但对缓解炉内水冷壁高温腐蚀作用不大。

6 对冲燃烧布置锅炉水冷壁高温腐蚀的应对措施

1) 控制燃料中的硫和氯含量

控制燃料中的硫和氯含量可降低腐蚀速率。研究显示，水冷壁管常在燃料品种变化时发生向火侧严重腐蚀。燃料是控制腐蚀速率的第一道关口，应燃用含硫量低于0.8%的煤种，以降低腐蚀速率。

2)均匀供粉、合适的煤粉细度

在运行中，若不能保证向各燃烧器均匀送粉，则各燃烧器煤粉空气配比就不可能保持均匀，易导致炉内局部缺氧、着火困难和燃烧不稳定。因此，对于煤粉管道，一方面应尽量减少它的弯头及长度，另一方面可在管道内装设十字形的整流装置来尽量消除气流旋转、加装导流板来减轻因弯头而引起的煤粉惯性分离；对于直吹式系统，应注意控制一次风压不可太低。

煤粉较粗将会导致火焰冲墙、壁面附近燃烧强度高、煤粉难于燃尽等，从而引起高温腐蚀与磨损。燃烧器供粉不均或供风工况收到破坏时更是如此。因此要根据具体情况，控制好适当的煤粉细度，以避免高温腐蚀。

3）监控水质

4) 采用贴壁风

5) 采用渗铝管

6) 喷涂防磨防爆合金

7) 采用低氧燃烧技术

8) 避免长期低负荷运行

7 寿电工程防止锅炉水冷壁高温腐蚀措施

1）寿电一期工程燃烧系统

寿电一期工程2x1000MW机组锅炉为东锅DG3002/29.4-II4型锅炉，采用前后墙对冲燃烧方式。

2）寿电一期工程控制锅炉水冷壁高温腐蚀有效措施的应用情况

针对以上提到的八个对冲燃烧布置锅炉水冷壁高温腐蚀的应对措施，寿电一期工程对这几个问题进行了有效避免。

1)      控制燃料中的硫和氯含量

2)      均匀供粉、合适的煤粉细度

3)      监控水质

4)      采用贴壁风

5)      采用渗铝管

6)      喷涂防磨防爆合金

7)      采用低氧燃烧技术

低氧燃烧的优点主要有以下几个方面：

(1)    送风量和烟气量减小使排烟热损失下降，锅炉效率提高，并使吸、送风机耗电量减小；

(2)    烟气中剩余氧浓度降低，金属高温氧化的可能性降低，并能降低五氧化二钒的生成量，能有效地减轻受热面的高温腐蚀和防止出现高温粘结灰；

(3)    能使三氧化硫生产量下降，烟气露点温降低，有利于防止受热面的低温腐蚀；

(4)    减少氮氧化合物生产量，有利于环境保护。

8 结论

高温腐蚀是一个复杂的物理过程，由于受煤种、受热面材质、燃烧方式、燃烧器结构、运行方式等影响，高温腐蚀是锅炉燃烧中不可避免存在的问题，需要在运行中不断的总结经验，对受热面工作氛围进行检测，大修时对受热面进行检查，针对性的做好预防。寿电一期工程在设计、运行和检修方面，有针对性的对防止水冷壁区域高温腐蚀现象进行了分析和研究，并将这些措施应用于寿电一期工程中，对其它同类型机组有很好的借鉴意义。