600MW超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕分析及處理

摘要：介紹了某600MW超臨界鍋爐高溫腐蝕狀況，通過增加鍋爐水冷壁貼壁風，通過燃燒試驗結果以及鍋爐冷熱態試驗分析得出水冷壁側墻壁面強還原性氛圍得到有效控制，達到降低鍋爐水冷壁高溫腐蝕目的。

關鍵詞：超臨界鍋爐;水冷壁;高溫腐蝕;燃燒器

一、概述

某電廠600MW超臨界鍋爐存在嚴重的水冷壁高溫腐蝕問題。2012年7月份，委托西安熱工院對#1、2爐進行燃燒調整試驗，發現兩側墻水冷壁煤粉氣流刷墻情況嚴重，貼壁呈現強還原性氣氛，摸底工況下燃燒器至燃燼風區域側墻含氧量均小于0.3%，CO含量大于10000ppm，H2S含量大于1200 ppm，NOx排放量小于300 mg/Nm3。

比對同為前后墻對沖燃燒方式的電廠，燃燒系統使用三井巴布科克LNASB燃燒器，多年運行均未出現水冷壁高溫腐蝕問題。其燃燒器結構與HT-NR3燃燒器相比，二次風和中心風的通流面積很大，燃燒器區域燃燒較充分，缺氧脫氮深度不及東方日立HT-NR3燃燒器。該廠的NOx排放量大于500 mg/Nm3，但是通過調整二次風擋板開度，NOx的排放量可控制不超過450 mg/Nm³。

鑒于通過運行調節無法降低水冷壁貼壁還原性氣氛，需要采取其他措施控制解決。

二、燃燒調整情況介紹

#1鍋爐入爐煤質年度平均含硫量為0.6%，在鍋爐水冷壁高溫腐蝕專項調整試驗中，主要針對還原性氣氛和煤粉氣流刷墻進行，試驗中以還原性氣體H₂S和CO、壁面附近氧濃度、貼壁面煤粉量為參考指標。

（1）摸底工況，在兩側墻高溫腐蝕最嚴重區域共裝設15個測點（即中層燃燒器標高至爐膛下層吹灰器標高），測試表明兩側墻貼壁氧量均在0.1%～0.3%，CO和H₂S濃度較大，大部分已經超過儀器儀表量程（CO 和H₂S量程上限分別為10000ppm和 1203ppm），且抽出氣體中含有大量煤粉，兩側墻煤粉氣流刷墻嚴重，NO_x排放量為217mg/Nm³。

（2）外二次風旋流調整試驗，在運行氧量不變前提下外二次風開度為100%/50%/30%/30%/50%/100%。將空氣由中間壓向兩側，然而效果并不明顯，主要原因為鍋爐設計中燃燼風占二次風總量較高，BMCR工況下達38%，空氣分級程度較大，爐內整體還原性氣氛濃厚。

（3）燃燼風份額試驗，將燃燼風擋板開度分別為100%、70%、50%，降低燃燼風份額，加大主燃區空氣供給量，結果顯示側墻附近氧量有所上升，CO和H₂S還原性氣體濃度有所減少，大部分測點抽出煤粉量大幅減少，NO_x排放量有小幅增加，燃燼風調整對改善壁面氣氛和緩解煤粉刷墻作用較大。然而，在燃燼風開度為50%，由于風箱調節節流作用，導致送風機電流和出口風壓大幅增加，說明燃燼風在二次風中所占份額較大，其風門開度變化對送風機相關參數構成很大程度影響，燃燼風開度受風機性能特性影響深度調節有限。

（4）投磨方式試驗，由五臺磨運行改為六臺磨運行后，二次風壓降低較為明顯，進而其入爐射流剛性變差，氣流速度迅速衰減，風包粉效果減弱，煤粉顆粒更易離析，而五臺磨運行中雖然還原性氣氛沒有徹底改善，但煤粉刷墻已明顯減弱。

（5）高氧量試驗，即提高運行氧量后，水冷壁側墻附近氧量有所升高，CO濃度依然較大，超出測量儀表量程，抽出煤粉量較大，但H₂S濃度有所降低，說明提高運行氧量對解決煤粉刷墻和根本性降低CO濃度影響不大。

（6）綜合治理試驗（兼一次風壓調整試驗），根據上述試驗遴選出最優參數，適當調節一次風壓，由8.2 kPa降至7.9 kPa，僅個別測點有少量煤粉抽出外，其余測點均無煤粉，表明煤粉刷墻得以解決，H₂S濃度相比五臺磨運行時有所減小，但還原性氣氛仍然濃厚。

水冷壁高溫腐蝕專項試驗結果顯示，通過諸多調整手段后煤粉刷墻基本得以消除，但爐內還原性氣氛未能得到根本的改善，燃燼風占二次風總量份額偏大，對于高溫腐蝕乃至鍋爐運行長期安全性存在較大影響。

三、改造方案

為了減輕鍋爐的高溫腐蝕，對燃燒器從以下四方面進行改造調整：

1、增加燃燒器內二次風通流面積

燃燒器內二次風在穩焰環“筋”肋處通流面積較小，通過減少穩焰環“筋”肋數量和通流端面厚度，增加內二次風量。穩焰環改造前后截面形狀如下圖所示：藍圖為原穩焰環截面形狀，紅色部分為擬改造的形狀。

圖1 燃燒器改造示意

改造后主燃燒器區域二次風量增加，弱化爐膛分級燃燒效果，內二次風量增加使著火提前且燃燒更充分，可改善爐內強還原性氣氛，緩解水冷壁高溫腐蝕。

對于燃燒器改造后帶來的NOx排放量增大，需要運行中通過燃燒器二次風量的配比調整，尋求安全運行和環保排放的平衡點，使得壁面氛圍得到改善同時又將NOx排放量控制不超過400 mg/Nm3。

2、外二次風導流筒改造

（1）將導流筒擴錐角度從45°調整至35°，降低外二次風的擴散范圍和二次風提前混合，使外二次風向燃燒器噴射中心集中;

（2）切割導流筒深度，將燃燒器外二次風導流筒軸向長度減小1/3，旋流外二次風提前對內二次及一次風產生影響。

3、增加貼壁風

在前后墻下層燃燒器標高以下1米距離側墻1米處開圓形噴口Φ400共6個，類似側燃燼風，氣流前后對沖布置，貼壁風由二次風箱總管引入，確保下層燃燒器停運時貼壁風連續形成。貼壁風覆蓋區域較弱時，可在中、上層燃燒器標高以下再布置一層貼壁風，使下游水冷壁區域形成一層覆蓋表面的空氣膜，防止高溫腐蝕產生。

四、改造后冷態試驗分析

改造后進行了側墻壁面水平風速測量。選擇測點與側墻壁面間隔10cm，沿著爐膛深度方向兩測點間隔約1m，測量結果見圖2，壁面附近水平風速在貼壁風射流噴口較低，隨著沿爐膛深度方向，流速呈現增大的趨勢，在爐膛中央區域風速能達到5m/s以上，這是因為射流過程中貼壁風氣流逐漸擴散引起的。

圖2 側墻壁面水平風速測量結果

五、改造后熱態試驗分析

600MW負荷下投入5層燃燒器運行，在工況穩定后對水冷壁壁面氣氛進行測量。改造后水冷壁不同燃燒器層側墻中部CO平均濃度為228 mg/m³，H₂S濃度約為8 3mg/m³。與改造前相比，CO濃度降低了兩個數量級，H₂S濃度降低到安全范圍下，水冷壁側墻壁面強還原性氛圍得到有效控制。試驗條件下飛灰含碳量為1.7%，鍋爐效率為93.5%，主要運行參數及效率與改造前持平，鍋爐總體性能良好。

六、結論

超臨界對沖鍋爐高溫腐蝕問題從燃燒系統改造入手，通過降低鍋爐水冷壁壁面還原性氣氛達到控制鍋爐高溫腐蝕。#1鍋爐燃燒系統本次通過改造前進行數值模擬計算，結果在定性上與實際運行工況結果吻合較好，通過對燃燒器改造方案和側邊風布置的實施，熱態運行參數表明，水冷壁側墻壁面強還原性氣氛得到有效的改善，可為鍋爐高溫腐蝕防治及燃燒系統優化改造提供參考。

參考文獻：

[1]柏江釗.廣東粵電靖海發電有限公司#1鍋爐貼壁風調整測試方案 東方鍋爐股份有限公司

[2]佟晉原.廣東粵電靖海發電有限公司#1、#2鍋爐高溫腐蝕改造初步方案.東方鍋爐股份有限公司