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(fēng)，通過燃燒試驗結(jié)果以及鍋爐冷熱態(tài)試驗分析得出水冷壁側(cè)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(guān)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(yán)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(diào)整試驗，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)墻水冷壁煤粉氣流刷墻情況嚴(yán)重，貼壁呈現(xiàn)強還原性氣氛，摸底工況下燃燒器至燃燼風(fēng)區(qū)域側(cè)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(tǒng)使用三井巴布科克LNASB燃燒器，多年運行均未出現(xiàn)水冷壁高溫腐蝕問題。其燃燒器結(jié)構(gòu)與HT-NR3燃燒器相比，二次風(fēng)和中心風(fēng)的通流面積很大，燃燒器區(qū)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(diào)整二次風(fēng)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(diào)節(jié)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(diào)整情況介紹

#1鍋爐入爐煤質(zhì)年度平均含硫量為0.6%，在鍋爐水冷壁高溫腐蝕專項調(diào)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(biāo)。

（1）摸底工況，在兩側(cè)墻高溫腐蝕最嚴(yán)重區(qū)域共裝設(shè)15個測點（即中層燃燒器標(biāo)高至爐膛下層吹灰器標(biāo)高），測試表明兩側(cè)墻貼壁氧量均在0.1%～0.3%，CO和H₂S濃度較大，大部分已經(jīng)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(cè)墻煤粉氣流刷墻嚴(yán)重，NO_x排放量為217mg/Nm³。

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

（3）燃燼風(fēng)份額試驗，將燃燼風(fēng)擋板開度分別為100%、70%、50%，降低燃燼風(fēng)份額，加大主燃區(qū)空氣供給量，結(jié)果顯示側(cè)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(fēng)調(diào)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(fēng)開度為50%，由于風(fēng)箱調(diào)節(jié)節(jié)流作用，導(dǎo)致送風(fēng)機電流和出口風(fēng)壓大幅增加，說明燃燼風(fēng)在二次風(fēng)中所占份額較大，其風(fēng)門開度變化對送風(fēng)機相關(guān)參數(shù)構(gòu)成很大程度影響，燃燼風(fēng)開度受風(fēng)機性能特性影響深度調(diào)節(jié)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(fēng)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(fēng)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(cè)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(fēng)壓調(diào)整試驗），根據(jù)上述試驗遴選出最優(yōu)參數(shù)，適當(dāng)調(diào)節(jié)一次風(fēng)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(jié)果顯示，通過諸多調(diào)整手段后煤粉刷墻基本得以消除，但爐內(nèi)還原性氣氛未能得到根本的改善，燃燼風(fēng)占二次風(fēng)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(diào)整：

1、增加燃燒器內(nèi)二次風(fēng)通流面積

燃燒器內(nèi)二次風(fēng)在穩(wěn)焰環(huán)“筋”肋處通流面積較小，通過減少穩(wěn)焰環(huán)“筋”肋數(shù)量和通流端面厚度，增加內(nèi)二次風(fēng)量。穩(wěn)焰環(huán)改造前后截面形狀如下圖所示：藍圖為原穩(wěn)焰環(huán)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(qū)域二次風(fēng)量增加，弱化爐膛分級燃燒效果，內(nèi)二次風(fēng)量增加使著火提前且燃燒更充分，可改善爐內(nèi)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(fēng)量的配比調(diào)整，尋求安全運行和環(huán)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(fēng)導(dǎo)流筒改造

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

（2）切割導(dǎo)流筒深度，將燃燒器外二次風(fēng)導(dǎo)流筒軸向長度減小1/3，旋流外二次風(fēng)提前對內(nèi)二次及一次風(fēng)產(chǎn)生影響。

3、增加貼壁風(fēng)

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

四、改造后冷態(tài)試驗分析

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

圖2 側(cè)墻壁面水平風(fēng)速測量結(jié)果

五、改造后熱態(tài)試驗分析

600MW負荷下投入5層燃燒器運行，在工況穩(wěn)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(cè)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(shù)量級，H₂S濃度降低到安全范圍下，水冷壁側(cè)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(shù)及效率與改造前持平，鍋爐總體性能良好。

六、結(jié)論

超臨界對沖鍋爐高溫腐蝕問題從燃燒系統(tǒng)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(tǒng)本次通過改造前進行數(shù)值模擬計算，結(jié)果在定性上與實際運行工況結(jié)果吻合較好，通過對燃燒器改造方案和側(cè)邊風(fēng)布置的實施，熱態(tài)運行參數(shù)表明，水冷壁側(cè)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(tǒng)優(yōu)化改造提供參考。

參考文獻：

[1]柏江釗.廣東粵電靖海發(fā)電有限公司#1鍋爐貼壁風(fēng)調(diào)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(fā)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