低氮燃燒器改造對屏式受熱面高溫腐蝕的影響

趙晴川，周新剛，張徐東，張利孟，劉　科（國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南　250003）

·經驗交流·

低氮燃燒器改造對屏式受熱面高溫腐蝕的影響

趙晴川，周新剛，張徐東，張利孟，劉科
（國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003）

對兩臺1 000 t/h煤粉鍋爐屏式再熱器和屏式過熱器發生的硫酸鹽型高溫腐蝕情況進行了分析，認為低氮燃燒器改造改變了鍋爐各受熱面的吸熱平衡，提高了爐膛火焰中心高度，造成屏式受熱面壁溫升高，對高溫腐蝕有著不可忽視的促進作用。以一臺自然循環鍋爐為例，定量分析了低氮燃燒器改造對不同受熱面吸熱量的影響，為低氮燃燒器改造和運行調整提供了依據。

燃煤鍋爐；屏式受熱面；高溫腐蝕；低氮燃燒器改造

0　引言

鍋爐屏式受熱面的高溫硫腐蝕，是指煙氣中所含堿金屬的復合硫酸鹽以液態在高溫受熱面上沉積所造成的腐蝕現象。高溫腐蝕主要發生在燃用高硫煤或高釩油的鍋爐水冷壁管和過熱器管上，腐蝕速度一般為0.8～2.6mm/a，嚴重時可高達5mm/a［1］。對于燃用高硫煤的鍋爐，發生屏式受熱面高溫硫腐蝕的概率很高，例如我國川渝地區燃煤收到基硫份高達3%以上，屏式受熱面的高溫腐蝕經常發生，對電廠的安全運行造成很大危害［2］。

山東省內燃用高硫煤的比例不高，因此多年來發生屏式受熱面高溫硫腐蝕的情況不常見。然而近兩年來，特別是低氮燃燒器改造以后，部分鍋爐出現了比較明顯的屏式受熱面高溫硫腐蝕現象，導致管壁減薄，應當引起足夠的重視。通過兩個高溫腐蝕的案例，分析了低氮燃燒器改造對受熱面吸熱平衡的影響，為避免此類高溫腐蝕的發生提供了設計和運行依據。

1　屏式受熱面高溫硫腐蝕的機理

當燃煤中含有較多的硫及灰分中有較多的堿金屬氧化物（Na2O或K2O）時，在高溫火焰中這些堿類物質升華，其蒸氣在管壁表面凝結，與煙氣中的SO3在適當的壁溫下化合成瓷釉狀的堿金屬硫酸鹽（Na2SO4或K2SO4）。

隨著這些沉積物厚度的增加，表面溫度不斷上升，以致表面呈融化狀態 （K2SO4熔點為1 057℃，Na2SO4熔點為890℃），表面上很快黏附灰粒形成一層疏松多孔的積灰層。由于高溫輻射，灰層表面融化形成渣膜，在融化狀態和還原性氣氛中，灰渣內的硫酸鹽會分解出SO3，這些SO3與煙氣中可能滲入的SO3一起，通過灰層向內擴散并與硫酸鹽及壁面Fe2O3產生化學反應生成復合硫酸鹽Na3Fe（SO4）3或K3Fe（SO4）3。化學反應方程式為

在上述反應中，管壁上的氧化鐵保護層被消耗掉，在運行中隨著灰渣層的流淌和崩塌，會使暴露在渣膜表面的復合硫酸鹽受高溫分解成硫酸鹽、Fe2O3和SO3，當管壁上形成新的灰層后又重復過程2），這樣周而復始，管壁不斷受到腐蝕而變薄［3］。

2　高溫硫腐蝕案例

2.1屏式再熱器管壁減薄

某廠1號鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、控制循環汽包爐。爐膛上部布置墻式輻射再熱器、過熱器分隔屏以及后屏。再熱蒸汽流程依次為墻式再熱器、屏式再熱器、末級再熱器。其中屏式再熱器為順流布置，沿爐寬方向設置30屏，每片屏設14個管圈，計28根管子，布置在爐膛出口折焰角上方，如圖1所示。

鍋爐采用四角布置的擺動式直流燃燒器、切向燃燒、冷一次風機、雙進雙出鋼球磨煤機，燃用煙煤。2012年，對鍋爐燃燒系統進行了低NOx改造，改變了切圓直徑，增加貼壁風，在主燃燒器上方增設4組高位SOFA燃盡風，在主燃燒器上層一次風噴口上方約8m處。SOFA噴口可同時做上下左右擺動。全爐膛沿高度方向的風量重新進行了分配，并調整了主燃燒器區一、二次風噴口面積，更換一、二次風噴口及一次風噴嘴體、一次風入口彎頭等部件，對一次風標高重新調整。改造前后燃燒器對比如圖2所示。

圖1　鍋爐及受熱面布置

在2014年5月B修的防磨防爆檢查中，發現屏式再熱器管壁減薄。現場檢查發現，屏式再熱器和后屏過熱器的屏兩側或單側黏附著較為均勻的渣層。渣層較薄，有一定硬度，不容易清理，渣層表面形態能看出明顯的煙氣流動方向。腐蝕多發生在屏再煙氣入口向火側的管壁上。清理掉渣層后發現管壁上有瓷釉狀沉積物，或表面有斑點狀腐蝕痕跡，有的表面呈灰藍色，如圖3（a）所示；有的管壁上腐蝕產物和灰渣燒結在一起，呈褐紅色，如圖3（b）所示。

圖2　低NOx燃燒器改造前后對比

這兩種腐蝕形態都具有堿焦硫酸鹽的熔鹽高溫腐蝕特征，主要是由硫酸鹽的熔鹽腐蝕造成。二者不同之處可能是由管壁溫度及腐蝕程度的不同所造成。通過壁厚的測量發現，其中圖3（a）壁厚更薄，腐蝕情況更嚴重，表面大部分已是藍灰色。圖3（b）管壁氧化層較厚，顏色也略顯暗紅，可能由于管材本身在受到腐蝕時也在逐步生成氧化保護層，而且氧化層生成的相對速度比圖3（a）中的要快［4］。

圖3　屏式再熱器管壁腐蝕

2.2屏式過熱器高溫腐蝕

某廠HG—1065/17.5—YM1型亞臨界一次中間再熱控制循環汽包爐，四角切圓燃燒，平衡通風固態排渣煤粉爐，燃用煙煤。2006年11月投入商業運營。2014年大修發現后屏過熱器中下部有明顯高溫腐蝕現象，面積約有120m2，如圖4所示。

圖4　屏式過熱器高溫腐蝕

圖5　低NOx燃燒器改造前后對比

低氮燃燒器在原燃燒器基礎上進行改造，如圖5所示。其中圖5（a）為改造前后燃燒器噴口布置對比，主燃燒器區域燃燒器一二次風標高、噴口面積改變，部分二次風噴口增設貼壁風組件，在原主燃燒器上方6～8m處布置4層SOFA噴口，SOFA噴口可同時做上下左右擺動。圖5（b）與圖5（c）為改造前后燃燒器射流角度的改變情況，將部分二次風射流方向由原來的大角度反切改為逆向與一次風射流方向偏置一較小角度（5°左右）。

3　腐蝕原因分析

從高溫腐蝕機理分析，屏式受熱面高溫硫腐蝕發生的條件是：1）燃煤含硫量較高，灰中堿類物質（Na2O或K2O）及硫酸鹽的含量相對較高；2）高溫造成較薄的熔渣層；3）高溫煙氣中的堿類物質及SO3能自由擴散到管表面，并有一定濃度，附著在渣膜表面的灰粒含有未分解的硫酸鹽；4）鍋爐頻繁啟停或高低負荷交錯運行，使管壁附著的渣層脫落，促進了腐蝕。

上述兩個案例鍋爐運行中基本滿足上述腐蝕條件：入廠煤高硫煤較多，超出設計煤種的數量占80%以上，其中硫份大于1.5%的入廠煤數量達到35%以上。尤其是在低NOx燃燒器改造后，爐膛上部燃燒份額增加，火焰溫度較高，在高負荷運行時，煙氣溫度可達到1 000℃以上，管內工質溫度達到450℃左右，屏式再熱器和后屏過熱器上附著了較多的薄渣層，達到硫腐蝕的溫度條件，形成垢下硫腐蝕。

4　低氮燃燒器改造對鍋爐熱力特性的影響

以上兩個案例是在鍋爐低氮燃燒器改造后，屏式受熱面的高溫腐蝕現象變得突出起來，說明低氮燃燒器改造后鍋爐燃燒特性發生改變，鍋爐各部分受熱面的吸熱特性也發生了改變，屏式受熱面吸熱增加，導致壁溫升高，促進了高溫腐蝕的發生。此外，鍋爐低氮改造后，火焰中心上移，燃燒器區域缺氧燃燒，爐內熱負荷分布改變，顆粒燃燒距離加長，導致爐頂屏式過熱器底部掛焦，也構成了屏式受熱面高溫腐蝕發生的外部條件。

低氮燃燒器改造后鍋爐燃燒特性改變，必然導致汽水系統吸熱特性改變，進而易引發受熱面高溫腐蝕以及汽溫偏差等問題。因此，定性、定量分析研究低氮燃燒器改造后燃燒側的改變對汽水系統吸熱特性的影響，可以為低氮燃燒器改造的設計和運行調整提供參考，避免出現改造后的高溫腐蝕、汽溫偏差等負面影響。以圖6所示的一臺自然循環、煙氣擋板調節控制再熱汽溫的鍋爐為例，定量分析了低氮燃燒器的燃燒側改變對汽水系統吸熱特性的影響。

一般來說，低氮燃燒系統燃燒側的以下改變會影響受熱面的吸熱平衡：1）降低燃燒空氣量；2）空氣分級；3）水冷壁灰沾污特性的改變。吸熱平衡的改變可能造成部分受熱面的材料表面溫度升高，因此改造后應檢測受熱面壁溫并與設計值對比，必要時需要進行受熱面的改造［5］。

4.1降低燃燒空氣量

低氮燃燒改造的一項主要措施是降低燃燒空氣量，即燃燒氧量降低。分析計算表明，降低總空氣量的影響為：圖6中蒸發受熱面吸熱量增加1.8%，爐膛出口溫度不變或略有降低（-3℃）；過熱受熱面吸熱量降低1.5%；再熱受熱面吸熱量略有下降（通過煙氣擋板調節，再熱器通道煙氣量增加6%，吸熱量得到一定的補償）；省煤器吸熱量下降4.6%；排煙溫度下降1℃。

由于爐膛出口煙溫變化不大，較低的煙氣流量意味著對換熱減少。因此，空氣量的減少導致過熱器出口溫度會有明顯降低。此外，煙道擋板控制的煙氣更多地轉移至再熱器側，過熱吸熱進一步減少。

以上分析表明，低氮燃燒器改造后空氣量、煙氣量的減少降低了過熱器、再熱器受熱面的吸熱量，有助于降低屏式受熱面發生高溫腐蝕的風險。

圖6　自然循環鍋爐受熱面布置

4.2燃燒空氣分級

空氣分級，即部分燃燒器區的燃燒空氣轉移到爐膛更高區域，會導致在上部爐膛區域的熱釋放，改變了爐膛溫度場的分布。計算表明空氣分級會產生以下影響：蒸發受熱面吸熱量降低1.8%，爐膛出口煙溫升高12℃；過熱器吸熱量增加2.2%；再熱器吸熱量增加；省煤器吸熱量增加1.5%；排煙溫度升高1℃。

空氣分級和由此而來的爐膛上部區域熱釋放，導致熱量更多地轉移到對流型熱表面，對再熱器出口溫度影響最大。因此改造前應進行核算，確定通過煙氣擋板調節能否抵消再熱器增加的熱量，并校核再熱器出口材質能否承受壁溫的升高。省煤器吸熱增加提高了出口工質溫度，應核算不同負荷下管內工質是否會達到沸騰狀態。對于過熱器，由于增加吸熱量2.2%，導致流量增加1.3%，從而增加了對蒸發受熱面出力的要求，要求提高燃料量，應檢查燃燒、制粉、風煙等系統能否滿足需求。

以上分析表明，多數情況下，低氮燃燒器改造后空氣分級導致對流受熱面吸熱增加，尤其是再熱器吸熱增加，壁溫升高，增大了屏式受熱面高溫腐蝕發生的風險。而且空氣分級后，煤粉顆粒燃燒距離將加長，導致爐頂屏式過熱器底部掛焦，表面溫度較高，進一步形成了腐蝕條件，增加了腐蝕的危險。

空氣分級的影響還有一種較少發生的特例，即對于燃料揮發份高、極易著火的煤種，在特定的研磨細度和空氣分配條件下，進入爐膛低部的空氣量減少，并不會影響煤粉顆粒著火，反而由于進入空氣量減少，相當于減少了進入的冷風熱量，提高了爐膛的溫度水平，煤粉在低部爐膛區域燃燒更劇烈，在低部爐膛區域熱釋放增加，可能導致燃燒器區溫度更高。在這種高溫下，蒸發受熱面的熱交換增加，從而降低了過熱器、再熱器受熱面的吸熱量，有利于避免發生屏式受熱面高溫腐蝕的發生。

4.3水冷壁沾污方式改變

低氮燃燒器改造后，某些鍋爐的灰沾污特性發生了明顯的改變，導致爐膛結焦的趨勢加劇，將產生如下后果：蒸發受熱面吸熱量降低1.2%，爐膛出口溫度升高7℃；過熱受熱面吸熱量增加1.6%；再熱受熱面吸熱量升高；省煤器吸熱量升高1%；排煙溫度升高1℃。因此，結焦加劇導致過熱器和再熱器吸熱增加，壁溫升高，增大了屏式受熱面高溫腐蝕發生的風險。

此時應尤其關注再熱器出口工質溫度。由于爐膛吸熱量的減少，導致更多的熱量轉移到對流受熱面。應檢查再熱器是否能夠通過調節煙氣擋板抵消增加的吸熱量。再熱器出口材質溫度應與設計限值對比校核。對流受熱面吸熱增加，蒸汽出力增加1.1%，從而蒸發受熱面產生的蒸汽量必須提高，相應地要求提高燃燒出力，應檢查燃燒、制粉、風煙等系統是否能適應這種要求。同時也應關注省煤器額外吸收熱量是否會導致工質達到沸點。

以上分析表明，低氮改造后如果爐膛結焦加劇，則高溫腐蝕風險增大。

5　結語

鍋爐在低氮燃燒改造后，燃燒側的改變有可能使得受熱面的吸熱平衡發生改變，屏式受熱面吸熱增加，壁溫升高，促進了高溫腐蝕的發生。通過定量分析，認為低氮燃燒器改造后，降低燃燒空氣量、燃燒空氣分級、沾污方式改變3種燃燒側的改變，對汽水系統吸熱平衡有不同的影響。低氮燃燒器改造后空氣量、煙氣量的減少降低了過熱器、再熱器受熱面的吸熱量，有利于降低屏式受熱面發生高溫腐蝕的風險；低氮燃燒器改造后空氣分級多數情況下導致對流受熱面吸熱增加，尤其是再熱器吸熱增加，壁溫升高，增大了屏式受熱面高溫腐蝕發生的風險；低氮改造后如果爐膛結焦加劇，則屏式受熱面高溫腐蝕風險增大。這3種影響疊加后的總效果，決定了屏式受熱面吸熱量的增加或減少，從而決定了發生高溫腐蝕的風險。因此，低氮燃燒器的改造必須對鍋爐進行必要的熱力計算，以驗證3種效果的影響程度，并校核汽水側能否承受，是否需要增加必要的改造。

［1］岑可法，樊建人.鍋爐和熱交換器的積灰、結渣、磨損和腐蝕的防止原理與計算［M］.北京：科學出版社，1994.

［2］陳曲進.川渝地區國產670 t/h鍋爐高溫腐蝕情況調查［J］.鍋爐技術，2006，37（3）：49-52.

［3］楊厚君，李正剛，李朝志，等.DG1025鍋爐高溫再熱器高溫腐蝕原因分析與防止措施［J］.中國電機工程學報，2003，23（11）：212-214.

［4］米子德，梅東升，韓旭東.300MW燃煤機組鍋爐再熱器高溫腐蝕分析［J］.華北電力技術，2006（2）：9-13.

［5］張力.鍋爐原理［M］.北京：機械工業出版社，2010.

Im pacts of the Low NOxBurner Retrofit on Platen Heating Surface High Tem perature Corrosion

Z HAO Qingchuan，Z HOU Xingang，Z HANG Xudong，Z HANG Limeng，L IU Ke
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

The high temperature sulfur corrosion in two 1 000 t/h coal-fired boilerswere observed and analyzed.The Low NOxburner retrofit，which changed theheatdistribution balanceof theboiler，raised the flame coreheight，lead to the platen heating surface temperature growth，had ineligible impacts to the high temperature sulfur corrosion.A quantitative analysis of impacts of the low NOxburner retrofit to heatdistributionwasmade to provide valuable proposal for the retrofitand operation optimization.

coal-fired boiler；platen heating surface；high temperature corrosion；low NOxburner retrofit

TK224.9

B

1007-9904（2016）04-0046-05

2015-11-02

趙晴川（1972），男，高級工程師，從事電站鍋爐燃燒優化、性能分析、節能技術開發等工作。