對沖燃燒鍋爐燃用高硫煤的高溫腐蝕防控

王丁

摘 要：高硫煤在我國儲量豐富且分布廣泛，是重工業鍋爐的常用燃料之一，因為煤中含硫，導致鍋爐產生高溫腐蝕現象。高溫腐蝕在鍋爐冷水壁管正面向火側和燃燒器附近的高溫區域爐壁內表現的最為嚴重，反復作用下導致短時間更換頻繁，甚至發生爆管事件，為鍋爐的安全經濟運行帶來威脅，特別在重工業任務繁忙和火電站電力負荷需求增大的環境下，發生安全事故的可能性大大增加。本文從高硫煤在鍋爐中的燃燒原理來分析高溫腐蝕的產生原因，結合鍋爐工作原理和具體實際條件來提出防控建議。

關鍵詞：對沖燃燒；高硫煤；鍋爐高溫腐蝕；防控措施

中圖分類號：TM621.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0193-01

我國煤炭資源的儲量中，高硫煤的儲量位居世界第二。不像低硫煤主要分布在東北和華北西北的偏遠地區，高硫煤分布廣泛且價格低廉，是重工業，火電站鍋爐常備燃料，但對國家而言，因其含硫量大于3%，即使使用先進的煙氣脫硫技術，提高脫硫效率也會排放出含硫化物，長時間運作，引發嚴重污染和酸雨現象。但對于前后墻對沖鍋爐而言，盡管采用了旋流燃燒器，有助于卷吸高溫煙氣，且火焰行程短，爐內熱負荷較為均勻，按理說結渣和高溫腐蝕更易控制，然而，隨著采用分級燃燒的方式控制氮氧化物排放，致使主燃燒區處于缺氧環境，還原性氣氛下水冷壁區域出現嚴重的高溫腐蝕。

1 燃用高硫煤產生高溫腐蝕現象的原因

歸集各種在燃用高硫煤作用下，水冷壁管壁變薄的情況，由于外壁表面的腐蝕，造成鍋爐運行壽命減少，可得出4種造成高溫腐蝕的主要原因：硫單質造成的腐蝕，硫化物造成的腐蝕，硫酸鹽造成的腐蝕以及含硫煙氣對管壁的腐蝕。

1.1 硫單質造成的腐蝕

高硫煤在爐內燃燒過程中，第一種情況是黃鐵礦受熱，或者和碳在不完全燃燒的情況下都會生成硫單質，第二種情況是硫化氫自己分解，或者與氧氣，二氧化硫反應生成得來硫單質，上訴兩種情況得來的硫單質不會收到金屬表面保護層的影響，會直接侵入水冷壁的氧化膜，致使水冷壁缺少腐蝕保護，由單質硫在高溫環境下生成的硫化亞鐵，所造成的腐蝕會使腐蝕層產生不同于一般腐蝕的應力，使腐蝕層易碎，隨著燃燒的進行，伴隨著爐內的氧化性氣體，會逐漸形成四氧化三鐵。隨著顱內燃燒的進行，在400℃時候，二氧化硫的大量產生，對于硫單質的生成起到了催化劑的作用，加速腐蝕的進行。

1.2 硫化物造成的腐蝕

對于硫化物造成的腐蝕，主要指硫化氫的腐蝕。當鍋爐內過量空氣系數小于1時，由于水冷壁周圍的空氣充滿煙氣，氧氣量不夠，導致高硫煤在無氧條件下燃燒，生成還原性氣體，形成還原性氣氛。煤質中的硫將會以硫化氫的形式析出。伴隨著一氧化碳的大量生成，硫化氫的濃度也迅速升高，特別在水冷壁管的溫度達到300℃后，硫化氫的腐蝕程度與內壁溫度成指數型變化，硫化氫可輕易穿過疏密三氧化二鐵層和磁性氧化鐵層，對水冷壁高溫區域造成嚴重腐蝕。但是如果可以控制水冷壁溫度在300℃以下時，氫化硫腐蝕速度會很慢甚至可以忽略。

1.3 硫酸鹽造成的腐蝕

由硫化氫與其他堿金屬氧化物反應生成的硫酸鹽也是造成鍋爐高溫腐蝕的因素之一，當壁溫較高時無論是黃鐵礦顆粒到達壁面還是附近有還原性氣體都會發生硫化物腐蝕，由于碳燃燒消耗了大量的氧氣并在還原性氛圍中高溫腐蝕的速度會大大加快。像氧化鈉和氧化鉀這樣的堿金屬氧化物會在高溫下升華，加上三氧化鐵的作用，易熔的硫酸鉀和硫酸鈉凝聚在受熱面上，生成的硫酸鈉和硫酸鉀易融，且易沾附煙灰。當壁溫高于650℃時，熔融狀態下的硫酸鉀和硫酸鈉會侵蝕管壁，形成金屬復合硫酸鹽，形成高溫腐蝕。當壁溫低于650攝氏度時，熔融狀態的硫酸鈉和硫酸鉀比氣態硫酸鹽具有更強的腐蝕性。溫度差是促使三氧化鐵和氣態硫酸鹽腐蝕的因素。

1.4 含硫煙氣對高溫管壁的腐蝕

導致水冷壁管高溫腐蝕的最后一個因素就是含硫煙氣，燃燒器周圍的火焰溫度達到1500℃左右，由于溫度過高致使含硫氣體中的礦物成分析出，加上還原性氛圍，同時在高溫管壁的作用下，根據腐蝕深度與壁溫關系圖：每50℃的提升會加倍腐蝕現象，加快灰質積沉，同時含硫煙氣也存在對金屬保護層的磨損和腐蝕劑的消耗。

2 對高硫煤造成的高溫腐蝕現象的相應防控建議

根據以上對造成鍋爐燃用高硫煤產生高溫腐蝕分析，針對問題所在，不難發現要防控高溫腐蝕，就是要從各個方面減少硫的含量，無論是硫酸鹽還是硫化物都需要降低它們在鍋爐燃燒中的不利影響，減弱它們對鍋爐水冷壁的腐蝕性。

2.1 設計方面

（1）增加貼壁風設計，經研究發現，由于前后墻對沖燃燒的鍋爐的燃燒器和燃盡風均布置在鍋爐的前后墻，致使兩側墻氧濃度較低，出現還原性氣氛，造成該區域的高溫腐蝕。通過增加貼壁風，向爐膛側墻區域通入空氣，增加了側墻區域的局部氧量，改變了該區域的還原性氣氛，同時該技術有助于避免旋流燃燒器貼壁燃燒，貼壁燃燒也會造成管壁的高溫腐蝕。

（2）增加煙氣成分測點。在易產生高溫腐蝕的區域可安裝煙氣成分測點，檢測該區域煙氣成分，方便指導運行人員監視調整。

2.2 設備維護方面

定期標定氧量值，定期標定一次風速，定期對磨煤機出口孔板進行檢查，對磨損嚴重的應及時更換，保證煤粉濃度的均勻；定期進行風門的開度校驗，定期檢查磨煤機分離器工作狀態，確保煤粉細度滿足要求。優化燃燒器參數設置，適當削弱主燃燒器外二次風旋流，適當增強主燃燒器內二次風風量，減少燃盡風風量，這些手法都可以減弱水冷壁的還原性氣氛。

2.3 運行調整方面

2.3.1 嚴格控制給水品質

給水品質對鍋爐高溫腐蝕的影響主要體現在水冷壁的管壁溫度條件上。若給水品質控制不嚴，很容易造成水冷壁管內結垢，這樣就會增加管壁的熱阻，阻礙熱量的傳遞，從而使管壁溫度上升，加速高溫腐蝕的進程。因此運行時應嚴格控制鍋爐的給水品質。

2.3.2 保證煤粉細度

煤粉細度對高溫腐蝕的影響也較為明顯。一方面，若煤粉越粗，則燃盡越困難，因而火焰拖長，進一步燃燒時，由于缺氧而形成還原性氣氛，造成高溫腐蝕。另一方面，若煤粉越粗，其動量也越大，容易直接沖刷水冷壁，磨損將加速水冷壁保護膜的破壞，使腐蝕介質直接與管壁金屬發生反應，從而加速水冷壁高溫腐蝕的過程。因此，在運行中合理降低煤粉細度。

2.3.3 合理配風

配風不當對鍋爐水冷壁高溫腐蝕的影響有兩方面：一方面是送風不足，使爐內缺氧，形成還原性氣氛，影響水冷壁的高溫腐蝕；另一方面是形成不良的爐內的空氣動力場，造成一次風或切圓偏斜，從而使未燃盡的煤粉顆粒磨損水冷壁以及貼壁燃燒，加速高溫腐蝕的進程。可適當增加燃燒器區域的供風量，降低上部供風量。

2.3.4 提高一次風速

一次風速提高高，推遲著火，燃燒遠離燃燒器區域，避免了燃燒器區域超溫，有助于減輕高溫腐蝕。

3 結語

在鍋爐燃用高硫煤的高溫腐蝕問題下，由于煤中含硫成分無法避免，水冷壁壁溫及其附近溫度也不可能降溫在600K以下，因而只有針對其它方面采取措施。從鍋爐燃燒的內部機理、煤質的再處理和抗腐蝕材料的選擇的三個方面來考慮，做好鍋爐低溫腐蝕和高溫腐蝕的防護，是解決鍋爐燃用高硫煤產生腐蝕的根本途徑，同時我們也應該慎重對待二氧化硫的凈化處理過程，防止其污染大氣。

參考文獻

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