風膜式貼壁風防止鍋爐水冷壁高溫腐蝕的有效性分析

喬印杰

摘 要：我國很多大型燃煤發電站使用的鍋爐存在鍋爐水冷壁高溫腐蝕現象，因為大部分鍋爐采用低氮燃燒系統。水冷壁高溫腐蝕的根本原因是煤中硫含量高，未燃盡煤粉沖刷水冷壁，形成局部還原性氣體，使得鍋爐腐蝕。而使用風膜式貼壁風就可以很好地防止還原性氣氛的出現，以免鍋爐被腐蝕。

關鍵詞：水冷壁;貼壁風;高溫腐蝕

中圖分類號：TK228 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）17-0127-04

Analysis of the Effectiveness of the Wind-film Wall-attached Wind to Prevent the High Temperature Corrosion of the Boiler Water Wall

QIAO Yinjie

（Henan Jingneng Huazhou Thermal Power Co.， Ltd.，Anyang Henan 456400）

Abstract： Many boilers used in large coal-fired power plants in China have high-temperature corrosion of the boiler water wall， because most boilers use low-nitrogen combustion systems. The root cause of high temperature corrosion of water wall is the high sulfur content in coal， unburned coal powder scours the water wall and forms local reducing gas， which makes the boiler corrode. The use of wind-membrane wall-mounted wind can well prevent the appearance of a reducing atmosphere to prevent the boiler from being corroded.

Keywords： water wall;wall-attached wind;high temperature corrosion

我國主要能源是燃煤，隨著社會經濟的快速發展，居民用電需求越來越高，但是燃煤大型電站會帶來嚴重污染。為了解決污染問題，燃煤發電站更改了燃燒煤方式，采用旋流風和燃盡風將煤完全燃燒，采用送熱風并使用螺旋式風將空氣送出，減少污染物NOx的產生量。但是，這種方式會導致鍋爐水冷壁附近積聚大量的CO、SO2等還原性氣體，導致發生化學反應。我國原煤中含有大量硫化物，而硫化物又是使得鍋爐被腐蝕的根本原因。為了解決這個問題，人們研發出貼壁風裝置，顧名思義，貼壁風就是在被腐蝕的鍋爐壁附近安裝一些通風裝置，然后通入空氣來改變鍋爐壁附近的還原性氣體過多現象，防止高溫引發腐蝕現象[1-2]。

1 鍋爐水冷壁高溫腐蝕原理

鍋爐水冷壁的高溫腐蝕現象如圖1所示，研究發現，鍋爐壁腐蝕區域表面由很多層污垢組成，這種污垢容易掉落并且很臟，從腐蝕物成分分析可以發現，鐵、硫等元素占絕大多數。根據化學原理可以得出，硫元素在高溫下與鍋爐壁中鐵元素發生反應，最后導致腐蝕現象。下面進行具體分析。

鍋爐壁遇到高溫，其中含的鐵與控制環境中的氧元素發生氧化反應而生成Fe2O3，鍋爐中的一些灰塵和顆粒物在鍋爐壁附近形成一層薄膜狀物體。

通常，我國原煤含有較多S元素，因此燃燒后會形成一些S元素和堿性金屬元素。這些元素在高溫下會升華成氣體，然后附著在鍋爐壁的薄膜狀物體上。如果它們與空氣中煤燃燒釋放的含S氣體結合而產生化學反應，就會產生硫酸鹽。具體反應如式（1）至式（4）所示。

當繼續加熱時，硫酸鹽不斷增加，會逐漸附著在鍋爐壁上，使得鍋爐壁熔點變低，逐漸破壞Fe2O3產生的那層薄膜。相關反應為：

當Fe2O3產生的那層薄膜被破壞后，鍋爐壁便會與[Na3FeSO43、K3FeSO43]產生反應，最后導致鍋爐壁中的Fe金屬被一步步消耗。具體反應如下：

新產生的硫酸鹽不斷循環往復，鍋爐壁中的Fe金屬被一步步腐蝕。

鍋爐中，金屬元素不斷消耗腐蝕，而且在高溫下，灰塵終會掉下去，使Na3Fe（SO4）3和[K3FeSO43]暴露在鍋爐中的高溫下，產生新的SO3氣體以及硫酸鹽。有關反應如下：

如此不斷循環下去，最終腐蝕鍋爐壁。

在鍋爐中處理硫酸鹽會腐蝕鍋爐壁，產生的硫化物也會腐蝕鍋爐壁。煤中含有的FeS2經過加熱會分解出FeS和S原子兩種物質，鍋爐內空氣中的H2S和SO2反應也會產生S原子。具體反應為：

由于鍋爐中的溫度高，并且處于還原性氣體氛圍的水冷壁會產生Fe，與S原子反應產生FeS，因此FeS遇到氧氣后產生氧化反應，形成四氧化三鐵，繼續腐蝕鍋爐壁。相關反應為：

由于我國煤中硫元素主要以硫化物的形式存在，因此鍋爐水冷壁的高溫腐蝕主要因素是硫化物，由式（1）至式（14）可以推出，鍋爐水冷壁的高溫腐蝕，區域應該是高溫區域。原因是這個區域還原性氣體多，使用的旋流對沖燃燒方法會使附近有很多沒有燃燒完全的煤粉。

2 防止鍋爐水冷壁高溫腐蝕的方法

鍋爐水冷壁出現高溫腐蝕的主要原因是煤中含有的硫元素在高溫條件會產生化學反應。因此，鍋爐高溫腐蝕最主要的內因就是煤種，為了防止鍋爐水冷壁的高溫腐蝕，首先要考慮煤種，明確煤的主要組分。

目前，最原始的防治方法是控制還原性氣體的產生位置，通過工作人員的操作，將還原性氣體與鍋爐水冷壁的位置錯開，盡量不讓兩者產生接觸。但是，這種方法過度依賴人工操作且不好控制，所以已經慢慢被淘汰。

美國發明了一種用噴涂材料來防止腐蝕的方法，將耐高溫、耐腐蝕的材料噴在水冷壁上進行保護。但是，耐高溫、耐腐蝕材料的費用昂貴，不適合普遍使用，但是這種方法從源頭上保護了鍋爐壁，效果非常好。

噴涂法可以很好地保護水冷壁，但是價格昂貴，因此人們想出一種替代方法，也就是使用一些耐高溫、耐腐蝕的材料，用其構造水冷壁，將其與鐵摻雜一起制作鍋爐壁，減緩鍋爐壁腐蝕速度，但是這種材料建造的鍋爐壁強度不夠，容易損壞。

最后就是本文討論的貼壁風法，它可以有效防止鍋爐水冷壁腐蝕。通過分析水冷壁腐蝕產生的根本原因，人們提出了這種方法，在水冷壁附近安裝一個貼壁風裝置，讓其吹風，不斷地利用新鮮空氣去除還原性氣體，形成空氣保護罩，也可以阻攔灰塵等雜質附著在水冷壁上，從源頭上避免化學反應。這種方法投入少而且效果良好，實用性強。

3 貼壁風法有效性分析

目前來說，貼壁風是解決鍋爐水冷壁腐蝕的較為普遍的方法，這種方法使用簡單，結構不復雜，結構如圖2所示。

貼壁風法的最開始結構如圖2（a）所示，鍋爐壁上開個簡單的縫隙讓空氣進入，解決鍋爐內還原性氣體過多的問題，方法簡單，但是不容易控制風量。

如圖2（b）所示，貼壁方法是在鍋爐上開個小孔，然后在水冷壁上安裝小風帽，開始時安裝的小風帽結構不適合，導致容易燒毀，后續改進小風帽安裝方式和大小，使之呈流線型，緊貼水冷壁外側。這種方法占用的風量少，不會破壞鍋爐內燃燒效果，并且安裝在水冷壁外側，不易燒毀且效果非常好，可以大大減小腐蝕率[3]。這種安裝方式方便進行清灰操作，安裝時就能夠達到阻擋鍋爐內灰塵的功效，在出風時進行吹灰操作，一舉多得。

4 進風方式及貼壁風對鍋爐貼壁氣體的影響分析

4.1 數學模型

在鍋爐工作時，煤粉通過分步組合操作而產生能量，具體流程有：輸運顆粒相，加大鍋爐的熱量，使得煤粉能夠充分燃燒，一些對應的物質一起參加反應，產生大量的輻射和熱量，完成氮氧化物等生成和還原過程。本文用四角切圓鍋爐作為試驗對象，初步建立了一個可以模擬鍋爐內煤粉的化學反應的數學模型。

這個模型主要分析爐內氣相湍流流動，湍流模型制定了修正的模型;化學反應發生時，煤粉顆粒在參加反應的物質中占比不到10%，因此可以采用離散數學模型來模擬煤粉運動;雖然部分煤粉在運動時隨著流動而分離出本體進行燃燒，但是雙平行競爭反應模型可以反映脫離原本煤粉的那一部分，擴散控制燃燒模型可以較好地分析焦炭的燃燒過程，基于混合分數-概率密度函數模型則是分析氣體物質燃燒的最佳選擇;氣體與固體之間的相互反應也能通過顆粒源項算法來進行解析;鍋爐內反應產生的輻射也能通過相應的模型來演算。

為了更加詳細地了解細微之處的變化，本研究將目標區域細分為一塊塊比較小的區域來觀察實際的過程變化。為了避免計算中出現誤差而導致量的分析出錯，燃燒區域的設置和物質運動的方向要保持相同，再將這種設置細化，能夠盡量完美地表示出這種反應。對于這種分析，必須加上各種限制條件，限制條件的求解可以構建一個方程式，求解可以采用迭代法，也可以采用其他方法。至于壓力與速度，可用采樣算法進行分析。

4.2 模型分析結果

在進行結果分析時，人們需要結合實際測量數據進行比對分析。本次試驗采用四角切圓鍋爐作為試驗對象，其間需要采集熱態測量數據，與模型分析數據進行對比。這種試驗采用的幾何模型、網格劃分和數學模型能夠盡可能地反映鍋爐內部化學反應的全過程，能分析鍋爐高溫腐蝕工況。根據實際觀察結果和模擬數據分析可以得出，水冷壁的高溫腐蝕大致與鍋爐內部溫度、物質速度、氣體成分和比例有關。

試驗分析表明，貼壁風順著鍋爐內壁的方向進入，可以直接改變水冷壁附近的相關分布。為了了解不同貼壁風配風方式對水冷壁高溫腐蝕的影響，采用鍋爐內壁的某一截面作為參照對象來進行數據測量，通過模型得到的分析數據來進行比對分析。這塊截面盡量選在鍋爐內的重點燃燒區域，這樣能夠形成中心對稱的局面，使得數據測量具有較高的可靠性和普遍性。鍋爐燃燒工作時，內部的氣體會以逆時針上升運動，對于選取的這一塊截面而言，氣流都是從左下角流向右上角。

隨著反應的進行，產生的氣體增多，鍋爐內部的氣流強度逐漸遞增，貼壁風沿壁面方向的穿透力增強。選取的截面上，CD層燃燒器下方氣流的強度和影響面積變得越來越大，但是增加強度是有限制的，而且增加過程較長。貼壁風在水冷壁上形成的氣膜遮蔽面積變得越來越多。這種變化會影響其他貼壁風風量，例如，隨著這一過程的進行，EE層貼壁風的風量開始慢慢地減小，CD層燃燒器上面氣流的高流速區域面積大幅度減小，貼壁風對水冷壁的覆蓋能力開始削弱。

貼壁風的作用之一是冷卻煙氣，但是在氣流速度變得越來越高的區域，氧氣稀缺，會導致不利影響。其中有一個重要的指標——CO含量，CO含量的高低能夠表示煙氣的還原性大小，同時CO與H2S之間也存在直接關系。當近壁煙氣中CO含量較低（如小于0.03 mol/L）時，可以認為煙氣處于弱還原性或接近中性氣氛狀態，此時H2S的含量較低，氧量不足，卻也可以成功地阻止水冷壁發生高溫腐蝕，大大延長其可用時限，避免造成更多的經濟損失;如果鍋爐內壁的CO濃度較高，煙氣則會具有較強還原性，如果這時還產生大量H2S等氣體，則會加快水冷壁高溫腐蝕。因此，CO濃度變化是水冷壁高溫腐蝕的主要氣體影響因素。

受本研究對象四角切圓鍋爐的內部結構影響，在主燃區后面的大部分區域，較高濃度的CO主要集中在右方。正如前述，選取的截面重點燃燒區域所產生的氣體成逆時針上升，而在所選取截面的后方，左邊物質進入鍋爐內部時大致自左向右流動，與煙氣流動方向一致。因此，這些物質在進行化學反應時所產生的氣流穿透力會有很大的提升，這樣強的氣流足夠將所選取截面上方的還原性氣體吹散。右方進入的物質速度比左側進來的物質的速度小得多，再者，鍋爐內部燃燒產生的各種氣體與之方向是相對的，這樣又會大大削減它的還原性。

4.3 水冷壁周圍物質的分布和濃度

本文采用的貼壁風配風方式會影響水冷壁周圍的物質分布和濃度，例如選取的截面區域右方會有較高的物質濃度。由于進風口進去的風不會與鍋爐內壁平行，因此一些煤粉顆粒進去時運動的量較少，這樣就不會對鍋爐內壁造成沖擊。隨著第一次進風的結束，鍋爐內反應的開始和熱量的增加會導致內部壓強增大，煤粉和其他物質開始沖擊鍋爐內壁。另外，受流場的影響，水冷壁的物質分布開始出現一些有規律的分布。之后，CD層貼壁風量開始加大，這一層下方的物質分布會因此受到影響而開始減少，與之相反，EE層貼壁風量減少，這一層的物質分布則會增加。這會導致水冷壁周圍的物質和氣體出現一定的混合，這些氣體中含有CO。通過這些反應，煤粉顆粒含量就會降低，達到防止鍋爐壁腐蝕的目的。

5 結語

本次試驗以四角切圓鍋爐作為試驗對象，進行模擬數值分析和實際觀察測量，證明采取的方法對防止水冷壁高溫腐蝕有一定作用。在水冷壁周圍，鍋爐內部燃燒產生的CO具有良好的還原性，這種氣體對水冷壁的高溫腐蝕作用極小，可以防止鍋爐壁腐蝕。本研究采用的方法能夠使鍋爐內部的物質充分燃燒，有效減少NOx的排放。

參考文獻：

[1]陳敏生，廖曉春.600 MW超臨界鍋爐防止高溫腐蝕技術改造和運行調整[J].中國電力，2018（4）：56-59.

[2]孟凡冉，高暢，金保昇，等.異距貼壁風噴口布置方案的數值模擬[J].化工進展，2017（9）：3237-3242.

[3]關鍵，陳錫炯，項群揚，等.配風方式及貼壁風對鍋爐貼壁氣氛影響規律研究[J].電站系統工程，2017（3）：21-26.