350MW超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因分析及對策

華能應城熱電有限責任公司 王 強 肖青云 王 偉

隨著環保標準的提高，燃煤鍋爐都配有低氮燃燒器；隨著煤價的不斷上漲，摻燒高硫煤也成為必然趨勢。無論低氮燃燒技術的應用還是高硫煤的摻燒，都使受熱面高溫腐蝕成為了燃煤鍋爐不可避免的共性難題。董琨、艾晨輝等分析了鍋爐燃用高硫煤的高溫腐蝕問題[1-2]；張翔等對鍋爐水冷壁高溫腐蝕進行探討探討[3]；應冬軍、童家麟等分析了摻燒高硫煤對鍋爐的影響及運行優化[4-5]；目前研究的水冷壁高溫腐蝕多位于高負荷區，水冷壁大面積普遍腐蝕。本文針對國內某電廠350MW鍋爐螺旋水冷壁高溫腐蝕多集中在水冷壁爐膛吹灰器附近區域且位于水冷壁管上部的特點，分析了高溫腐蝕的原因并提出相應改造方案及對策，為鍋爐的實際改造提出可行性建議，降低因螺旋水冷壁高溫腐蝕而停爐的安全隱患。

1 設備概況

某電廠350MW機組為東方電氣股份有限公司生產的DG1130/25.4-II2超臨界對沖燃燒直流爐，燃燒器采用東方鍋爐股份有限公司自行設計的外濃內淡型低NOx旋流煤粉燃燒器，爐膛水冷壁分上下兩部分，下部水冷壁采用全焊接的螺旋上升膜式管屏，上部水冷壁采用全焊接的垂直上升膜式管屏，螺旋段水冷壁盤繞管圈的傾角為15.7041°，管子節距為55mm，采用六頭上升角60°的內螺紋管，管子規格Φ38.1×7.5，材質為SA-213T2。

該鍋爐檢修中發現，燃燒器層兩側墻中部水冷壁存在著不同程度的高溫腐蝕，爐膛吹灰器能夠吹掃到之處尤為嚴重，其管壁減薄非常明顯，已臨近最小計算壁厚，而該腐蝕與常見的腐蝕略有不同，該處高溫腐蝕發生在鍋爐螺旋上升水冷壁的每個水冷壁管的上部，其下部及表面只是非常輕微甚至無高溫腐蝕發生（圖1）。

2 導致高溫腐蝕的要素

根據燃煤鍋爐水冷壁發生高溫腐蝕的案例，其腐蝕原理基本為還原性氣氛下的硫化物產生高溫腐蝕。導致腐蝕的因素主要有水冷壁壁溫、入爐煤質成分、水冷壁壁面區域的還原性氣氛等條件[6]。

金屬壁溫。水冷壁壁溫與硫化氫腐蝕速度成正比，在水冷壁溫度為410～480℃的范圍內時，溫度每升高10℃時腐蝕速率平均增加0.4～0.5g/(m2·h)。若因水冷壁管內部結垢或其他原因導致水冷壁管導熱降低，均會使水冷壁壁溫升高，加快水冷壁高溫腐蝕[7]。

入爐煤質成分。入爐煤質的好壞是導致高溫腐蝕的主要因素，煤質成分中若揮發分低，就會導致著火和穩燃困難，燃盡度差，使煤粉火焰延長。部分煤粉在一、二次風的攜帶下，會在整個爐膛水冷壁壁面附近開始燃燒，水冷壁壁面附近的煤粉燃燒時形成欠氧區，因而在水冷壁附近會形成還原性氣氛以及較高濃度的H2S，產生高溫腐蝕[8]。研究表明[9]，入爐煤含硫量越高高溫腐蝕越嚴重，煤質含硫量越高、燃燒產生的游離態硫及帶有腐蝕性的H2S含量越高，高溫腐蝕越嚴重。

水冷壁區域還原性氣氛。爐膛主燃燒器層欠氧燃燒形成以CO為主的還原性氣氛，而還原性氣氛往往會導致高溫腐蝕，隨著還原性氣體CO增加，腐蝕性氣體H2S的含量也相應迅速增加，加快高溫腐蝕[10]。

3 螺旋水冷壁高溫腐蝕原因分析

3.1 電廠實際燃用煤質分析

原鍋爐設計煤種為70%華亭煙煤與30%鄭州貧煤的混煤，近年來受煤炭市場及公司能源政策的影響，該鍋爐開始摻燒高硫貧煤，其與設計煤種的煤質對比分析為：全水份（Mt）5.02%、12.72%，空氣干燥基水份（Mad）0.42%、7.60%，收到基灰分（Aar）32.79%、17.67%，可燃基揮發分（Vdaf）19.4%7、33.02%，收到基含硫量（St,ar）3.13%、0.93%。與設計煤種相比，摻燒煤種的水分和揮發分較低，但灰分和硫分較高，硫分高達3.13%。摻燒高硫煤加快了水冷壁高溫腐蝕。

3.2 電廠水冷壁高溫腐蝕外觀檢查分析

經現場檢查，該廠燃燒器層側墻吹灰器區域水冷壁存在著較為嚴重的高溫腐蝕現象，其腐蝕處特點非常明顯，即在水冷壁與鰭片焊接處呈現明顯的條形帶狀。很顯然，這種被腐蝕的條形帶是由未燃盡焦炭顆粒集落在該處后（圖2），其未完全燃燒反應持續發生所生成的H2S等腐蝕性氣體所引發的，集落在水冷壁上的焦炭顆粒的可燃物含量越高、硫含量越高，高溫腐蝕就會越嚴重。

該鍋爐目前通常選2～3套制粉系統摻燒貧煤，其與煙煤的摻燒方式為爐前摻混方式，煤煙與貧煤的摻混比例為1.5：1或2：1，進入爐內后，煙煤搶先燃燒并消耗掉絕大部分氧量，使貧煤煤粉顆粒在燃燒初期處于未完全燃燒狀況，其燃盡過程非常遲緩，導致其焦炭顆粒可燃物含量高于單套制粉系統的燃燒器單純燃燒貧煤時的焦炭顆粒的可燃物含量。這種焦炭顆粒集落到螺旋水冷壁上繼續燃燒，引發的高溫腐蝕及其速率將大于單純燃用貧煤時焦炭顆粒所引發的高溫腐蝕及其速率。

由上述分析進一步推論，鍋爐在燃用高揮發分煙煤時，燃燒初期即可達到90%以上的燃盡率，貧煤卻只有60%左右的燃盡率，當貧煤與煙煤摻燒時其燃盡率更低，低于50%。顯而易見，高燃盡率的煙煤焦炭顆粒即便集落在水冷壁上，其引發的腐蝕速率將遠小于燃用含硫量相同的貧煤焦炭顆粒集落在水冷壁上所引發的腐蝕速率，該鍋爐螺旋水冷壁高溫腐蝕與摻燒高硫貧煤關系較大。

3.3 爐膛吹灰對水冷壁高溫腐蝕的分析

由上述特點及分析可知，該鍋爐的高溫腐蝕主要是由未燃盡焦炭顆粒集落在水冷壁上造成的，當腐蝕層形成后，對高溫腐蝕的進一步發展有一定的阻礙作用，其腐蝕速度應小于金屬材料直接暴露在腐蝕氣氛中的腐蝕速度。但當腐蝕層被吹灰蒸汽吹掃后，新的金屬壁面又直接與腐蝕氣氛接觸，如此反復其腐蝕速度遠大于未吹掃處，這就是吹灰器附近水冷壁管壁減薄非常明顯的主要原因。

4 防范措施

根據水冷壁高溫腐蝕的形成因素，該鍋爐摻燒的貧煤盡量為低硫貧煤。可考慮采用某套制粉系統單獨分倉磨制貧煤，這樣可提高貧煤煤粉顆粒初期的燃盡程度，進而可減輕因未燃盡焦炭集落在水冷壁上而引發的高溫腐蝕的腐蝕速率。

在有高溫腐蝕發生的條形帶的鰭片上加裝特殊的小風帽沿高溫腐蝕條形帶進行吹掃（無需像貼壁風那樣對水冷壁區域進行全面的吹掃），以改善其壁面氣氛，防止高溫腐蝕。此外，如能吹掃攜帶走集落在水冷壁壁面上的焦炭顆粒，則可徹底消除該處的高溫腐蝕。與目前通用的小風帽貼壁風技術相比，采取這種特殊的小風帽技術可大大減少小風帽的數量及改造的工作量，使其具有較強的可操作性，同時可大大減少入爐的無組織風量，將小風帽技術預防高溫腐蝕的代價降到最低；對高溫腐蝕條形帶進行防腐噴涂，即只沿高溫腐蝕的條形帶上進行噴涂，噴涂的條形帶覆蓋住高溫腐蝕的條形帶即可，無需進行整個水冷壁管壁的全面噴涂。

可考慮進行該鍋爐的專項試驗研究：研究適度降低燃盡風率的可行性，以提高煤粉燃燒初期的燃盡程度，進而減輕高溫腐蝕的程度；研究降低一次風率的可行性，以降低鍋爐的NOx排放，抵消燃盡風風率降低后對NOx排放的影響；研究單套制粉系統單獨燃用貧煤（包括高硫貧煤）的可行性，增加貧煤燃燒初期的燃盡率，進而減輕因其焦炭顆粒集落在水冷壁上引發的高溫腐蝕；在不影響爐膛結渣情況的條件下，研究降低吹灰頻次的可行性。最終通過試驗研究結果得出能夠減輕爐內高溫腐蝕、結渣及減排增效的更適用于該鍋爐的運行方式。