鍋爐水冷壁近壁區氣氛試驗分析及高溫腐蝕防范措施

國電長源荊州熱電有限公司 湖北 荊州 434000

近年來,鍋爐水冷壁高溫腐蝕爆管是大型燃煤電廠鍋爐采用低氮燃燒技術后普遍面臨的共性問題。一般認為,鍋爐水冷壁的高溫腐蝕是由煤中硫元素造成,在缺氧燃燒時,即還原性氣氛中,煤粉中的硫元素生成游離態的硫和硫化物,與水冷壁外壁中的鐵和鐵的氧化物反應,生產鐵的硫化物,造成水冷壁高溫腐蝕。水冷壁一旦發生高溫腐蝕,其管壁會逐漸減薄,強度降低,在交變應力作用下極易發生裂紋擴展,導致爆管。

1 鍋爐水冷壁近壁區氣氛試驗

試驗鍋爐為上鍋制造的亞臨界汽包爐,型號為SG-1060/17.5-M738,型式為亞臨界壓力參數、自然循環、四角切圓燃燒,Π型布置燃煤汽包爐。本文通過五個不同試驗工況,研究氧量變化與入爐煤含硫量的變化對水冷壁近壁氣氛的影響。此次試驗的五個工況,試驗期間五臺磨煤機給煤量基本保持均等,主蒸汽流量950t/h,運行氧量依次為3.3%、3.1%、2.8%、3.1%、3.1%,入爐硫份依次為1.3%、1.3%、1.3%、1.72%、0.88%。本次試驗的測點分布在爐膛水冷壁的前后墻,有4層,從上至下位置依次為：Sofa風層、還原區E層燃燒器、C層燃燒器。煙氣分析儀中H2S組份的測量量程為500ppm,超過500ppm的點無法讀出具體數值,所以表中均以“超500”代替。實驗結果見下表。

測點位置 前墻測孔1(#1角) 前墻測孔2(#4角) 后墻測孔1(#2角) 后墻測孔2(#3角)測量成分 H2 S CO H2 S CO H2 S CO H2 S CO單位 ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm sofa風層工況一 135.6 23050 120.7 14546 71.4 15216 122 13657工況二 331.9 25390 241.5 28439 71.2 29506 超500 28789工況三 142.7 23113 285.1 24985 140.1 27476 超500 32178工況四 237.4 31160 220.7 28373 47.4 31917 468.9 32211工況五 236.2 32173 273.3 39038 41.4 26108 84.3 36090還原區工況一 359.5 18999 368.8 23156 88.7 31432 65.5 11739工況二 142.8 30862 超500 34078 250.1 48438 189.3 47496工況三 超500 39989 超500 50331 233.9 35822 超500 42749工況四 317.5 42899 超500 40326 超500 35567 超500 22341工況五 165.4 46345 187.6 43088 65.3 31628 183.2 41477 E層燃燒器工況一 289.2 32798 188.5 21989 413.1 39221 415.3 35547工況二 145.7 37280 超500 48772 319.7 32386 127.4 32263工況三 17.8 43165 189.3 48973 超500 40905 238.7 33457工況四 超500 38715 超500 40178 470.4 36774 超500 30111工況五 46.1 13710 122.2 17407 298.2 26440 47.1 26251 C層燃燒器工況一 268.4 29686 277.6 52792 105.2 44426 222.7 55428工況二 46.9 33067 58.3 32136 92.5 10534 88.9 11457工況三 167.7 56041 超500 34541 477.5 53355 101.9 51688工況四 超500 49984 超500 47683 475.3 36539 127.6 25358工況五 30.3 2829 82.4 4347 42.1 9411 23.1 3243

2 試驗結果分析

由工況一、工況二、工況三的試驗結果對比可知,在鍋爐出力950t/h左右,入爐煤硫份約為1.3%,變化爐膛氧量分別為3.3%、3.1%、2.8%,測量區域的還原性氣氛CO的濃度明顯呈下降趨勢。

由工況二、工況四、工況五的三個工況試驗結果對比可知,在鍋爐出力950t/h左右,爐膛氧量為3.1%,改變入爐煤硫份分別約為1.3%、1.72%、0.88%,腐蝕性氣體H2S的濃度明顯成上升趨勢。當入爐煤硫份為1.72%的試驗工況下,測量區域大部分H2S濃度超過400ppm。

燃煤鍋爐,煙氣側水冷壁近壁氣氛中的腐蝕性氣體H2S在還原性氣體CO的氛圍中,在超過350℃的高溫環境下會產生高溫腐蝕。依據以往多次測試經驗,當H2S的濃度大于400ppm時候,高溫腐蝕的速率會急劇加快,引起水冷壁管壁減薄。經查運行歷史記錄,3.1%的爐膛氧量為近兩年運行中的平均爐膛氧量,入爐煤硫份也基本在為1.3%～1.72%之間,試驗結果表明還原區域至E層燃燒器之間還原性氣氛和H2S濃度較高,所以在機組停機檢修期間,需要重點排查還原區域至E層燃燒器之間的管壁厚度。

3 停爐后的壁厚檢查

根據火力發電廠鍋爐受熱面管監督技術導則(DL/T 939-2016)要求：水冷壁壁厚減薄不宜超過設計壁厚的30%。試驗鍋爐水冷壁設計壁厚7mm,最小需用壁厚5mm。停爐后,對試驗鍋爐受熱面進行全面檢查,水冷壁主要表現為機械硬傷、吹損、左右墻水冷壁及前墻水冷壁有硫腐蝕現象,水冷壁區域壁厚減薄超標管子共182根,其中高溫硫腐蝕減薄98根,最小壁厚只有4mm。

4 防范措施

從鍋爐水冷壁近壁區氣氛試驗與爐膛壁厚檢測結果看,鍋爐水冷壁高溫腐蝕嚴重。針對試驗鍋爐高溫腐蝕情況,更換水冷壁后提出以下防范措施：

1.合理控制高硫煤種摻配比例,控制綜合入爐硫份＜1.3%；

2.根據入爐煤硫份情況調整合適的氧量運行。試驗爐控制氧量范圍3.3%±0.1。入爐煤綜合硫份＜1.1%氧量值按下限控制,入爐煤綜合硫份＞1.1%氧量值按上限控制；當無法實時掌握入爐煤硫含量時,可參考脫硫入口SO2濃度,當SO2＞2500mg/Nm3時,可適當提高爐膛氧量運行；

3.根據機組運行狀況合理配風,在總風量不變的情況下,控制減少AB/BC/CD層二次風開度(推薦30%±5),DE/EE/OFA層≥70%開度,SOFA風層開度根據NOx生成量指標變化跟蹤控制；

4.CD/EE層貼壁風在上述控制要求基礎上可適當開大,減少煙氣直接沖刷水冷壁管子,控制提高爐內水冷壁近壁區域氧量,降低還原性生成環境；

5.合理安排吹灰,確保吹灰器正常投運,避免水冷壁大面積結焦,減少管壁上的附著物。