不同燃燒方式下燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題探討

羅 暢，楊學毅

（湖北能源集團鄂州發電有限公司，湖北 鄂州436030）

0 引言

燃煤鍋爐在生產過程中會同時產生很多CO、S的氧化物以及氮氧化物等有毒有害物質，這些有害物質對于大氣環境及生態環境均會產生相當程度的危害［1］。2011年，國家以及地方政府均出臺相關標準，用以嚴格控制主要污染物排放量，且地方政府發布的鍋爐大氣污染物排放標準，特別是氮氧化物的排放量比其他國家規定嚴格很多［2］。為了響應國家和地方政府對于節能低碳減排的號召，滿足其環保效益以及后續對煙氣的脫硝性改造，燃煤鍋爐需要進行低氮燃燒性改造。

目前，國內對于盡量減少燃煤鍋爐在生產運行過程中燃燒產生NOx的技術主要有兩種，即煙氣凈化技術和使用低NOx燃燒的技術。在我國目前，煙氣處理凈化技術雖已經能夠明顯減少了煙氣中NOx污染物的排放，但所需要投資的財力和成本都是相對比較高，運行起來費用昂貴［3］；而采用低NOx燃燒的技術則有利于在不顯著增加其成本的條件下，有效地減少NOx的排放量，達到了降低相應煙氣處理凈化裝置運行成本的目的，進而在國內得到了大力的推廣和應用［4-5］。

低氮燃燒改造前，燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題并不突出，其腐蝕區域分布相對分散。近年來，燃煤鍋爐進行低氮燃燒改造后，水冷壁高溫腐蝕的案例日益增多，腐蝕程度加劇帶來了顯著危害，且不同燃燒方式下水冷壁高溫腐蝕問題呈現一定的規律性。因此本文統計了35臺機組發生水冷壁高溫腐蝕文獻，旨在從這些機組資料中總結發生高溫腐蝕問題規律。同時，本文系統地探析不同燃燒方式下燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題，分析高溫腐蝕發生機理，總結提出高溫腐蝕防護的處理方法，為燃煤鍋爐安全經濟運行提供一種指導思路。

1 高溫腐蝕概況

近些年，水冷壁高溫腐蝕問題在全國范圍內大面積出現，發生高溫腐蝕機組覆蓋了不同裝機容量、不同鍋爐廠以及不同燃燒方式下的各類型鍋爐。因此，本文統計了35臺機組發生鍋爐水冷壁高溫腐蝕文獻，旨在從這些機組資料中總結高溫腐蝕的規律。

表1為不同鍋爐廠制造機組發生水冷壁高溫腐蝕情況。其中，由A廠和B廠制造的鍋爐發生水冷壁高溫腐蝕現象占比最高，分別達到40%、37%。由A廠和B廠制造出來的鍋爐主要是通過對沖式進行燃燒，而由C廠制造出來的鍋爐主要是通過切圓式進行燃燒。同時，由表2不同燃燒方式下機組發生水冷壁高溫腐蝕情況可見，采用對沖燃燒以及四角切圓燃燒的鍋爐發生水冷壁高溫腐蝕現象占比最高，分別達到66%、31%。因為與對沖燃燒的方法相比，切圓式燃燒要求所適應的煤種區域范圍較廣、負荷變化的能力較強，這主要原因是由于切圓式燃燒在燃燒和溫度調節上比較靈活，手段也較多。在當前我國火力發電廠的煤質多變、并且會經常參與電網調峰的背景下，切圓燃燒在面對高溫腐蝕問題上要優于對沖燃燒。

表1 不同鍋爐廠制造機組發生水冷壁高溫腐蝕情況Table 1 High-temperature corrosion of water-cooled walls in units manufactured by different boiler plants

表2 不同燃燒方式下機組發生水冷壁高溫腐蝕情況Table 2 High-temperature corrosion of water wall of the unit under different combustion modes

而通過統計，裝機容量300 MW、600 MW和1 000 MW的機組鍋爐水冷壁發生高溫腐蝕現象占比最高，分別達到17%、40%以及11%。600 MW的機組是目前國內覆蓋比較多的一種機組，并且裝機容量越大，鍋爐內的燃煤負荷也會增加，爐膛中的煙氣溫度也會隨之升高，會促進水冷壁高溫腐蝕的發生。但裝機容量到1 000 MW時，水冷壁的材料也相應提升了等級，發生水冷壁高溫腐蝕的概率也會降低。

2 燃燒方式下腐蝕特征

2.1 對沖燃燒腐蝕特征

2.1.1 對沖燃燒概況

對沖式燃燒主要是指將幾個燃燒器分別相對地布置在前后方向兩面水冷壁墻或者是同一方向的中心軸線上，燃料和進行燃燒的空氣同時從整個爐膛雙向噴出并達到整個燃燒爐膛后各向一方的擴展，并在爐膛的中心位置處發生劇烈碰撞后連續形成一個上升方向火焰的燃燒處理方式。

目前，我國鍋爐中所采取的對沖式燃燒的鍋爐機組中大多數采用的是前后墻對沖式的燃燒方式，這種類型的鍋爐由于都是直接采用旋流式的燃燒器，它所具有的特點優勢主要表現在于：1）旋流式鍋爐燃燒器的一、二次風相互混合的比較早且強烈，能夠有效地保障煤粉及時、充分地進行燃燒；2）旋流式鍋爐燃燒器能夠有效地卷起鍋爐內的高溫煙氣；3）由于對沖式燃燒的爐膛中火焰運動行程相對比較短以及爐內的熱負荷相對比較均勻，所以往往覺得這種鍋爐內部結渣以及外壁遭受高溫腐蝕的問題更加容易得到控制［6-7］。

2.1.2 對沖燃燒腐蝕案例

在前文統計中，對沖燃燒機組發生水冷壁高溫腐蝕現象比例最高，達到66%。某1 060 MW超超臨界對沖燃燒機組在某檢修期間發現，鍋爐左右兩側墻的中部和下部區域的螺旋式水冷壁出現大面積的高溫腐蝕現象，減薄情況如圖1所示。根據水冷壁腐蝕情況統計發現，其左側墻水冷壁區域有300根管子出現減薄，右側墻水冷壁區域有225根管子出現減薄，總長達到約2 771 m的水冷壁減薄超標［8］。

圖1 某1 060 MW超超臨界機組水冷壁高溫腐蝕減薄情況Fig.1 High-temperature corrosion and thinning of water wall of a 1 060 MW ultra-supercritical unit

某660 MW對沖燃燒機組水冷壁高溫腐蝕問題頻繁發生，腐蝕性區域主要分布于水冷壁兩側圍墻各層燃燒器等高處的高溫負荷位置。現場通過壁厚檢查結果發現，爐膛左、右側墻的高溫超標區域均存在著面積大小約為1.5×5.0 m2、管壁壁厚小于5.5 mm（原設計壁厚為7.5 mm）的減薄超標區域［9］。

相同的情況出現了某電廠完成低氮燃燒改造后，該鍋爐為對沖式燃燒鍋爐，進行改造1年后，在其水冷壁高溫區域發現了管子外表面大面積腐蝕情況，并且主要集中在左側墻和右側墻上，原壁厚為8 mm的管子腐蝕后實測最小壁厚僅為6.3 mm［10］。

2.1.3 對沖燃燒腐蝕分析

綜合上述案例可以清楚地發現，對沖式燃燒鍋爐中水冷壁發生高溫腐蝕的區域主要分布在鍋爐內左右兩側墻，如圖2所示黑色粗線區域，尤其以燃燒器附近更嚴重。對沖燃燒鍋爐往往采用雙調風旋流燃燒器，因為一次風并不發生旋轉，所以當一次風速相對較大時，煤粉氣流在兩面墻吹出的一次風的碰撞作用后就會直接沖向鍋爐左右兩側墻上的管壁上面，從而引起煤粉在鍋爐左右兩側墻水冷壁區域進行連續不斷地燃燒，在其中的燃燒過程所產生的還原性有害氣體，不斷腐蝕兩側墻金屬材料。

圖2 對沖燃燒鍋爐水冷壁高溫腐蝕位置示意圖（黑色加粗線）Fig.2 Schematic diagram of high-temperature corrosion position of water wall of the hedge combustion boiler(black bold line)

而如果一個鍋爐經過了一種低氮燃燒式的升級改造，那么當在鍋爐正常運行期間，就很有可能會容易出現一個短暫時間內一個高負荷的運行狀態，此時鍋爐空氣中的含氧量就會出現極低等異常情況。由于這種鍋爐結構設計需要充分考慮到低NOx排放燃盡風口設計比較高，燃盡所需要的空氣和風量也相對偏大，因此鍋爐兩側墻的燃燒器區域延伸到燃盡風口區域的氧氣含量相對偏低，靠中間的燃燒區域進行再分配風的能力相對欠缺，并且還有可能出現燃燒過程嚴重缺氧的情況，導致前期腐蝕產物在煤粉不斷沖刷下從管壁脫落，于是未腐蝕管壁基體暴露，管壁經歷腐蝕與沖刷的循環過程，周而復始，使得兩側墻水冷壁快速減薄［6］。

2.2 四角切圓燃燒腐蝕特征

2.2.1 四角切圓燃燒概況

四角切圓式鍋爐燃燒指的是將燃燒器噴嘴布置在鍋爐爐膛的四角上，燃燒器噴嘴射流幾何中心線對準一個假想的四角切圓切線的方向，四個燃燒器與其相互配合，這些四個運動方向的燃燒氣流與其互相碰撞后會發生強烈的碰撞和混合，并在爐內形成一個完全充滿于整個爐膛的高速旋轉上升的大型火焰。

四角切圓式鍋爐燃燒的這種類型鍋爐爐內運行的過程，與其他煤粉燃燒的方式相比較，具有以下的主要特征：1）根據鍋爐燃燒器的四角形狀對其進行合理的布置，一次風和煤粉混合物在離開燃燒器后的一段距離內，為受限空間射流，容易吸引鍋爐內的大量高溫煙氣；2）一次風和煤粉混合物直接射入爐內，受上游兩個鄰角橫掃而出的高溫火焰直接強烈的沖擊，著火時環境條件比較優越，著火穩定性良好；3）四角形的射流互相直接關聯、彼此之間產生了強烈的影響，一方面主要原因是由于增加了一次風和二次風的相互作用與混合，強化了其充分燃燒，在整個爐膛的燃燒過程中，由于煤粉顆粒外面所裹著的灰殼承受到強烈的撞擊，容易發生脫落，而且又加快了煤粉顆粒內部的氧化與燃燒，這樣就有利于有效促進煤粉顆粒的全部燃盡。4）進行高速旋轉的火球能夠促進煤粉顆粒在爐內連續進行高速旋轉，燃燒的煤粉顆粒具有更長的運動旋轉行程和充分的持續時間內將其燃盡。

2.2.2 四角切圓燃燒腐蝕案例

在本文統計的35臺機組中，四角切圓燃燒鍋爐發生水冷壁高溫腐蝕問題占比31%，如某廠300 MW機組在前后左右墻兩層火嘴和3次風嘴區域發現水冷壁減薄現象，全面檢查發現剩余壁厚小于6 mm的管子（設計壁厚8 mm）：1號爐有110根，2號爐有135根。按表面腐蝕速度計算，該區域水冷壁管的壽命最多只有10 000 h左右［11］。

某300 MW四角切圓機組在運行不到一個大修時，出現了很嚴重的高溫腐蝕現象，約一半的水冷壁管進行了更換，而進行更換的水冷壁管就是在鍋爐內部水冷壁管壁發生結渣的區域［12］。

某300 MW四角切圓機組經過了鍋爐低氮燃燒式改造升級后，僅僅在運行1年多的時間后便發生了水冷壁腐蝕爆管情況，并且在四面墻向火側區域都出現了管壁明顯腐蝕和減薄問題，而此次一共更換了21根問題管子［13］。

2.2.3 四角切圓燃燒腐蝕分析

在四角切圓型燃燒的鍋爐中，水冷壁易發生高溫腐蝕區域主要在四角燃燒器高溫負荷附近區域，如圖3所示黑色粗線區域。對于采用切圓式燃燒的鍋爐而言，當其在進行燃燒的過程中由于其在切圓的周圍直徑太大，火焰的中心不能在其中形成一種切圓或者是在燃燒過程中被切圓的周圍空氣動力場所推動而產生了方向偏移時，爐內的空氣動力場就會產生一定的傾斜，燃燒器的周圍區域可能會產生一種燃燒火焰沖墻和一種具有還原作用的燃燒氣氛，從而直接導致可能產生鍋爐高溫腐蝕的問題。而鍋爐經過低氮燃燒改造后，在爐膛總風量不變的情況下，燃燒器區域氧的濃度進一步降低，使得主燃燒區域缺氧嚴重，進而產生大量還原性氣體，進一步加速高溫腐蝕過程［14］。

圖3 四角切圓燃燒鍋爐水冷壁高溫腐蝕位置示意圖（黑色加粗線）Fig.3 Schematic diagram of high-temperature corrosion position of water wall of a tangentially fired boiler(black bold line)

2.3 W型燃燒腐蝕特征

2.3.1 W型燃燒概況

W型燃燒鍋爐就是指上下爐膛之間存在著一個縮腰，燃燒器均勻地布置在這個爐膛縮腰上，高溫的煤粉氣流會從這個爐膛縮腰處的拱頂從上往下噴射，并隨之著火燃燒。著火后環狀煤粉中的氣流推到爐膛下部后煤粉顆粒重量逐漸減輕，此時這種環狀火焰就會直接受到燃燒室下部各個分級風的強力托舉作用，向上旋轉或彎曲地流動，在鍋爐下部區域逐漸形成一種W型火焰，如圖4為FW技術W火焰鍋爐燃燒特性示意圖。

圖4 W型燃燒鍋爐水冷壁高溫腐蝕位置示意圖（黑色加粗線）Fig.4 Schematic diagram of high-temperature corrosion on the water wall of W-type combustion boiler(black bold line)

2.3.2 W型燃燒腐蝕案例

W型火焰鍋爐在國內機組應用較少，但同樣出現了經過低氮燃燒升級改造后，爐膛內的水冷壁發生高溫腐蝕的現象。某電廠2號350 MW火電機組在完成低氮燃燒改造后，發現鍋爐下爐膛原壁厚6.5 mm的水冷壁出現嚴重的高溫腐蝕問題，分布區域為前后墻和左右墻，剩余壁厚大部分小于4.5 mm［15］。

2.3.3 W型燃燒腐蝕分析

W型火焰式鍋爐在工作中具有較長的煤粉停留時間，并且能夠實現煤粉的分級燃燒以及良好的空氣動力場等特性［16］，與對沖燃燒方式和四角切圓燃燒方式不同，W型火焰鍋爐進行分級送風、煤粉濃淡分離、增加燃燼風等低氮燃燒改造后，出現高溫腐蝕區域主要是在下爐膛區域，如圖4所示黑色粗線區域，改造后下爐膛區域由過氧燃燒轉變為欠氧燃燒，管壁表面的還原性氣體濃度會快速升高，這樣很容易發生水冷壁高溫腐蝕。

3 改進措施

水冷壁的高溫腐蝕是一個極其復雜的物理以及化學作用過程，其與管壁的近壁面氣氛條件、煤質特性、管壁溫度等因素有關［17］。不同燃燒方式下爐膛內部燃燒氣流的混合波動和高溫環境、煤粉火焰對墻壁的沖刷以及管壁近表面區域的還原性氣氛，為產生水冷壁腐蝕化學作用提供了充分條件，因此解決水冷壁高溫腐蝕問題的方向是減少或消除腐蝕性環境與水冷壁的接觸。

3.1 燃燒調整

鍋爐運行工況的調整主要是一種指在鍋爐運行的過程中，有目的地、有計劃地對某些鍋爐中的可調參數和其他控制方式（比如燃料供給的方式及配風運行方式）進行調節控制［18-20］，對鍋爐中燃燒的情況作全面的調整并檢測出某些簡易的單項指標值，然后將這些調整試驗取得的研究結論和資料數據進行科學的分析，從其經濟性、安全性等各個方面綜合考慮之后再加以比較，確定最優運行狀態與方式，并調整設備的運行特性。針對大多數發電企業的現狀，在煤料不變化的情況下，針對運行參數工況進行調整是優先需要考慮的技術措施。

周科等人的研究表明，通過適當地增強二次風以及縮短或減少一次風，同時適當地升高運行過程中的含氧量和一次風速后，水冷壁側墻區域的H2S濃度有了明顯的下降，管壁近表面的還原性氣氛明顯改善，提高了鍋爐運行過程中的安全性［21］。

陳敏生等研究者通過對前后兩側墻各加裝3層貼壁風的實驗研究發現，發生了水冷壁大面積高溫腐蝕的某600 MW超臨界鍋爐通過燃燒調整后，水冷壁兩側墻壁近表面的CO和H2S的體積分數顯著下降，鍋爐的性能指標得到了改善，水冷壁的腐蝕問題已得到了有效的控制［22］。

某600 MW超臨界機組在對沖燃燒鍋爐的兩側墻上出現嚴重的水冷壁腐蝕現象后，通過安裝在燃燒器區域兩側墻水冷壁上的貼壁風系統，使得兩側墻H2S體積分數顯著下降，O2體積分數顯著提高，有效抑制了兩側墻還原性氣氛的形成，從而控制了水冷壁的高溫腐蝕［7］。

解決水冷壁高溫腐蝕問題的重點方向是降低或者消除火焰背火側產生的還原性氣氛，通過運行調整來合理配風，有效地改善了水冷壁壁面的還原性氣氛，從而有效控制水冷壁的高溫腐蝕。但爐型以及燃燒器的差異對水冷壁壁面的還原性氣氛有較大的影響，不同的鍋爐均需要通過運行調整找到較佳的運行方式。

3.2 表面噴涂

對于鍋爐的水冷壁而言，通過涂層技術來進行其表面腐蝕防護，已成為各地火力發電廠預防其磨損和腐蝕的重要手段。有機組采用滲鋁、刷涂、熱噴涂等新型工藝技術期望徹底解決材料發生高溫腐蝕以及管子沖蝕問題，其中滲鋁可延長管子安全運行時間，但由于滲鋁溫度高影響材料的本體性能現在已經很少采用。而采用熱噴涂防護處理后的管子得到了更好地保護，價格相對低廉，該技術也在國內廣泛應用到了各個火力發電企業的鍋爐材料中。

劉謙等人利用高速電弧噴涂技術在實驗室以及現場發電廠的實際工作應用中，研究表明通過使用Cr-Ni涂層以及加上高溫孔劑涂層體系，其抵抗腐蝕的作用更加有效，且此類方法使得管子的抵抗腐蝕作用的長壽命周期達到5年以上［23］。

寧志等人針對某超超臨界鍋爐中出現的鍋爐內部受熱面材料高溫腐蝕影響較大的問題，對鍋爐中發生高溫腐蝕較嚴重的一些材料表面采用了高溫納米陶瓷涂層方法進行了修復改造。經過這次改造后，鍋爐的熱效率比改造前提高了0.4%，且由于此次改造區域的水冷壁耐高溫腐蝕和抵抗沾污結渣的能力大大提高，鍋爐正常運行時的安全性和經濟性能也大大得到了改善，在一定程度上為機組安全生產提供了先進的技術保證［24］。

在受熱面管表面噴涂具有防腐蝕性能的涂層，對受熱面管的高溫腐蝕速度有一定的減緩效果，能夠一定程度減弱水冷壁高溫腐蝕，但涂層與受熱面管的熱膨脹系數不同，在長期運行過程中涂層與受熱面管的結合作用會逐漸失效，因此涂層對提高受熱面管的抗高溫腐蝕作用是有一定的壽命。

3.3 控制入爐煤

煤中含硫等腐蝕性物質是形成腐蝕的因素之一，同時煤的特性直接影響到受熱面管腐蝕性環境的生成，從而影響了管壁的腐蝕速度。低氮燃燒條件下，偏高含硫量煤可能會導致水冷壁向火側發生大面積的高溫腐蝕而逐漸壁厚變薄。

此外，煤粉的粗細也會影響到燃燒特性。煤粉越粗，越不易于在高溫燃燒時燃盡，使得其高溫燃燒持續時間延長，容易在整個水冷壁管壁近表面逐漸生成一種具有高溫還原性的燃燒氣氛，從而導致受熱面管產生高溫腐蝕；另一方面，由于有的煤粉粗度過粗，粗的煤粉會對管壁一直產生沖刷的作用，使得水冷管壁被高溫腐蝕，而且生成的化學產物不斷地脫落，進而造成了高溫腐蝕化學反應持續發生［25-26］。煤粉的粗細對鍋爐水冷壁壁面還原性氣氛影響顯著，在低氮燃燒條件下，不同的鍋爐需要找到最佳煤粉細度，才能更好地滿足鍋爐長期安全經濟運行的要求。

由于近年來我國社會主義經濟發展速度的不斷提高，全國對煤炭供應也變得越來越緊張，使得國內大部分發電廠在實際生產和運行過程中并沒有采用原本可以直接燃用的設計煤種，而是把劣質煤、高硫煤與其他設計煤種混合后進行摻放和燃燒，以求達到最佳的經濟效益。因此，就目前國情來看，完全燃用設計煤種，不摻燒高硫煤和劣質煤是很難實現。但是發電企業應該要求嚴格控制入爐煤的含硫量，合理科學有效地摻燒不同的煤種，可以留給發電企業在煤種上選擇的余地；同時，控制好入爐煤粉顆粒的粗細，為鍋爐機組安全運轉和經濟運行提供了保障。

4 結語

對沖燃燒方式下，高溫腐蝕區域主要分布在兩側墻水冷壁；四角切圓燃燒方式下，高溫腐蝕區域主要分布在四面墻燃燒器區域；W型燃燒方式下，高溫腐蝕區域主要分布在四面墻下爐膛區域。

目前，要解決大面積高溫腐蝕問題，需要從運行調整、表面防護、控制入爐煤以及設備維護改造等多角度考慮。

建議加強水冷壁管防磨防爆工作，重點監控易腐蝕區域。