燃用高硫煤工況鍋爐腐蝕預防研究

文_郭志江 張杰 內蒙古京能康巴什熱電有限公司

在我國的煤炭資源中，高硫煤的儲量在全球排名第二。與低硫煤不同，低硫煤主要分布在東北、華北、西北等邊遠地區，高硫煤的分布范圍廣、成本低，是重工業、火力發電廠的常用燃料，但由于含硫量超過3%，所以即使采用了先進的脫硫技術，也會產生大量的硫化物，長期運行，造成環境污染和酸雨。目前，西北地區仍以四角切圓燃煤鍋爐為主，由于采用了分級燃燒技術，使得主燃燒區進入了低氧狀態，在還原氣氛中，水冷壁區發生了嚴重的高溫腐蝕。

1 燃用高硫煤產生高溫腐蝕現象的原因

1.1 硫單質造成的腐蝕

高硫煤在爐膛中的燃燒，首先是黃鐵礦被加熱，要么是和碳不能完全燃燒，要么就是硫化氫本身分解；其次就是與氧，二氧化硫發生反應而得到的硫單質。這兩種情況下得到的硫單質都不會受到金屬的保護，而是會直接滲透到水冷壁的氧化膜上，導致水冷壁失去防御力，而硫化亞鐵在高溫下會產生硫化亞鐵。在400℃的高溫下，由于顱內的高溫，會產生大量的二氧化硫，從而促進了硫單質的形成，從而加快了熔融過程。

1.2 硫化物造成的腐蝕

硫化物的腐蝕，通常是由硫化氫引起的。在超臨界溫度下，由于煙氣中含煙量不足，使高硫煤在無氧狀態下燃燒，產生大量的一氧化碳，使得空氣中的硫化氫含量迅速增加，特別是在300℃以上時，它的侵蝕與內部的溫度成線性相關，極易腐蝕高密度的三氧化二鐵和磁性材料，從而導致水冷壁的高溫部位受到嚴重的腐蝕。但若能將水冷壁的溫度控制在300℃以下，則氫化硫化物的腐蝕速率將非常緩慢，幾乎可以忽略不計。

1.3 硫酸鹽造成的腐蝕

由于黃鐵礦顆粒在壁溫較高時，當接觸到還原氣體時，會生成大量的硫化物；由于炭化過程中，會有很多的氧被燒掉，所以在溫度較高時，會加快其侵蝕速度。在高溫條件下，將堿金屬氧化物如氧化鈉、氧化鉀等進行凈化，然后加入三氧化鐵，硫酸鉀和硫酸鈉在受熱的環境中凝固，形成硫酸鈉和硫酸鉀，極易溶于煙霧中。溫度超過650℃時，硫酸鉀鹽和硫酸鈉會在熔融狀態下腐蝕管道，并在管道內生成復合型硫酸根，造成高溫下的腐蝕。硫酸鈉和硫酸鉀在650℃時的耐蝕性比氣相硫酸鉀強。三氧化鐵液和煤氣的硫化作用是由不同的溫度引起的。

1.4 含硫煙氣對高溫管壁的腐蝕

水冷卻壁管的高溫是由含硫煙氣造成的，當爐膛附近的火焰溫度超過1600℃時，其內部的礦物質會因為過熱而沉淀下來，同時又有大氣的存在；另外，由于受高溫管道內壁的作用，侵蝕層厚度與壁面的關系是溫度每上升50℃，侵蝕速率就會翻一番，從而加快了灰質層的沉淀。而且，所產生的硫化物能直接穿過金屬層的保護層，沿著金屬晶界向外滲透，對鍋爐的水冷壁造成更大的侵蝕，同時造成氧化膜的松動、剝落。由于金屬硫化物的腐蝕產物層與基質金屬的體積比例較大，通常為2.5～4.0，從而導致了層間應力較大，導致腐蝕層的斷裂。其熔點溫度可達1195℃，且性能十分穩定，甚至在1000℃時也能與氫發生極小的還原反應，并能在還原氣中維持穩定。在高溫下，煙氣中的氧化氣體在達到一定的壓力后，會慢慢地氧化為Fe3O4和SO2，而SO2能增加單質硫的活性，加快硫酸鹽的腐蝕，從而進一步加劇腐蝕。在溫度較高的情況下，會產生硫磺和游離的鐵。

2 案例介紹

由于2020年2號機組鍋爐檢修時發現主燃燒區域前、后墻水冷壁和左側墻水冷壁有輕微高溫腐蝕情況，前、后墻較左側墻明顯。從2020年機組檢修后啟動至2021年10月份，2號鍋爐經H2S實時測試調整后，適當的提高了鍋爐氧量，并根據機組從低到高負荷段開大了EE和CCOFA-1二次風門。2021年2號機組10月份停機檢修時，檢查水冷壁高溫腐蝕沒有進一步擴展，從2021年7月份至2022年8月份脫硫入口SO2平均含量為2315mg/Nm3。而2021年10月份以來，入廠煤含硫量越來越高，10月份至今脫硫入口SO2平均含量為3531mg/Nm3。因此，為解緩鍋爐主燃燒區域水冷壁高溫腐蝕的速度，需進行相應的措施舉動。

據歷年對鍋爐進行的受熱面檢測發現，兩邊墻體的水冷壁都有較大的腐蝕性。為從根本上解決高溫侵蝕問題，本廠將于2021年在水冷壁的兩邊墻體上進行防銹噴涂。在每個級別的大修中，必須對側墻的水冷壁進行防腐檢驗，以便為以后的鍋爐配煤摻燒工作打下基礎。

3 防控建議

3.1 設計方面

采用貼壁式結構，通過分析，發現采用四角切圓燃燒的鍋爐，其燃燒室和燃盡風設置在了鍋爐四個角的墻上，導致了四個角墻體中氧氣含量降低，產生了一種還原氛圍，從而導致了局部的高溫侵蝕。由于采用了濃淡分離式間隔通風方式，使室內的氣體進入到爐內，使側壁區內的氧氣含量增大，從而使爐膛內的還原氣體發生變化，有效防止了旋流式噴嘴的粘附和壁面的燒損。

添加H2S的測量值。在容易發生高溫侵蝕的地區，增加設置H2S數值監測點，對該地區的H2S數值進行監測，為運行人員進行燃燒、配風調整提供可靠依據。

增加壁溫測點。利用鍋爐檢修機會，對鍋爐各高溫受熱面增加壁溫測點，通過鍋爐壁溫測點溫度及時了解鍋爐燃燒情況及各受熱面溫度是否存在偏差，有針對性的采取調整措施避免出現局部高溫區和高溫煙區。

利用檢修機會，對易腐蝕受熱面金屬材質進行更換或增加防護襯，更換為抗腐蝕性能更強的材質或在易腐蝕區受熱面增加防護襯，減少因腐蝕而導致的泄漏和爆管，降低檢修維護費用。

3.2 設備維護方面

定期調節氧氣的含量，定時調節風速度，并對磨煤機的出口煤粉細度、一次風壓進行定期的檢測，對嚴重偏差的磨煤機進行調整，以保證煤粉的分布；對風門的開啟情況進行定期的檢驗，確保風門的開度要求。通過對燃燒系統的參數進行了優化，降低爐膛燃燒室內二次風流速，提高二次風流量，降低空氣流量。

在易腐蝕區域金屬受熱面上采用噴涂物。利用逢停必檢時機，在易腐蝕區域金屬受熱面采取噴涂抗腐蝕材料，從而來緩減燃用高硫分煤對鍋爐受熱面的腐蝕。我公司在鍋爐受熱面噴涂抗腐蝕材料后，起到了很好的緩減腐蝕作用。

3.3 運行調整方面

3.3.1 對給水質量進行嚴格的控制

給水質量是影響鍋爐耐高溫腐蝕的重要因素。如果對給水質量不進行嚴格的控制，則會導致水冷壁管中的污物，從而增大管道的熱阻，阻礙傳熱，導致管道壁面溫度升高，加快腐蝕過程。因此，在使用過程中，必須對鍋爐給水質量進行嚴格的控制。

3.3.2 確保煤粉的細度

在高溫下，煤粉細度對其耐蝕性的影響更為顯著。一方面，煤粉較粗，不易熄滅，從而使火焰延長，再燃燒時，因氧氣不足，形成還原氣氛，導致高溫腐蝕；另一方面，如果煤粉較粗，則其動量較大，很可能會直接沖蝕水冷壁，而磨損會加速水冷壁的保護薄膜，使腐蝕介質與管道內的金屬發生直接的化學反應，加速了水冷壁的高溫腐蝕。故在生產過程中，應合理地減少煤粉的粒徑。

3.3.3 合理的配風

由于配風不當，造成了鍋爐水冷壁的高溫腐蝕，主要有兩個原因：一是風量不充分，造成爐中氧氣不足，造成了還原氣氛，從而影響了水冷壁的高溫腐蝕；另外，由于爐膛中的氣流運動不佳，會產生一次風，使得未燃盡的煤粉粒子在水冷壁上摩擦，并在壁上燃燒，加速了高溫腐蝕過程。可以在一定程度上增大燃燒區的空氣供給，減少上部的空氣供給。

3.3.4 合理摻配煤質

嚴格管理煤場，根據含硫量，對煤場煤種進行分片堆放，上煤時進行合理摻配，爭取做到摻配均勻合理，煤質穩定，運行人員及時了解煤種含硫量，根據硫含量、及時對配風、氧量、燃燒做出調整，避免出現含硫量煤種忽高忽低，而加劇高溫腐蝕的風險，最大程度上減少高溫腐蝕。

4 結語

在高硫煤鍋爐燃燒過程中，由于燃煤中的硫含量是不可避免的，所以水冷壁的壁溫和周圍的溫度都不會低于600K，因此必須采取相應的措施。從內部機理、煤質的再處理、耐蝕材料的選用等多個角度出發，做好鍋爐的耐蝕性和耐蝕性的保護，是解決高硫煤的主要問題。