四角切圓鍋爐H2S 生成特性的研究

段志飛

（江蘇國信蘇晉保德煤電有限公司，山西忻州 036604）

0 引言

燃煤電廠發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生氮氧化物，為了降低對(duì)環(huán)境污染，新型火電機(jī)組采用了低NOx燃燒器。雖然燃燒器在生產(chǎn)過程中可以降低氮氧化物的排放量，但是會(huì)導(dǎo)致水冷壁附近出現(xiàn)還原反應(yīng)，導(dǎo)致煙氣中的H2S 含量明顯升高。并且水冷壁出現(xiàn)了高溫腐蝕加重的情況，會(huì)破壞水冷壁的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重威脅電廠的安全運(yùn)行。為保證燃煤電廠發(fā)電的安全性，需要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況調(diào)整氧氣含量和配風(fēng)方式，結(jié)合不同因素對(duì)H2S 生成所產(chǎn)生的影響，通過調(diào)整參數(shù)，在有效控制煙氣中氮氧化物含量的同時(shí)控制H2S的生成，避免出現(xiàn)高溫腐蝕問題，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 爐內(nèi)H2S 釋放特性

某電廠為超超臨界直流、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、緊身封閉的π 形鍋爐。鍋爐配有內(nèi)置式汽水分離器，無循環(huán)水泵啟動(dòng)系統(tǒng)。鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)爐配6 臺(tái)中速磨，四角切圓燃燒方式，24 只低NOx燃燒器分6層布置在爐膛四角，最下層兩層燃燒器（A、B 磨），布置等離子體點(diǎn)火及穩(wěn)燃功能的等離子體燃燒器。鍋爐不設(shè)置燃油系統(tǒng)，點(diǎn)火和助燃均采用等離子。供風(fēng)系統(tǒng)采用了大風(fēng)箱，在燃燒器上設(shè)置燃盡風(fēng)噴口，在全爐膛實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒[1]。由于采用低NOx燃燒器，上層燃燒器和水冷壁同時(shí)受到還原性氣氛、氧化性氣氛、高溫?zé)煔鉀_刷的影響，水冷壁管道出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的腐蝕，在水冷壁附近煙氣中存在較高濃度的H2S 氣體，不利于水冷壁的運(yùn)行安全，所以需要調(diào)整生產(chǎn)過程中的環(huán)境，有效控制H2S 氣體含量。

1.1 硫化物反應(yīng)機(jī)理

硫化物的生成會(huì)經(jīng)過多個(gè)反應(yīng)過程，而且在生產(chǎn)過程中會(huì)有很多不同反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，通過對(duì)其簡化分析，整個(gè)反應(yīng)的步驟為：

通過分析發(fā)現(xiàn)，在還原性氣氛更強(qiáng)的環(huán)境下有利于H2S 生成，煙氣中的氧氣含量將會(huì)直接影響H2S 的生成量。一般情況下，所使用燃煤的含硫量超過0.6%就會(huì)導(dǎo)致高溫腐蝕出現(xiàn)，而且在爐膛水冷壁區(qū)域H2S 濃度很高，所以爐內(nèi)具有較高的高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[2]。

1.2 高溫腐蝕機(jī)理

H2S 氣體會(huì)產(chǎn)生高溫燃燒腐蝕，在爐內(nèi)反應(yīng)的過程中，在一定條件下會(huì)導(dǎo)致H2S 氣體分解生成硫，硫能夠和水冷壁產(chǎn)生反應(yīng)，腐蝕鐵元素生成硫化鐵，導(dǎo)致水冷壁管道受到嚴(yán)重腐蝕，由于H2S 氣體的存在，會(huì)造成水冷壁受到容易在高溫環(huán)境下受到腐蝕。

1.2.1 高溫腐蝕

如果接近水冷壁空間內(nèi)的煙氣中SO2或H2S 的含量很高，就很容易反應(yīng)生成硫離子：

水冷壁附近也有一定濃度的氧氣，同樣可能和H2S 發(fā)生反應(yīng)：

通過上述反應(yīng)后得到［S］，在高溫情況下，將會(huì)與水冷壁中的鐵元素反應(yīng)生成硫化亞鐵，即發(fā)生高溫腐蝕：

FeS 的強(qiáng)度很低，受到腐蝕后必然造成水冷壁性能下降。生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，會(huì)對(duì)水冷壁進(jìn)行特殊處理以抵御外界腐蝕作用，例如會(huì)專門給水冷壁表面進(jìn)行氧化處理，形成由Fe3O4、Fe2O3、FeO 組成的氧化膜。但是硫元素具有一定的穿透性，可以直接進(jìn)入氧化膜內(nèi)部腐蝕水冷壁基體，使水冷壁結(jié)構(gòu)硫化[3]。硫化后的水冷壁結(jié)構(gòu)不再緊密，保護(hù)膜結(jié)構(gòu)也不再致密，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)膜出現(xiàn)裂紋和脫落，最終造成水冷壁失去保護(hù)作用，后水冷壁受到的腐蝕作用會(huì)更加強(qiáng)烈。

1.2.2 高溫腐蝕機(jī)理

由于煤粉中含有一定的硫元素，產(chǎn)生的H2S 氣體和氧化膜反應(yīng)直接破壞了水冷壁的表層氧化膜，H2S 氣體會(huì)進(jìn)入局部裂縫，并腐蝕保護(hù)膜，化學(xué)反應(yīng)式為：

H2S 氣體在高溫下也能進(jìn)一步滲入到基體中，與鐵直接發(fā)生反應(yīng)，對(duì)水冷壁造成進(jìn)一步的腐蝕，化學(xué)反應(yīng)式為：

1.3 研究方法

結(jié)合上文對(duì)硫化物反應(yīng)出現(xiàn)機(jī)理，和在高溫狀態(tài)下對(duì)水冷壁的腐蝕機(jī)理，能夠確定水冷壁附近煙氣所具有的還原性環(huán)境對(duì)生成H2S 氣體帶來了很大影響。在對(duì)煤粉直流爐的研究中，分析硫化物在生產(chǎn)中的釋放特性，研究在高溫腐蝕過程中，水冷壁存在的硫分離行為[4]。為了進(jìn)一步了解高溫腐蝕對(duì)生冷比的影響，還需要開展熱力試驗(yàn)，研究不同因素影響下，膛口煙氣的含氧量變化、機(jī)組不同負(fù)荷模式、配風(fēng)方式對(duì)H2S 的最終生成所產(chǎn)生的影響。

2 H2S 釋放特性試驗(yàn)

對(duì)鍋爐根據(jù)標(biāo)高設(shè)置3 層測(cè)點(diǎn)，根據(jù)最下排燃燒器、燃燒器中間、最上排燃燒器設(shè)置測(cè)點(diǎn)高度，煤層測(cè)點(diǎn)數(shù)量為6 個(gè)，測(cè)點(diǎn)的位置分別在左右兩墻平均分布（圖1）。

圖1 測(cè)點(diǎn)分布

2.1 氧氣含量

氧氣會(huì)影響H2S 的生成，該機(jī)組在額定負(fù)荷狀態(tài)下使用了均等配風(fēng)的方式，通過改變爐膛出口煙氣含氧量，并對(duì)鍋爐水冷壁附近的煙氣中H2S 生成量進(jìn)行了測(cè)量。根據(jù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)H2S 生成量影響最大的因素是煙氣的含氧量，含氧量和H2S 的生成量負(fù)相關(guān)，在含氧量高的情況下H2S 濃度明顯降低。根據(jù)不同測(cè)試點(diǎn)的結(jié)果，H2S 含量最高的位置為中心區(qū)域，并且同層內(nèi)各角位置的煙氣中H2S 的含量比較高。經(jīng)過分析，隨著煙氣中氧氣含量增加，煙氣的還原性下降，阻礙H2S 氣體的生成。

因此，含氧量升高能控制水冷壁的高溫腐蝕問題，對(duì)于煙氣中的硫元素，氧氣含量比較高時(shí)，氧氣會(huì)優(yōu)先氧化［S］生成SO2或SO3，減少［S］和水冷壁基鐵的反應(yīng)，有效控制由于［S］所導(dǎo)致的高溫腐蝕[5]。但是在燃燒器中心區(qū)域氧氣含量較大，導(dǎo)致H2S 的濃度很大，但是各個(gè)角落位置的氧氣含量較低，所以H2S 的濃度也比較低。

2.2 機(jī)組變負(fù)荷

機(jī)組的負(fù)荷情況也會(huì)對(duì)H2S 的生成直接造成影響，實(shí)驗(yàn)中使用了均等配方的方式，并在最高負(fù)荷的100%和80%測(cè)量煙氣鍋爐水冷壁附近的H2S 生成量。測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)組在100%負(fù)荷水平下相比80%負(fù)荷水平在水冷壁附近生成的H2S 含量更高。另一方面，在機(jī)組增加負(fù)荷的情況等下，對(duì)氧氣的消耗也比較高，所以爐內(nèi)的氧氣會(huì)呈下降趨勢(shì)，導(dǎo)致氧化氣氛降低，還原氣氛增加，H2S 生成量增加；低含氧量也給H2S 腐蝕帶來了良好的基礎(chǔ)條件，導(dǎo)致水冷壁更容易被腐蝕。

2.3 配風(fēng)方式

配風(fēng)方式也會(huì)改變水冷壁的環(huán)境，在機(jī)組負(fù)荷處于額定狀態(tài)下，爐膛出口位置的煙氣含氧量在3%左右。改變配風(fēng)方式可以改變空氣流通方式，進(jìn)而會(huì)對(duì)煙氣含氧量造成影響，因此通過設(shè)置合適的配風(fēng)方式也能控制H2S 生成。測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，水冷壁附近的煙氣H2S 生成量，在不同位置對(duì)配風(fēng)方式的需求不同。例如生曾測(cè)試點(diǎn)使用縮腰配風(fēng)方式H2S 生成量最少，中層測(cè)點(diǎn)、生曾測(cè)點(diǎn)的結(jié)果為均等配風(fēng)方式和倒塔配風(fēng)方式的H2S 生成量最低。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)該根據(jù)需要選擇配風(fēng)方式。

2.4 優(yōu)化調(diào)整方案

額定負(fù)荷條件下，必須將爐膛出口位置含氧量控制在3%以上，并將燃盡風(fēng)風(fēng)門開度降低到60%，周界風(fēng)風(fēng)門開度提升到40%，并且都采用均等配風(fēng)的方式，控制二次風(fēng)風(fēng)向和爐膛的壓差在0.8 kPa。通過使用該方法進(jìn)行優(yōu)化，能夠讓爐內(nèi)含氧量更高，通過加快氣體流動(dòng)避免爐膛內(nèi)部出現(xiàn)局部還原性過強(qiáng)的情況，尤其可以避免爐膛水冷壁附近還原性氣氛過強(qiáng)，能抑制水冷壁周圍區(qū)域H2S 的生成，從而達(dá)到控制腐蝕問題的目的。

另一方面也要調(diào)整布置方式和噴口形狀，例如使用等效截面積下鼻源性噴口縱向覆蓋面積范圍更大的矩形噴口，覆蓋燃燒爐的重點(diǎn)區(qū)域，可以在鍋爐處在低負(fù)荷狀態(tài)下有效控制H2S的生成量，提升生產(chǎn)過程的安全性并提升經(jīng)濟(jì)性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

煙氣的含氧量增加將會(huì)降低煙氣環(huán)境的還原性、提升氧化性，直接改變環(huán)境條件，降低硫化氫的生成量，所以在燃燒區(qū)域含氧量升高時(shí)，煙氣中硫化氫會(huì)明顯減少。對(duì)不同測(cè)點(diǎn)煙氣的H2S 含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)硫化氫一般集中在燃燒的中心區(qū)域，和同層其他測(cè)點(diǎn)項(xiàng)目相比，轉(zhuǎn)角位置由于通風(fēng)效果比較差，導(dǎo)致該位置的含氧量比較低，給H2S 的生成創(chuàng)造了條件。如果機(jī)組負(fù)荷比較高，將會(huì)提升爐膛內(nèi)的溫度，會(huì)加速爐膛內(nèi)的分子運(yùn)動(dòng)，并促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，也會(huì)提升H2S 的生成量。

在靠近水冷壁的位置，由于情況比較復(fù)雜，不同的配風(fēng)方式對(duì)水冷壁附近的環(huán)境影響較大，其中下層測(cè)點(diǎn)的倒塔配風(fēng)方式產(chǎn)生H2S 含量最高，中層測(cè)點(diǎn)使用縮腰配風(fēng)方式H2S 含量最高，上層測(cè)點(diǎn)使用均等配風(fēng)方式H2S 含量最高。

4 結(jié)束語

該廠的燃煤機(jī)組采用低氮燃燒器后，由于燃燒環(huán)境改變導(dǎo)致了水冷壁高溫腐蝕問題，對(duì)電廠的安全產(chǎn)生巨大的威脅。為了有效調(diào)節(jié)電廠的發(fā)電環(huán)境，有效控制H2S 物質(zhì)生成量，通過試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)煙氣含氧量、變負(fù)荷和配風(fēng)方式對(duì)H2S 的生成量產(chǎn)生影響比較大。通過調(diào)整配風(fēng)方案，可以優(yōu)化煙氣中各種物質(zhì)的組成，有效控制煙氣中硫化氫的生成，可以控制水冷壁的高溫腐蝕，保證機(jī)組的運(yùn)行安全。