貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結焦防治研究

李明濤

華電青島發電有限公司 山東 青島 266031

引言

貧煤鍋爐低氮燃燒改造后，大多發生了嚴重的鍋爐結焦及水冷壁高溫腐蝕問題，結掉焦對鍋爐穩燃造成了很大威脅，甚至還會引發鍋爐滅火，水冷壁高溫腐蝕問題造成鍋爐檢修期間水冷壁換管量大幅增加，給鍋爐專業防磨防爆工作帶來較大被動，亦造成水冷壁泄漏次數呈現上升趨勢[1]。本文圍繞解決貧煤鍋爐低氮燃燒改造后普遍存在的爐膛燃燒區域水冷壁嚴重結焦及高溫腐蝕問題，開展了貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結焦及高溫腐蝕防治方案研究，理清貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結焦及高溫腐蝕加劇的原因，淺析貧煤鍋爐結焦和高溫腐蝕之間的相關性，提出貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結焦及高溫腐蝕防治措施。

1 系統設備簡介

某公司1、2號及3、4號鍋爐分別為上海鍋爐廠設計制造的SG1025/18.3-M833及SG1025/17.47-M878型亞臨界、單汽包、一次中間再熱、控制循環、固態排渣煤粉爐，呈∏形露天布置，設計燃料為山西晉中貧煤。1、2號鍋爐采用四套中間儲倉式鋼球磨制粉系統，四角切圓燃燒，擺動式煤粉噴嘴；3、4號鍋爐采用三套雙進雙出直吹式鋼球磨制粉系統，四角切圓燃燒，擺動式煤粉噴嘴。結合環保要求，分別對四臺鍋爐燃燒器進行了低氮燃燒技術改造。

2 鍋爐低氮燃燒改造后結焦加劇情況

當#1、2鍋爐剛投產時，就發生了水冷壁高溫腐蝕問題；通過采取結合機組大修每4年對鍋爐水冷壁進行防高溫腐蝕噴涂，以及對燃燒器進行水平濃淡粉形式改造這兩種措施解決了此問題。

而在鍋爐進行低氮燃燒改造之后，燃燒區域水冷壁防高溫腐蝕噴涂材料投運約半年時間，就會出現大面積脫落情況，若不再及時重新噴涂，就會導致相應處水冷壁發生嚴重的高溫腐蝕；同時結掉焦問題也伴之而來。

鍋爐低氮燃燒改造后，均發生了嚴重的鍋爐結掉焦問題，特別是2、4號爐由于鍋爐嚴重結掉焦引發了鍋爐滅火異常。2014年至2020年共發生掉焦滅火5次，期間還多次發生鍋爐掉焦問題。2014年至今1-4號爐均發生結掉焦次數上百次。

目前4臺鍋爐普遍存在高溫腐蝕現象，高溫腐蝕部位主要發生在主燃燒器區域，近幾年上層燃燒器和燃盡風之間區域也出現高溫腐蝕現象。隨著入爐煤硫份的升高，高溫腐蝕速率不斷增大，由約0.8mm/年增加到目前的約1.2mm/年。

3 貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結焦加劇原因分析

3.1 鍋爐結焦的原因

鍋爐結焦是個很復雜的物理化學過程，它涉及煤的燃燒、爐內傳熱、煤質的結焦特性、煤灰粒子在爐內運動以及煤灰與管壁間的黏附等過程。結焦的原因大致有以下幾個方面：

3.1.1 灰的成分。灰中的堿性物質的增加將使灰的熔點降低。當煤含有較多量硫化鐵的時候，結焦最為嚴重。

3.1.2 煤粉細度不均勻。煤粉細度和粒度分布對鍋爐結渣有一定影響，煤粉過細、過粗均可能引起結渣。

3.1.3 燃料與空氣的混合比。燃燒過程中，若空氣量不足，其燃燒時就不易達到完全燃燒，將導致灰熔點降低，形成結焦；火焰偏斜，使最高火焰層移到邊側，這樣灰就得不到足夠的冷卻，而灼熱的灰粒與水冷壁受熱面接觸的時候，就很快粘了上去，形成結焦。

3.1.4 漏風降低了燃燒室的溫度水平，推遲燃燒進程。

3.2 鍋爐受熱面發生高溫腐蝕的原因

燃煤鍋爐的高溫腐蝕通常有兩種類型，即硫酸鹽型高溫腐蝕和硫化物型高溫腐蝕。

3.2.1 鍋爐在運行時，管壁中的鐵與氧反應會生成一層很薄的氧化鐵(Fe2O3)，該氧化鐵對管壁具有很好的保護作用。但是，在過熱器、再熱器煙氣側產生硫酸鹽型高溫腐蝕時，會破壞這層穩定的氧化鐵保護層，管壁會因腐蝕而變薄，嚴重時導致爆管事故。

當燃煤中含有堿金屬氧化物Na2O、K2O(以下合用M2O表示)時，在高溫下就揮發成氣態，氣態的堿金屬氧化物碰到溫度較低的管壁時，就凝結在管壁表面，并與煙氣中的SO3反應形成堿金屬硫酸鹽。該堿金屬硫酸鹽的熔點很低，當它們以液態附著在管壁上時，會捕捉煙氣中的飛灰顆粒而形成一層積灰。積灰中的氧化鐵起著催化劑的作用，會形成復合硫酸鹽M3Fe(SO4)3，由于復合硫酸鹽M3Fe(SO4)3的熔點也很低，在550～710℃的范圍內為液態而流走，這就破壞了管壁的氧化鐵保護層，使管子遭到腐蝕。由于硫酸鹽型高溫腐蝕發生在550～710℃的溫度范圍內，所以該腐蝕大多發生在過熱器和再熱器的出口管段及其懸掛件上。

3.2.2 硫化物型高溫腐蝕主要發生在火焰沖刷水冷壁的情況下。當煤中含有黃鐵礦(即硫化鐵FeS2)，火焰直接沖刷水冷壁時，部分未燃盡的煤粉顆粒會黏附在水冷壁上，當管壁溫度達到350℃以上時，游離態的原子硫與鐵反應生成硫化亞鐵，使管壁受到腐蝕[2]。在爐膛內的還原氣氛中，H2S氣體可加快硫化物型高溫腐蝕，并直接腐蝕金屬管壁，另外，鐵還會被氧化，形成磁性氧化鐵Fe3O4和SO2，而生成的SO2在飛灰中催化劑的催化作用下，反應生成SO3，進一步加劇了硫酸鹽型高溫腐蝕。

由此看出，燃煤中含有較多的FeS2，火焰直接沖刷水冷壁和管壁附近為還原性氣氛，是產生硫化物型高溫腐蝕的條件。

3.3 鍋爐低氮燃燒改造后，鍋爐運行相關情況

3.3.1 查閱2016至今入爐煤化驗報表可知，近幾年入爐煤揮發份、灰分、含碳量及發熱量滿足鍋爐原始設計要求。鍋爐設計煤種硫份0.72%。統計2017、2018、2019、2020年入爐煤硫份超過1.5%的班次占比高達74%。

3.3.2 4 臺鍋爐設計煤種為山西晉中貧煤，由于貧煤資源緊張，采取次煙煤摻燒大量無煙煤方式，無煙煤燃盡性差，著火距離長，易造成煤粉沖墻，水冷壁壁面還原性氣氛加劇。另外，摻燒無煙煤導致爐膛出口NOx升高，為控制NOx值，需進一步降低主燃燒區風量，爐膛還原性氣氛也進一步加劇。

3.3.3 2019 年5月，通過抽取煙氣方式對1號爐貼壁風H2S濃度進行了測量，在高溫腐蝕區H2S濃度普遍偏高。

3.3.4 近幾年亦能嚴格執行鍋爐摻配摻燒制度，嚴控低灰熔點的煤種大量入爐。

3.3.5 調閱低氮燃燒改造后機組歷次大修后動力場實驗報告，動力場實驗均合格。

3.4 綜合分析

貧煤鍋爐低氮燃燒改造后結焦及高溫腐蝕加劇的原因為主燃區還原性氣氛較強且H2S（入爐煤含硫量）含量較高。造成結焦主要因素是煤粉與空氣混合不足，熔融狀的煤粉顆粒與水冷壁接觸造成黏結；導致高溫腐蝕的主要因素硫化物型高溫腐蝕，且兩者具有很大關聯性。

4 目前采取的結焦防治措施效果

目前，采用貧煤鍋爐的電廠，普遍采取調小鍋爐假想切圓及進行燃燒調整等主動防結焦措施來減輕鍋爐結掉焦，但這些主動防護措施都存在致命的缺點：一些無法徹底解決鍋爐低氮燃燒改造后的燃燒區域水冷壁高溫腐蝕問題及兼顧鍋爐穩燃問題；另一些可執行性不強。具體如下：

4.1 通過低氮燃燒器設備改進來減少鍋爐結掉焦

主要是通過減小鍋爐假想切圓直徑來減輕煤粉氣流貼壁而導致的結焦。

此方案可以在一定程度上減輕鍋爐結焦，但無法解決水冷壁高溫腐蝕問題。同時由于鍋爐假想切圓直徑減小，會降低鍋爐穩燃能力；對貧煤鍋爐而言，當煤質偏差且鍋爐接帶低負荷時會增大鍋爐滅火風險，影響鍋爐運行安全性。

4.2 通過運行燃燒調整來減少鍋爐結掉焦

主要是采取增大主燃區域二次小風門開度同時減小SOFA風門開度的方式，也可以采取加大鍋爐運行氧量的方式，來增大鍋爐燃燒區域水冷壁處氧量，進而減小貼近水冷壁壁面的還原性氣氛[3]。

此方案也可在一定程度上減輕鍋爐結焦，但同時由于燃燒區域氧量增加，會嚴重影響鍋爐低氮燃燒效果，降低鍋爐的運行經濟性（增大了噴氨量）和環保性。同時因目前沒有有效的H2S在線實時檢測手段，無法提供給運行調整人員一個定量數據，因此，此方案執行中也只能少量適當調整，可執行性不強。

4.3 通過限制采購煤源種類來減輕鍋爐結掉焦

主要是采取不購進低灰熔點煤、無煙煤及高硫煤的方法。

此方案也可減輕鍋爐結焦，但從目前的煤炭市場形勢及煤炭價格因素來看，完全不采購低灰熔點煤、無煙煤及高硫煤是不可行的，只能是在煤價允許范圍內盡可能減少以上煤種的采購量。因此，此方案可執行性不強。

5 防治鍋爐結焦措施建議

由于以上主動防護措施不能解決水冷壁高溫腐蝕問題，也就不能徹底解決鍋爐結掉焦問題，因此建議采取改進水冷壁防腐噴涂材料性能的被動防護措施[4]：對現有防腐材料進行優選及改進，以確保其能保證在鍋爐低氮運行情況下使用壽命達到3年以上的要求。

5.1 采用目前較成熟且適應性較好的45CT水冷壁防高溫腐蝕噴涂材料，進行鍋爐燃燒區域水冷壁防腐噴涂，從目前調研情況來看，其壽命約3年。但其缺點是價格太高。

5.2 進行研究開發，對目前采用的金屬及非金屬水冷壁防高溫腐蝕材料進行改進，延長其使用壽命（使其壽命至少達到3年），同時降低其成本，提高其性價比。

5.3 為保證效果，無論采用哪種防高溫腐蝕噴涂材料，都要嚴把材料及施工質量關，嚴格控制基材處理工藝過程，控制好噴砂過程質量；同時要把控好噴涂質量關，嚴格按工藝標準執行，以確保打砂噴涂質量。

5.4 為從運行調整上精確指導運行人員，需要在鍋爐高溫腐蝕及結焦現象嚴重區域加裝H2S在線測量裝置。

5.5 從降低燃燒中的煤粉顆粒靠近水冷壁的溫度及改善近水冷壁側還原性氣氛入手，積極進行貼壁風加裝改造研究，可以形成保護水冷壁和給煙氣降溫的氣膜，同時降低鍋爐高溫腐蝕和結焦程度。

通過改進水冷壁防腐蝕噴涂材料同時加裝貼壁風及H2S在線檢測來防治鍋爐結焦，其優點是方法簡單，標本兼治，只需選對材料即可，可以保證小修周期內防住水冷壁高溫腐蝕，就不會在鍋爐運行中發生嚴重結掉焦問題。同時，此方案的執行，不會影響鍋爐穩燃性能，不會影響鍋爐低氮燃燒效果，也不會限制鍋爐燃燒調整方式，進而確保了鍋爐安全經濟環保運行。

6 結束語

本文針對貧煤鍋爐低氮燃燒改造以來出現的燃燒區域水冷壁結掉焦加劇問題，經理論分析及研究，找到了真正原因——低氮燃燒導致原有的水冷壁防高溫腐蝕噴涂材料壽命大大降低，鍋爐燃燒區域水冷壁在不到一個小修周期內由于其上噴涂材料脫落而發生高溫腐蝕，進而產生了嚴重結掉焦問題。針對此原因，提出了合理的防范措施建議：由于防住了貧煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕便防住了其結掉焦問題，因此要對水冷壁防高溫腐蝕材料進行優選及改進，以提高其對防范貧煤鍋爐低氮燃燒情況下水冷壁高溫腐蝕的適應性。本文同時還明確了鍋爐水冷壁結焦防治工作下一步的研究努力方向，對鍋爐的安全經濟環保運行有著重要的意義。