1000 MW燃煤機組監測爐膛CO/H2S改善高溫腐蝕的策略研究

侯 剛

（國能重慶萬州電力有限責任公司，重慶 404027）

燃煤機組作為能源生產的主要部分，在保障能源供應方面發揮著重要作用。然而，在燃煤機組的運行過程中，由于燃料中硫和氧的存在，爐膛內會產生一定量的CO 和H2S，這兩種物質在高溫下具有強烈的腐蝕性，會對爐膛材料產生腐蝕，從而影響到機組的運行效率和設備的使用壽命。因此，對爐膛內CO 和H2S 的生成及其對爐膛的腐蝕機理進行深入研究，且根據這些理論基礎，提出并實施有效的防腐策略至關重要。

1 CO/H2S與爐膛高溫腐蝕的關系

在燃煤電廠中，煤炭燃燒產生的副產品，如CO和H2S 在爐膛內的存在與爐膛材料的高溫腐蝕間存在密切的關系。這種腐蝕現象不僅會對爐膛的結構穩定性產生影響，還會對整個電廠的運行效率、安全性和壽命造成重大威脅。

CO 和H2S 在高溫下均能與爐膛材料發生化學反應，這種反應會產生腐蝕性的化合物，如CO2和SO2，它們均具有強烈的氧化性，能夠加速爐膛材料的氧化過程，進而引起腐蝕。

CO 在高溫下能與爐膛內的金屬材料發生反應，生成金屬氧化物和CO2。這種反應過程中，金屬元素的氧化將導致爐膛材料的機械性能下降，尤其是硬度和韌性，使得材料的抗沖擊能力降低，易發生破裂、脫落等問題。

而H2S 在高溫下能與金屬元素反應生成硫化物，如FeS，這類硫化物在高溫下易發生二次反應，生成硫酸鹽，這些硫酸鹽具有很強的腐蝕性，會加劇爐膛材料的腐蝕程度。此外，H2S 還可能參與其他一些腐蝕反應。例如，H2S 可能與燃煤機組爐膛內部的氧氣反應，生成SO2，這種氣體在與水蒸氣接觸后會生成硫酸，硫酸具有強烈的酸性，會對爐膛材料產生嚴重的酸性腐蝕。

從這些腐蝕反應中可看出，CO 和H2S 的生成與爐膛材料的高溫腐蝕間存在緊密的聯系。這種聯系不僅體現在兩者的直接反應上，也體現在它們引起的一系列復雜化學反應過程中。這些復雜的化學反應過程，既涉及金屬材料的氧化反應，也涉及硫、氧、水蒸氣等多種化學元素和化合物的參與。

因此，要有效控制爐膛的高溫腐蝕問題，就須從源頭上控制CO 和H2S 的生成。這就需深入了解煤炭燃燒過程，優化燃燒條件，盡量減少CO 和H2S 的生成。同時，也需不斷提高爐膛內CO 和H2S 的監測技術，及時發現并處理腐蝕問題。

2 爐膛CO/H2S監測技術

對于燃煤電廠而言，爐膛內CO 和H2S 的有效監測是避免高溫腐蝕、保證電廠運行穩定性和效率的關鍵。目前，市場上主要存在兩種監測技術：在線監測和離線監測，這兩種監測方式各有優勢，同時也存在一定的局限性。

2.1 在線監測技術

在線監測技術是一種實時監測技術，主要通過在爐膛內安裝傳感器來實時獲取CO 和H2S 的濃度數據。在這種方式下，一旦發現CO 和H2S 濃度超標，可立即調整運行參數，減少CO 和H2S 的生成，從而有效控制爐膛的高溫腐蝕。在線監測技術的優點主要表現在以下幾個方面。

（1）實時性。在線監測可實時獲取爐膛內的氣體濃度，能夠及時發現問題并采取措施，避免因CO 和H2S 濃度超標導致的嚴重腐蝕。

（2）連續性。在線監測可連續獲取爐膛內氣體濃度的變化情況，可清楚了解到CO 和H2S 濃度在一段時間內的變化趨勢，有助于分析和預測腐蝕風險。

（3）便利性。在線監測無需人工參與，可減少人工錯誤，并且節省了大量的人力和物力。

然而，在線監測技術也存在一些局限性：①設備穩定性。由于爐膛內溫度較高，傳感器的穩定性和壽命成為制約在線監測的主要因素。尤其是在高溫、高濕、高壓的燃煤電廠爐膛環境下，設備穩定性問題更為嚴重。②準確性問題。在線監測雖然可實時獲取數據，但由于環境復雜，設備穩定性問題，以及一些未知的干擾因素，可能會影響數據的準確性。

2.2 離線監測技術

離線監測主要是通過定期取樣，然后在實驗室內進行分析。離線監測技術主要包括氣相色譜法、紅外光譜法、拉曼光譜法等。

離線監測的優點主要體現在以下幾個方面。

（1）準確性。離線監測在實驗室條件下進行，可通過嚴格的實驗操作和精確的儀器設備來獲取更準確的數據。

（2）全面性。離線監測不僅可獲取CO 和H2S 的濃度，而且可獲取其他可能對爐膛高溫腐蝕產生影響的氣體，如SO2、NOx等的濃度，可更全面地了解燃煤燃燒過程和爐膛內環境。

然而，離線監測也存在一定的局限性：①時效性。由于不能實時獲取數據，存在一定的時間滯后性，可能會錯過一些突發的爐膛內氣體變化。②操作復雜。離線監測需通過專業人員進行樣品的取樣、運輸和分析，操作相對復雜，也可能由于操作過程中的人為因素影響數據的準確性。

2.3 綜合監測技術

在線監測和離線監測各有優勢與局限性，因此，現代燃煤電廠通常會采用綜合監測策略，結合在線監測和離線監測的優點，實現更準確、更及時的爐膛內氣體監測。具體來說，可通過在線監測獲取實時的CO 和H2S 濃度數據，并及時調整運行參數，從而有效防止爐膛的高溫腐蝕。同時，通過定期進行離線監測，獲取更準確、全面的爐膛內氣體濃度和成分信息，有助于分析煤炭燃燒過程和爐膛環境的變化，為優化運行參數提供數據支持。

總的來說，無論是在線監測，還是離線監測，或是綜合監測技術，其最終目的都是為更準確、更及時地獲取爐膛內CO 和H2S 的濃度數據，通過有效的監測和控制CO 與H2S 的生成，來減少爐膛的高溫腐蝕，提高燃煤電廠的運行效率和安全性。

3 改善高溫腐蝕的策略

3.1 燃燒優化

對于燃煤機組來說，燃燒過程的優化是改善爐膛內CO 和H2S 生成并減輕其對材料高溫腐蝕影響的重要策略之一。

3.1.1 低氧燃燒

低氧燃燒是一種有效降低燃燒污染物排放、提高燃燒效率的方法。通過降低燃燒所需的氧氣濃度，可減少燃料中硫和氧元素生成CO 與H2S 的機會，進而降低其對爐膛的腐蝕影響。然而，過低的氧濃度可能導致燃燒不充分，釋放的熱量減小，這可能對電廠的運行效率產生負面影響。因此，低氧燃燒的實施需考慮氧濃度和燃燒效率的平衡。

3.1.2 燃料的選擇和預處理

選擇低硫燃料和進行燃料預處理是另外兩種有效的燃燒優化策略。低硫燃料在燃燒過程中生成的H2S較少，對爐膛的腐蝕影響較小。而燃料預處理，如燃料洗選、煤質改良等，可去除燃料中的部分硫分和其他有害元素，也有助于降低CO 和H2S 的生成。

3.1.3 燃燒器設計和操作優化

燃燒器的設計和操作優化是燃燒過程控制的關鍵。優化設計的燃燒器可保證燃料和氧氣的充分混合，提高燃燒效率，減少CO 和H2S 的生成。此外，通過調整燃燒器的運行參數，如燃燒器的出口溫度、燃料和氧氣的流速等，也可進一步優化燃燒過程。

3.1.4 燃燒穩定性保證

保證燃燒的穩定性是另一個重要的策略。不穩定的燃燒會導致燃燒溫度、氧氣濃度等參數的波動，增加了CO 和H2S 的生成，對爐膛的腐蝕產生更大的威脅。通過技術手段，如先進的控制系統和傳感器，可實時監測并調整燃燒狀態，保證燃燒的穩定性。

3.2 材料改進

燃煤機組爐膛的高溫腐蝕問題，除了源頭上控制CO 和H2S 的生成外，另一個重要的改善策略是優化爐膛的材料。對于面臨高溫、高壓和具有腐蝕性氣體環境的爐膛來說，材料的選擇和處理極為重要。

3.2.1 抗高溫腐蝕材料的選擇

材料的選擇是對抗高溫腐蝕的關鍵策略之一。理想的爐膛材料需有良好的熱穩定性、機械性能和耐腐蝕性。例如，某些高溫合金、耐熱鋼等具有優秀的耐高溫腐蝕性能。這些材料中的元素如鉻、鎳等，能夠在表面形成一層致密的氧化物膜，阻止或減少CO 和H2S 與材料的反應。然而，這些材料的成本相對較高，且在某些極端條件下可能無法滿足需求。

3.2.2 表面處理技術

表面處理技術是另一個提高材料抗腐蝕能力的有效策略。表面處理技術主要包括涂層、滲層、噴涂等，能夠在材料表面形成一層防護膜，抵抗CO 和H2S 的腐蝕。例如，熱噴涂技術可在材料表面形成一層稠密的陶瓷或金屬合金層，這些涂層具有良好的耐腐蝕性和熱穩定性。而一些新型的表面處理技術，如激光熔覆、離子滲透等，也表現出良好的抗腐蝕性能和應用前景。

3.2.3 材料性能的實時監測和維護

實時監測材料性能的變化并進行必要的維護，是保證材料性能穩定的重要措施。通過設備如熱電偶、紅外線測溫儀等，可實時監測爐膛內的溫度和材料的狀態，從而提前預防或發現潛在的腐蝕問題。當發現材料性能下降或有腐蝕跡象時，可及時進行維護和修復，如清理腐蝕產物、補充防護涂層等，以恢復材料的性能。

3.3 化學處理

化學處理是指通過添加化學物質來改變爐膛內的化學環境，從而抑制CO 和H2S 的生成，或減少它們對爐膛材料的腐蝕作用。其具體應用有：①脫硫技術。在燃煤燃燒過程中添加脫硫劑，可在燃燒階段將硫化氫轉化為硫酸鹽或其他易處理的形式，從而減少硫化氫的生成。②抗氧化劑。通過添加抗氧化劑，可抑制爐膛內金屬材料的氧化過程，從而降低由于CO 引起的氧化腐蝕。

3.4 應用新型抗腐蝕技術

隨著科技的進步，一些新型的抗腐蝕技術，如納米技術、超臨界流體技術等也開始在燃煤機組中得到應用。①納米技術。利用納米技術制備納米抗腐蝕涂層，不僅可提高涂層的附著力和耐磨性，而且可有效抵抗高溫下的CO 和H2S 腐蝕。②超臨界流體技術。超臨界流體可提高脫硫效率，有效減少硫化氫的生成。

4 結束語

在面對燃煤機組爐膛的高溫腐蝕問題時，本研究對CO 和H2S 的生成與腐蝕作用進行了深入的理論研究，并結合現有的監測技術，提出了一系列具有實施價值的改善策略。這些策略涵蓋了燃燒優化、材料改進、化學處理及應用新型抗腐蝕技術等多個方面。

總的來說，通過對CO 和H2S 的監測和控制，可有效改善燃煤機組爐膛的高溫腐蝕問題，提高電廠的運行效率和安全性，延長設備的使用壽命。未來，還需進一步研究和開發更高效、更可靠的監測技術和防腐策略，以適應電廠運行環境的復雜性和變化性。同時，也期待能夠通過深入的實踐和應用，驗證和優化這些防腐策略的實際效果。