锅炉燃烧器低氮改造后发生高温腐蚀的原因分析及防止措施

胡庆权，张华聪

(重庆合川发电有限责任公司，重庆 401536)

锅炉燃烧器低氮改造后发生高温腐蚀的原因分析及防止措施

胡庆权，张华聪

(重庆合川发电有限责任公司，重庆 401536)

对水冷壁高温腐蚀的原因进行分析，采用不同的燃烧器型式，对水冷壁进行喷涂表面处理；根据机组不同的运行工况优化配风方式， 合理组织燃烧，改善贴壁气成分等防止高温腐蚀措施，可遏制高温腐蚀的形成和发展，提高锅炉设备的安全性和可靠性。

锅炉；水冷壁；高温腐蚀；防止措施

为减少燃煤电厂锅炉NOx排放而进行燃烧器低氮改造后，即使是燃用相同煤种的相同型式的锅炉，由于运行条件不同，燃烧器高温区域的水冷壁发生高温腐蚀的现象也会大不相同，腐蚀后的管壁减薄形貌也不相同。

1 产生高温腐蚀的机理和条件

1.1 机理

在燃煤锅炉中，高温腐蚀类型大致分为硫酸盐型、氯化物型、硫化物型及其混合型。硫酸盐型腐蚀主要发生在高温受热面上；氯化物型和硫化物型腐蚀主要发生在燃烧器高温区域的水冷壁管上。水冷壁的高温腐蚀通常是由这3种类型腐蚀复合作用的结果。

硫酸盐型高温腐蚀的形成：在炉内高温条件下，煤中NaCl中的Na+易挥发，除一部分被熔融的硅酸盐捕捉外，有一部分与烟气中的SO3发生反应，形成Na2SO4；另一部分是易于挥发性的钾发生置换反应，与SO3化合，生成K2SO4。而碱金属硫酸盐(Na2SO4、K2SO4)有黏性，且露点低。当碱金属硫酸盐沉积到受热面的管壁后会再吸收SO3，并与Fe2O3及Al2O3作用生成焦硫酸盐(Na·K)2S2O7。这样一来，受热面上熔融的硫酸盐(M2SO4)吸收SO3，并在Fe2O3及Al2O3作用下生成复合硫酸盐(Na·K)(Fe·Al)SO4，随着复合硫酸盐的沉积，其熔点降低，表面温升升高。当表面温升升高到熔点，管壁表面的Fe2O3氧化保护膜被复合硫酸盐破坏，使管壁继续腐蚀。另外，附着层中的焦硫酸盐(Na·K)2S2O7熔点低，更容易与Fe2O3发生反应，生成(Na·K)3Fe(SO4)3，即形成反应速度更快的熔盐型腐蚀[1]。

氯化物型腐蚀的形成：在炉内高温下，原煤中的NaCl易与H2O、SO2、SO3反应，生成硫酸盐(Na2SO4)和HCl气体。同时，凝结在水冷壁上的NaCl也会和硫酸盐发生反应，生成HCl气体。因此，沉积层中的HCl浓度要比烟气中的高很多，致使受热面管壁表面的Fe2O3氧化保护膜破坏。有研究表明，这种情况在CO和H2浓度超过一定范围的强还原性气氛中则更为强烈。

综上所述，燃煤中的S、Cl、K、Na等物质的存在是发生高温腐蚀的内在根源。而燃用劣质煤所需要的气流扰动和较高的燃烧温度，煤粉火焰刷墙以及水冷壁附近出现的还原性气氛，为产生水冷壁高温腐蚀提供了充分条件。

1.2 条件

根据相关资料，要产生高温硫化腐蚀，需具备以下几个条件[2]。

1)燃煤含硫量较高，存在一定含量的S、Cl、K、Na等可产生高温腐蚀的物质。

2 )水冷壁管壁腐蚀区域的壁温在320 ℃以上。

3 )水冷壁局部范围严重缺氧，存在较大的还原性气氛(CO、H2)和腐蚀性气体(H2S)，局部缺氧时，特别是当O2量低于1.5%时，H2S含量急剧增加。

4 )煤粉气流冲刷水冷壁，造成腐蚀产物的剥落，使得腐蚀不断地渗透到内层，使腐蚀加速进行。

2 发生高温腐蚀的实例分析

2.1 改造情况介绍

某电厂一期2×300 MW机组自投运以来，由于实际燃用煤质与设计煤质相比有较大偏差等原因，锅炉NOx排放量较高，已无法适应严格的国家环保政策。对两台锅炉进行了低氮燃烧器改造，运行一年后，2#锅炉发生了高温腐蚀；1#锅炉运行良好。

两台锅炉系东方锅炉厂生产的DG1025/18.2-Ⅱ4型亚临界参数、四角切圆燃烧、自然循环汽包炉，单炉膛п型露天布置，燃用烟煤。两个假想切圆的直径分别为Φ681 mm和Φ772 mm。每角燃烧器共有15层喷口，其中一次风喷口5层，二次风喷口7层，三次风喷口2层，用于降低NOx生成量的顶二次风喷口1层。一次风喷口四周有周界风，每角燃烧器分上下两组。上组燃烧器有8层喷口，下组燃烧器有7层喷口。燃烧器为水平浓淡燃烧器，在一次风风管中采用“百叶窗”式的煤粉浓缩器。煤粉燃烧器的主要设计参数如表1所示。

表1 煤粉燃烧器的主要设计参数(设计煤种，BMCR工况)

为尽可能降低NOx的排放，提高锅炉燃烧稳定性，对燃烧器进行改造，将原燃烧器进行整体更换，改造后的燃烧器将主要在以下几方面采取措施来降低NOx的排放，增加锅炉燃烧的稳定性[3]。

1)燃烧器各层标高重新调整，增加燃尽风，以达到提高稳燃能力和降低NOx排放的目的。

2)优化燃烧器设计参数，提高稳燃能力。

3)对一次风管内的“百叶窗”式煤粉浓缩器进行优化设计。

4)一次风喷口中采用垂直半锥体，半锥体位于浓侧喷口内，使一次风浓煤粉气流反切喷入炉内，以增强煤粉气流的着火和稳燃能力；在浓侧喷口边沿设置稳焰齿，增加一次风浓煤粉气流周界面积和湍动度，强化着火。

5)一次风喷口两侧布置偏置周界风，背火侧的周界风喷口较大，向火侧较小。

6)部分二次风喷口正向偏转，以增大炉内旋转烟气的实际切圆，向煤粉气流根部提供更多的高温烟气量，稳定煤粉气流的着火燃烧。

2.2 一、三次风调平及炉内空气动力场试验结果

通过调整一次风管道上可调缩孔，采用标准BS1(系数为0.755)，每根管道测量16个点，采用均方根计算出各管道平均动压，并计算出各一次风管道风速及同层各风管风速偏差。一、三次风粉管调平，流量偏差均低于5%。

根据测试数据显示，一次风切圆往左偏300 mm，切圆直径4.6 m无刷墙贴壁现象。最高风速形成切圆的直径为5.6 m，位置居于炉膛正中，炉内气流无刷墙贴壁现象，通过观察飘带，无冲底现象。彩烟显示，炉内切圆良好。

一、二、三次风调平及炉内动力场试验结果显示：各层一次风风量调整平衡，同台磨2只三次风管风量平衡，满足炉内切圆燃烧需要。一、二次风全开情况下，冷态动力场试验显示，炉内切圆居于炉膛正中，无偏斜，炉膛充满度好，无刷墙贴壁现象。

2.3 改造后发生高温腐蚀爆管

2.3.1 事件经过及设备损坏情况

2015年4月28日20时20分时，2#机组负荷300 MW，锅炉后墙水冷壁管，标高约25 m(E层一次风喷口层)，从锅炉B侧往A侧数：第75根、第77根爆管，爆管后水汽对附近水冷壁管冲刷，造成第74根、第76根水冷壁管管壁减薄。经过对全炉膛区域水冷壁侧厚检查，四侧墙燃烧器相同区域水冷壁管均发生高温腐蚀，共更换了304根水冷壁管，总长2 204 m。

2.3.2 原因分析

为彻底查清原因，对水冷壁爆管进行了理化分析。通过宏观检查、金相检测、垢样分析，发现爆破管子外表面粘附着大量煤灰，并附有明显厚度的腐蚀产物，且有明显的气流冲刷痕迹，从最薄处向两侧方向处有明显的转角。此外，对离爆管两端100 mm范围内，进行了厚度测量，管子向火面最小壁厚为1.3 mm，其余大多在2.2～2.8 mm范围内。垢样分析结果表明，材料受到严重的硫腐蚀。综合检查结果与相关爆管情况，可以判断爆管的主要原因是由火焰吹偏造成的烟气冲刷和高温腐蚀。

2013年底锅炉低氮燃烧器改造后，因增加了燃尽风量，锅炉主燃烧器区域在低氧燃烧的方式下，使得该区域四周水冷壁长期处于较强的还原性气氛中，进一步加剧了水冷壁的高温硫化腐蚀。机组长期燃用高硫煤，锅炉水冷壁出现了不可避免的高温硫化腐蚀现象，导致水冷壁管逐渐腐蚀减薄。

通过与1#锅炉腐蚀现象的对比分析，2#锅炉腐蚀现象特别严重。两台锅炉燃烧器低氮改造结构型式相同，燃用相同煤种，运行方式相同，累计运行时间相近，但运行的负荷率相差较大，2#锅炉运行负荷率较1#锅炉低10%左右，长期低负荷运行，会造成运行条件不同，发生高温腐蚀的现象相差较大。造成2#锅炉发生高温腐蚀爆管的主要原因：长期低负荷运行，为达到低NOx效果，上层燃尽风保持最大开度且不参与调整，周界风基本关完，使得炉膛燃烧区域的二次风较少，维持较低氧量的运行方式，造成锅炉燃烧器区域严重缺氧，CO含量大幅上升，燃烧器区域水冷壁侧呈还原性气氛，导致了水冷壁高温硫化腐蚀现象的发生。

3 预防高温腐蚀的措施

预防高温腐蚀的措施有以下几点。

1)全面检查2#锅炉燃烧器区域水冷壁，采取逐根测厚的方式，对壁厚低于5.3 mm的水冷壁管全部进行更换。

2)采取喷涂工艺，对燃烧区域进行防磨防腐蚀喷涂，以便在水冷壁向火侧形成保护层，阻止炉膛高温烟气对水冷壁的腐蚀[4]。

3)定期对易发生高温腐蚀区域的管壁进行定点测厚，及时分析、跟踪，从中寻求“四管”的劣化趋势，坚持“趋势分析、超前控制，通过综合判断，尽早发现问题，采取防范措施。

4)制订运行措施，加强燃烧调整[5]。

①制订运行措施，在低负荷时上层燃尽风参与调整，保持周界风与上层燃尽风门的开度一致，关闭停运燃烧器的一次风，防止运行燃烧器区域严重缺氧。

②结合运行人员实际采用的燃烧调整方式，一次风喷口采用均等配风方式，而煤种变化后，改变配风方式，避免将两相邻一次风喷口之间的二次风量减少至零，造成局部缺氧[6]。

③采用四角布置切圆燃烧方式，煤粉射流的背火侧(靠炉墙)利用侧边风，优化补气条件，防止局部缺氧。

④低负荷时，燃烧器周界风与燃尽风同步调节，控制炉膛出口氧量不低于3.0%～4.0%。四角燃烧后墙炉内温度较前墙高100 ℃左右，并且后墙易产生结焦现象，应防止火焰中心明显向后墙水冷壁偏斜。

5)三次风喷口布置在燃烧器区域上方，应控制制粉系统漏风，减少三次风所占份额。

6)利用机组等级检修机会更换烧坏、变形的燃烧器, 调整燃烧器假象切园直径，避免火焰对炉墙的直接冲撞。

7)保持煤粉均匀度和合理的细度；保持燃烧稳定，防止持续燃烧不稳和脉动火焰冲击炉墙。

8)防止管壁超温。机组长期低负荷运行，水冷壁管内水循环速度较低，使局部壁温较满负荷运行更高，当管外壁有黏附物时，发生高温腐蚀的可能性更大。

9)加强煤种掺混，降低燃煤“平均”硫分，尽量采购硫分较低煤种。

4 结论

燃煤电厂锅炉进行燃烧器低氮改造后，水冷壁发生高温腐蚀，是一个普遍现象。设计相同的燃烧器结构型式，燃用相同煤种，由于运行的负荷率相差较大，长期低负荷运行，造成运行条件不同，发生高温腐蚀的现象相差较大。根据运行工况合理组织燃烧,优化配风方式,改善贴壁气成分等措施，可遏制高温腐蚀的形成和发展，提高锅炉设备运行的安全性和可靠性。

[1] 张翔，邵国桢.大型锅炉水冷壁高温腐蚀探讨[J].锅炉技术,2002,33(8)：9-13.

[2] 赵虹,魏勇.燃煤锅炉水冷壁烟侧高温腐蚀的机理及影响因素[J].动力工程学报,2002,22(2)：1 700-1 704.

[3] 池作和，岑可法.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算[M].北京：科学出版社,1994.

[4] 蔡志刚，谢涛.锅炉管的高温腐蚀及渗铝防护[J].热力发电，1996(1)：3-13.

[5] 曾汉才.大型锅炉水冷壁的高温腐蚀故障分析[J]. 华中电力，2001，14(4)：5-8.

[6] 黄新元.电站锅炉运行与燃烧调整[M].北京: 中国电力出版社,2007.

AnalysisoftheHighTemperatureCorrosionAftertheNitrogen-ReductionRenovationfortheBurneroftheBoiler

HU Qingquan，ZHANG Huacong

(Chongqing Hechuan Power Generation Co., Ltd. of SPIC，Chongqing401536，P.R.China)

This paper analyzes the causes of the high temperature corrosion of the water cooled wall and introduces the surface spraying for it with different types of burners．Such measures as the optimization of the ways of air distribution based on operation conditions of the unit，reasonable combustion organization and the improvement of the air composition near the wall can keep down the formation and development of the high temperature corrosion as well as enhancing the security and reliability of the boiler．

boiler；water cooled wall；high temperature corrosion；preventive measures

TK223.25

A

1008- 8032(2017)05- 0032- 03

2016-11-03

该文获重庆市电机工程学会2016年学术年会优秀论文三等奖。

胡庆权(1964-)，高级工程师，主要从事火电厂锅炉技术管理工作。