超临界锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及改造措施

马天文

摘要：进入21世纪后，我国社会对电能的需求越来越强，而随着科学技术的不断发展，火力发电技术也日益成熟。现阶段，我国在建火电厂项目主要采用超临界机组与亚临界机组。超临界机组是一种较为先进的燃煤发电机组，具有环保性能好、煤耗低以及技术含量高的特点。在超临界锅炉实际应用过程中，人们发现锅炉的水冷壁易受到高温的破坏，从而导致锅炉无法正常工作。笔者结合工作经验与相关理论知识，在本文中探讨了超临界锅炉水冷壁高温腐蚀问题与技术改造措施，供读者参考借鉴。

关键词：超临界锅炉；水冷壁；高温腐蚀

超临界锅炉技术始源于20世纪90年代，其由欧洲工程家发明，至今仍在发电领域发挥着不可或缺的作用。超临界锅炉是一种锅炉内工质的压力处于临界点之上的锅炉。超临界锅炉经长时间使用后可能产生高温腐蚀问题，而高温腐蚀现象不仅无法会令锅炉无法正常工作，还可能引发安全事故。本文以超临界锅炉水冷壁高温腐蚀现象为研究对象，对造成高温腐蚀现象的原因进行了分析，同时提出了针对超临界锅炉水冷壁高温腐蚀的技术改造建议

1.对高温腐蚀予以分析

国内在进行电厂锅炉的腐蚀事故调查发现，其腐蚀部分主要位于高温区域，具体来讲，在燃烧器的出口位置和中心线比较相近区域，发生容易腐蚀几率较高。对于锅炉水冷壁的腐蚀区域来讲，其表面呈现黑褐色，此物质外表面松软，但内部比较坚硬。在进行化学化验鉴定后，物质中硫量比例相对较高，且锅炉表面腐蚀区域比较脏，具有暗灰色特点，结合研究发现产生此现象的主要原因为：煤灰未充分燃烧，使其燃烧物和炉壁腐蚀产生混合物，当其黏附于锅炉水冷壁后即呈现以上状况。在进行燃烧气体取样时，研究得出其成分包括：氧气、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫，其中一氧化碳含量约为10%，而氧气含量低于3%。研究锅炉水冷壁垢状的化合物时，其成分包括：四氧化三铁、三氧化二铁、氧化亚铁、铁硫化物。当进行腐蚀产物分析后，明确锅炉水冷壁出现高温腐蚀原因，即硫化物产生高温腐蚀时，其硫化物主要是由黄铁矿内硫元素所生产，在进行腐蚀机理的研究时，其主要包括以下几点。

1.1硫原子黄铁矿粉末、煤粉经冷水壁受热后，分解形成硫原子、硫化亚铁，化学式为：FeS→2FeS+[S]，当锅炉水冷壁存在相应浓度SO2、H2S时，在其反应作用下会生成硫原子，化学式为：2H2S+SO→22H2O+3[S]。

1.2硫化过程基于高温的锅炉，琉璃態中硫原子和锅炉壁铁发生反应后，往往会随之产生硫化亚铁，此过程同时也是锅炉壁硫化反应过程，化学式为：Fe+[S→]FeS。

1.3硫化加快对于锅炉壁而言，在水作用下通常会产生铁锈，化学式为Fe2O3，如果Fe2O3呈现疏松状态，则可以和锅炉内H2S相互反应，使其锅炉壁硫化持续加快，化学式为：Fe2O3+2H2S+H→22FeS+3H2O。

1.4磁性物质硫化亚铁在氧化作用下，往往会生成磁性物质（黑色物质），化学式为Fe3O4，其化学原理：3FeS+3O→2FeO4+3SO2。在对锅炉水冷壁的高温腐蚀机理进行深入研究后，其研究结果显示，造成锅炉发生高温腐蚀原因为：煤中含有硫元素、高温作用使锅炉产生气体，以上均属于产生高温腐蚀整体机理过程，有利于研究人员更好对其进行控制。

2.锅炉水冷壁高温腐蚀原因

2.1腐蚀类型

一方面，垢样宏观。实际观察发现，锅炉水冷壁高温腐蚀后，水冷壁的表面层会呈现淡黄色的疏松物质A，在对其进行处理后，可以发现坚硬黑色物质，当对此层物质进行完全清理后，水冷壁表面呈现五胀粗与凹凸不平状态。另一方面，腐蚀产物B，在对腐蚀产物进行分析发现，其腐蚀产物内硫铁氧元素含量相对较高。通过宏观分析，锅炉水冷壁腐蚀产物具有疏松多孔和脆易剥落的特点，属于典型硫化物腐蚀。表1锅炉水冷壁高温腐蚀产物的主要成分取样铝和硅元素铁和硫元素氧元素A小于0.16627B小于0.162292.

2.2煤种原因

当水冷壁发生高温腐蚀后，其主要是由于硫元素所造成，通过上文研究得出，燃烧煤中存在硫元素。基于此，煤种属于造成锅炉水冷壁腐蚀的主要原因。对于我国电站而言，燃烧煤种多数为贫煤，其含硫量超出1.2%标准，部分贫煤的含硫量更是达到2%-3%范围，当煤种含硫量不断增加后，燃烧产生的腐蚀物质也会随之增加。与此同时，在对贫煤进行应用时，如果其燃烧性能相对较差，则可以将其判断为不易燃煤种，从而导致燃料的整个燃烧过程不断生成还原气体，并对锅炉产生硫化反应，最终加快高温腐蚀，使其发生严重腐蚀后果。

2.3风粉分离

在锅炉中燃料燃烧时，通常会出现风粉分离的情况，属于锅炉燃烧常见问题。现阶段，燃烧锅炉时着火方式主要是以集束射流为主，此方法同时也是造成锅炉风间隔的主要因素，使燃料放置锅炉形式保持一致，最终导致燃料没有完全燃尽，加之新燃料的覆盖，使燃料无法实现充分燃烧。而理想集束射流的着火方式为：第一次采取风送燃料的方式进行，第二次对风送方向进行转变，即燃料根据烟气方向进行相应变化，使其燃料间存在温度差，以便于燃料得到全面燃烧，降低还原气体的存在，减少锅炉水冷壁高温腐蚀几率。当然，提高燃烧整体燃烧效率的方法相对较多，例如：加大风口空气流入或降低燃料细度等，具体情况结合实际需求选择，通过相关措施的应用，以实现燃料的更好燃烧。

3.锅炉水冷壁高温腐蚀防范措施

结合上文研究，锅炉的高温腐蚀原因为煤种具有较高含硫量，使硫气体不断产生，并与锅炉壁接触反应，造成锅炉水冷壁硫化。另外，锅炉中燃料没有得到充分燃烧，同样会形成还原气体，加快锅炉水冷壁高温腐蚀速度。虽然对煤种进行转变，可以降低煤种含硫量和腐蚀性，但并不满足实际需求；燃料全面燃烧和燃料输送的调整，虽然可以降低还原气体生成，但是，因为该方法实施难度较高，同时很难达到预期理想效果，所以，对设备采取改造方式比较重要，可有效缓解高温腐蚀情况，属于行之有效防范措施，其改造措施具体内容如下。

3.1锅炉水冷壁改造

在进行锅炉壁的改造时，同时也是降低锅炉的高温腐蚀关键。当锅炉水冷壁出现硫化时，其主要是由于锅炉壁铁和内部气体反应所导致，如果对锅炉壁表面进行保护膜的增加后，可以对锅炉水冷壁内铁和气体进行有效隔離，从源头上避免冷水冷壁发生高温腐蚀。对于锅炉水冷壁而言，其镀膜物质应该具有耐高温特点，同时不会受锅炉自身传热造成的不利影响，可以将此类材料进行重点运用。相关实践显示，将防腐蚀相关材料涂抹至锅炉冷水壁中，能够避免锅炉水冷壁发生高温腐蚀，预防结焦积灰存在。然而，由于该中材料生产流程比较复杂，使其具有较高材料成本，因此，若要对锅炉高温腐蚀进行有效控制，则对防腐材料进行综合分析和衡量，保证高温腐蚀预防措施的选择更加科学、合理，以达到最佳防范效果。

3.2送风改造

利用风送喷口的旋转，促使一、二次风送燃料相互对应，尽可能为燃料更好燃烧提供保障，降低还原气体的生成，并在某种程度上促进锅炉通用，实现含硫气体深度减少的目的。实践结果显示，此方法能有效避免锅炉水冷壁出现高温腐蚀，使其呈现良好应用效果。通常情况下，送风改造能为风粉分离起到有效促进作用，其原理主要包括：首次进行风送燃料时，在其维持一段期间燃烧后，对风松口进行转换，即风送喷口的180°旋转，使其燃烧风送位置和第一次相互对应，对一、二次风送燃料覆盖面积进行控制，进而避免还原气体的生成，改善锅炉水冷壁出现的硫化作用。另外，风送喷口进行转变后，还能保证锅炉内气体的畅通，降低气体堆积情况的发生，从而减弱化学作用。

3.3一次风反切

我国大型锅炉采用∏型布置、平衡通风及四角切圆燃烧方式，由于采用了较大的切圆会造成煤粉气流贴壁，导致局部区域形成还原性气氛，容易发生高温腐蚀。采用一次风反切技术，可防止煤粉气流贴壁，改善局部区域形成还原性气氛。一次风反切技术是将一次风喷口偏转一定角度，形成一个与原假想切圆旋转方向相反，且直径较小的假想切圆。这一方面，可以使初始运动方向与主气流旋转方向相反，使煤粉的射流速度迅速减小，在高温烟气中煤粉颗粒的停留时间延长，有助于煤粉的充分燃烧；另一方面，可以避免煤粉气流贴壁，防止高温腐蚀的发生。一次风反切技术的进一步发展是水平浓淡风反切技术[14]。水平浓淡风反切技术是利用煤粉浓缩器将含有煤粉颗粒的一次风在水平方向上分成浓度适合的浓、淡两股气流，浓口射流布置在向火侧，淡口射流布置在背火侧，在背火侧再增加1个二次风喷口。水平浓淡风反切技术比一次风反切技术可以更有效地防止避免煤粉气流贴壁。另外，水平浓淡风反切技术将浓煤粉气流布置在向火侧，浓煤粉气流流向向火侧，淡煤粉气流流向背火侧，这有助与锅炉稳燃能力得到进一步提高。背火侧的煤粉气流在水冷壁附近形成比普通燃烧器更强的氧化性气氛。这些均可以改善锅炉水冷壁的高温腐蚀问题。

3.4涂层

常用的表面防护方法有涂刷法、渗铝管防腐技术、高温表面喷涂技术、堆焊技术等。对高温腐蚀区域表面进行处理，在其表面形成一层同时具有防止高

温腐蚀、防止结焦积灰等功效的涂层。用于防腐的金属涂层，其厚度壁较薄，所以对水冷壁的传热几乎没有影响。此种方法在各种高温腐蚀性环境下已有许多应用的实例。

3.5提高给水品质

对冷却水进行高效处理，即在供水回路中加入软化水处理设备，使水质达标。减缓甚至避免锅炉内壁的结垢。若水处理不到位，给水品质不合格，在锅炉内容易结垢，随着时间的延长，锅炉内的结垢会把水冷壁管堵住，在高温作用下，这段区域就会发生锈蚀。

3.6运行上的改进措施

煤粉越粗，燃烧越不易，燃烧不完全一方面使煤粉颗粒聚集，引起高温腐蚀，同时煤粉越粗，粗大煤粉动量较大，冲刷水冷壁产生磨损，会破坏水冷壁管保护膜加剧腐蚀；另一方面，燃烧不完全，进一步的燃烧时，由于缺氧而形成还原气氛，使水冷壁发生腐蚀。因此，宜采用多台磨煤机不同时投运。采用反切风或贴壁风，使气流不直接冲刷管壁。增大过量空气系数，改善不可燃硫形成的硫酸盐对壁管的熔覆，保证壁管承压能力

4.超临界直流锅炉水冷壁防腐蚀技术改造的成果

在对1号超临界直流锅炉水冷壁应用了各类防腐蚀技术后，锅炉的工作质量与稳定性得到了显著的提升，具体如下：

（1）经技术改造后，超临界直流锅炉的炉膛在燃烧过程中未发生结焦现象，炉膛始终处于正常燃烧的状态中。据工作人员反馈，超临界直流锅炉的捞渣设备中没有出现大尺径的颗粒状焦块。

（2）经技术改造后，超临界直流锅炉飞灰的碳含量得到了提升，锅炉各重要装置的参数处于正常水平。

（3）经技术改造后，超临界直流锅炉的炉膛工作正常，火焰温度正常且分布均匀，炉膛负荷较高的状况下，主燃烧器域底火焰的温度变化较小。据测量，锅炉上部炉膛温度大幅度下降，大约下降了100℃，炉膛火焰呈正常的橘黄色。

5.超临界直流锅炉水冷壁防高温腐蚀措施

针对引发×电厂超临界直流锅炉水冷壁高温腐蚀现象的原因，笔者提出了若干技术改造措施：

（1）借鉴国外超临界直流锅炉水冷壁防高温腐蚀工作的经验，认为应当对锅炉两侧墙燃烧器冲刷部位开展金属喷涂工作，即在冲刷区域表面覆盖一层金属薄膜，如此能够有效地强化水冷壁抗高温腐蚀的能力。

（2）上文提及到，导致×电厂1号超临界直流锅炉水冷壁受到高温腐蚀的原因有燃煤的硫含量过高，因此，电厂必须要使用更加环保、硫含量较低的燃煤。应当使用符合燃用设计要求的煤炭，当燃煤中硫含量发生变化时必须通过严谨的试验来对燃烧器的配风强度加以确定。

（3）电厂应当对锅炉内部的湍流混合以及配风进行合理地强化，开展合理的燃烧空气动力工况组织工作。与此同时，采取有效措施来防止超临界锅炉水冷壁受热面温度过高现象的发生，建议在受热壁面附近喷涂质量合格的空气保护膜。

（4）将燃煤粉末的吸毒控制在合理的范围内，同时必须要确保各超临界锅炉各燃烧层间的煤粉的浓度处于均匀状态。除此之外，还需要大力开展对锅炉炉膛出口烟气温度的控制工作。

（5）事实证明，锅炉贴壁风速过高可能引发炉膛结焦现象，所以，有必要开展锅炉制粉系统动力试验及冷态一次风调平试验，如此能够最大程度地减少锅炉气流不平衡现象的发生几率，同时还大幅度地降低了炉膛结焦现象的发生几率。

（6）针对超临界锅炉水冷壁受热面在高温环境下受酸、盐等化学成分的腐蚀的情况，建议采用超音速电弧喷涂技术，如此不仅可以有效地延长超临界直流锅炉的使用寿命，极大地缩减锅炉的后续维护成本，还能对喷涂材料进行有效地强化。就目前而言，中国的超音速电弧喷涂技术已较为成熟，所以在超临界锅炉水冷壁防腐蚀技术改造中应用超音速电弧喷涂技术是可行的。机械除渣、在工作面表面喷砂使工作面粗化、材料喷涂以及图层封闭是超音速电弧喷涂工作的主要内容。

结语

结合锅炉水冷壁的相关腐蚀实验，利用高温腐蚀的深入研究，可知煤种的含硫量超出相应标准，往往会导致锅炉水冷壁发生高温腐蚀，当燃料没有得到充分燃烧后，锅炉内部则会产生一定还原气体，对锅炉水冷壁起到催化作用，使其发生硫化反应，在此基础上，进行防范对策的针对性研究，即保证燃料充分燃烧、降低还原气体的存在、对硫化作用予以控制、防腐蚀相关材料的喷涂等，均可以防止锅炉水冷壁出现高温腐蚀问题，使其具有较高的安全性。

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