风膜式贴壁风防止锅炉水冷壁高温腐蚀的有效性分析

乔印杰

摘 要：我国很多大型燃煤发电站使用的锅炉存在锅炉水冷壁高温腐蚀现象，因为大部分锅炉采用低氮燃烧系统。水冷壁高温腐蚀的根本原因是煤中硫含量高，未燃尽煤粉冲刷水冷壁，形成局部还原性气体，使得锅炉腐蚀。而使用风膜式贴壁风就可以很好地防止还原性气氛的出现，以免锅炉被腐蚀。

关键词：水冷壁;贴壁风;高温腐蚀

中图分类号：TK228 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）17-0127-04

Analysis of the Effectiveness of the Wind-film Wall-attached Wind to Prevent the High Temperature Corrosion of the Boiler Water Wall

QIAO Yinjie

（Henan Jingneng Huazhou Thermal Power Co.， Ltd.，Anyang Henan 456400）

Abstract： Many boilers used in large coal-fired power plants in China have high-temperature corrosion of the boiler water wall， because most boilers use low-nitrogen combustion systems. The root cause of high temperature corrosion of water wall is the high sulfur content in coal， unburned coal powder scours the water wall and forms local reducing gas， which makes the boiler corrode. The use of wind-membrane wall-mounted wind can well prevent the appearance of a reducing atmosphere to prevent the boiler from being corroded.

Keywords： water wall;wall-attached wind;high temperature corrosion

我国主要能源是燃煤，随着社会经济的快速发展，居民用电需求越来越高，但是燃煤大型电站会带来严重污染。为了解决污染问题，燃煤发电站更改了燃烧煤方式，采用旋流风和燃尽风将煤完全燃烧，采用送热风并使用螺旋式风将空气送出，减少污染物NOx的产生量。但是，这种方式会导致锅炉水冷壁附近积聚大量的CO、SO2等还原性气体，导致发生化学反应。我国原煤中含有大量硫化物，而硫化物又是使得锅炉被腐蚀的根本原因。为了解决这个问题，人们研发出贴壁风装置，顾名思义，贴壁风就是在被腐蚀的锅炉壁附近安装一些通风装置，然后通入空气来改变锅炉壁附近的还原性气体过多现象，防止高温引发腐蚀现象[1-2]。

1 锅炉水冷壁高温腐蚀原理

锅炉水冷壁的高温腐蚀现象如图1所示，研究发现，锅炉壁腐蚀区域表面由很多层污垢组成，这种污垢容易掉落并且很脏，从腐蚀物成分分析可以发现，铁、硫等元素占绝大多数。根据化学原理可以得出，硫元素在高温下与锅炉壁中铁元素发生反应，最后导致腐蚀现象。下面进行具体分析。

锅炉壁遇到高温，其中含的铁与控制环境中的氧元素发生氧化反应而生成Fe2O3，锅炉中的一些灰尘和颗粒物在锅炉壁附近形成一层薄膜状物体。

通常，我国原煤含有较多S元素，因此燃烧后会形成一些S元素和碱性金属元素。这些元素在高温下会升华成气体，然后附着在锅炉壁的薄膜状物体上。如果它们与空气中煤燃烧释放的含S气体结合而产生化学反应，就会产生硫酸盐。具体反应如式（1）至式（4）所示。

当继续加热时，硫酸盐不断增加，会逐渐附着在锅炉壁上，使得锅炉壁熔点变低，逐渐破坏Fe2O3产生的那层薄膜。相关反应为：

当Fe2O3产生的那层薄膜被破坏后，锅炉壁便会与[Na3FeSO43、K3FeSO43]产生反应，最后导致锅炉壁中的Fe金属被一步步消耗。具体反应如下：

新产生的硫酸盐不断循环往复，锅炉壁中的Fe金属被一步步腐蚀。

锅炉中，金属元素不断消耗腐蚀，而且在高温下，灰尘终会掉下去，使Na3Fe（SO4）3和[K3FeSO43]暴露在锅炉中的高温下，产生新的SO3气体以及硫酸盐。有关反应如下：

如此不断循环下去，最终腐蚀锅炉壁。

在锅炉中处理硫酸盐会腐蚀锅炉壁，产生的硫化物也会腐蚀锅炉壁。煤中含有的FeS2經过加热会分解出FeS和S原子两种物质，锅炉内空气中的H2S和SO2反应也会产生S原子。具体反应为：

由于锅炉中的温度高，并且处于还原性气体氛围的水冷壁会产生Fe，与S原子反应产生FeS，因此FeS遇到氧气后产生氧化反应，形成四氧化三铁，继续腐蚀锅炉壁。相关反应为：

由于我国煤中硫元素主要以硫化物的形式存在，因此锅炉水冷壁的高温腐蚀主要因素是硫化物，由式（1）至式（14）可以推出，锅炉水冷壁的高温腐蚀，区域应该是高温区域。原因是这个区域还原性气体多，使用的旋流对冲燃烧方法会使附近有很多没有燃烧完全的煤粉。

2 防止锅炉水冷壁高温腐蚀的方法

锅炉水冷壁出现高温腐蚀的主要原因是煤中含有的硫元素在高温条件会产生化学反应。因此，锅炉高温腐蚀最主要的内因就是煤种，为了防止锅炉水冷壁的高温腐蚀，首先要考虑煤种，明确煤的主要组分。

目前，最原始的防治方法是控制还原性气体的产生位置，通过工作人员的操作，将还原性气体与锅炉水冷壁的位置错开，尽量不让两者产生接触。但是，这种方法过度依赖人工操作且不好控制，所以已经慢慢被淘汰。

美国发明了一种用喷涂材料来防止腐蚀的方法，将耐高温、耐腐蚀的材料喷在水冷壁上进行保护。但是，耐高温、耐腐蚀材料的费用昂贵，不适合普遍使用，但是这种方法从源头上保护了锅炉壁，效果非常好。

喷涂法可以很好地保护水冷壁，但是价格昂贵，因此人们想出一种替代方法，也就是使用一些耐高温、耐腐蚀的材料，用其构造水冷壁，将其与铁掺杂一起制作锅炉壁，减缓锅炉壁腐蚀速度，但是这种材料建造的锅炉壁强度不够，容易损坏。

最后就是本文讨论的贴壁风法，它可以有效防止锅炉水冷壁腐蚀。通过分析水冷壁腐蚀产生的根本原因，人们提出了这种方法，在水冷壁附近安装一个贴壁风装置，让其吹风，不断地利用新鲜空气去除还原性气体，形成空气保护罩，也可以阻拦灰尘等杂质附着在水冷壁上，从源头上避免化学反应。这种方法投入少而且效果良好，实用性强。

3 贴壁风法有效性分析

目前来说，贴壁风是解决锅炉水冷壁腐蚀的较为普遍的方法，这种方法使用简单，结构不复杂，结构如图2所示。

贴壁风法的最开始结构如图2（a）所示，锅炉壁上开个简单的缝隙让空气进入，解决锅炉内还原性气体过多的问题，方法简单，但是不容易控制风量。

如图2（b）所示，贴壁方法是在锅炉上开个小孔，然后在水冷壁上安装小风帽，开始时安装的小风帽结构不适合，导致容易烧毁，后续改进小风帽安装方式和大小，使之呈流线型，紧贴水冷壁外侧。这种方法占用的风量少，不会破坏锅炉内燃烧效果，并且安装在水冷壁外侧，不易烧毁且效果非常好，可以大大减小腐蚀率[3]。这种安装方式方便进行清灰操作，安装时就能够达到阻挡锅炉内灰尘的功效，在出风时进行吹灰操作，一举多得。

4 进风方式及贴壁风对锅炉贴壁气体的影响分析

4.1 数学模型

在锅炉工作时，煤粉通过分步组合操作而产生能量，具体流程有：输运颗粒相，加大锅炉的热量，使得煤粉能够充分燃烧，一些对应的物质一起参加反应，产生大量的辐射和热量，完成氮氧化物等生成和还原过程。本文用四角切圆锅炉作为试验对象，初步建立了一个可以模拟锅炉内煤粉的化学反应的数学模型。

这个模型主要分析炉内气相湍流流动，湍流模型制定了修正的模型;化学反应发生时，煤粉颗粒在参加反应的物质中占比不到10%，因此可以采用离散数学模型来模拟煤粉运动;虽然部分煤粉在运动时随着流动而分离出本体进行燃烧，但是双平行竞争反应模型可以反映脱离原本煤粉的那一部分，扩散控制燃烧模型可以较好地分析焦炭的燃烧过程，基于混合分数-概率密度函数模型则是分析气体物质燃烧的最佳选择;气体与固体之间的相互反应也能通过颗粒源项算法来进行解析;锅炉内反应产生的辐射也能通过相应的模型来演算。

为了更加详细地了解细微之处的变化，本研究将目标区域细分为一块块比较小的区域来观察实际的过程变化。为了避免计算中出现误差而导致量的分析出错，燃烧区域的设置和物质运动的方向要保持相同，再将这种设置细化，能够尽量完美地表示出这种反应。对于这种分析，必须加上各种限制条件，限制条件的求解可以构建一个方程式，求解可以采用迭代法，也可以采用其他方法。至于压力与速度，可用采样算法进行分析。

4.2 模型分析结果

在进行结果分析时，人们需要结合实际测量数据进行比对分析。本次试验采用四角切圆锅炉作为试验对象，其间需要采集热态测量数据，与模型分析数据进行对比。这种试验采用的几何模型、网格划分和数学模型能够尽可能地反映锅炉内部化学反应的全过程，能分析锅炉高温腐蚀工况。根据实际观察结果和模拟数据分析可以得出，水冷壁的高温腐蚀大致与锅炉内部温度、物质速度、气体成分和比例有关。

试验分析表明，贴壁风顺着锅炉内壁的方向进入，可以直接改变水冷壁附近的相关分布。为了了解不同贴壁风配风方式对水冷壁高温腐蚀的影响，采用锅炉内壁的某一截面作为参照对象来进行数据测量，通过模型得到的分析数据来进行比对分析。这块截面尽量选在锅炉内的重点燃烧区域，这样能够形成中心对称的局面，使得数据测量具有较高的可靠性和普遍性。锅炉燃烧工作时，内部的气体会以逆时针上升运动，对于选取的这一块截面而言，气流都是从左下角流向右上角。

随着反应的进行，产生的气体增多，锅炉内部的气流强度逐渐递增，贴壁风沿壁面方向的穿透力增强。选取的截面上，CD层燃烧器下方气流的强度和影响面积变得越来越大，但是增加强度是有限制的，而且增加过程较长。贴壁风在水冷壁上形成的气膜遮蔽面积变得越来越多。这种变化会影响其他贴壁风风量，例如，随着这一过程的进行，EE层贴壁风的风量开始慢慢地减小，CD层燃烧器上面气流的高流速区域面积大幅度减小，贴壁风对水冷壁的覆盖能力开始削弱。

贴壁风的作用之一是冷却烟气，但是在气流速度变得越来越高的区域，氧气稀缺，会导致不利影响。其中有一个重要的指标——CO含量，CO含量的高低能够表示烟气的还原性大小，同时CO与H2S之间也存在直接关系。当近壁烟气中CO含量较低（如小于0.03 mol/L）时，可以认为烟气处于弱还原性或接近中性气氛状态，此时H2S的含量较低，氧量不足，却也可以成功地阻止水冷壁发生高温腐蚀，大大延长其可用时限，避免造成更多的经济损失;如果锅炉内壁的CO浓度较高，烟气则会具有较强还原性，如果这时还产生大量H2S等气体，则会加快水冷壁高温腐蚀。因此，CO浓度变化是水冷壁高温腐蚀的主要气体影响因素。

受本研究对象四角切圆锅炉的内部结构影响，在主燃区后面的大部分区域，较高浓度的CO主要集中在右方。正如前述，选取的截面重点燃烧区域所产生的气体成逆时针上升，而在所选取截面的后方，左边物质进入锅炉内部时大致自左向右流动，与烟气流动方向一致。因此，这些物质在进行化学反应时所产生的气流穿透力会有很大的提升，这样强的气流足够将所选取截面上方的还原性气体吹散。右方进入的物质速度比左侧进来的物质的速度小得多，再者，锅炉内部燃烧产生的各种气体与之方向是相对的，这样又会大大削减它的还原性。

4.3 水冷壁周围物质的分布和浓度

本文采用的贴壁风配风方式会影响水冷壁周围的物质分布和浓度，例如选取的截面区域右方会有较高的物质浓度。由于进风口进去的风不會与锅炉内壁平行，因此一些煤粉颗粒进去时运动的量较少，这样就不会对锅炉内壁造成冲击。随着第一次进风的结束，锅炉内反应的开始和热量的增加会导致内部压强增大，煤粉和其他物质开始冲击锅炉内壁。另外，受流场的影响，水冷壁的物质分布开始出现一些有规律的分布。之后，CD层贴壁风量开始加大，这一层下方的物质分布会因此受到影响而开始减少，与之相反，EE层贴壁风量减少，这一层的物质分布则会增加。这会导致水冷壁周围的物质和气体出现一定的混合，这些气体中含有CO。通过这些反应，煤粉颗粒含量就会降低，达到防止锅炉壁腐蚀的目的。

5 结语

本次试验以四角切圆锅炉作为试验对象，进行模拟数值分析和实际观察测量，证明采取的方法对防止水冷壁高温腐蚀有一定作用。在水冷壁周围，锅炉内部燃烧产生的CO具有良好的还原性，这种气体对水冷壁的高温腐蚀作用极小，可以防止锅炉壁腐蚀。本研究采用的方法能够使锅炉内部的物质充分燃烧，有效减少NOx的排放。

参考文献：

[1]陈敏生，廖晓春.600 MW超临界锅炉防止高温腐蚀技术改造和运行调整[J].中国电力，2018（4）：56-59.

[2]孟凡冉，高畅，金保昇，等.异距贴壁风喷口布置方案的数值模拟[J].化工进展，2017（9）：3237-3242.

[3]关键，陈锡炯，项群扬，等.配风方式及贴壁风对锅炉贴壁气氛影响规律研究[J].电站系统工程，2017（3）：21-26.