350MW超临界锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及对策

华能应城热电有限责任公司 王 强 肖青云 王 伟

随着环保标准的提高，燃煤锅炉都配有低氮燃烧器；随着煤价的不断上涨，掺烧高硫煤也成为必然趋势。无论低氮燃烧技术的应用还是高硫煤的掺烧，都使受热面高温腐蚀成为了燃煤锅炉不可避免的共性难题。董琨、艾晨辉等分析了锅炉燃用高硫煤的高温腐蚀问题[1-2]；张翔等对锅炉水冷壁高温腐蚀进行探讨探讨[3]；应冬军、童家麟等分析了掺烧高硫煤对锅炉的影响及运行优化[4-5]；目前研究的水冷壁高温腐蚀多位于高负荷区，水冷壁大面积普遍腐蚀。本文针对国内某电厂350MW锅炉螺旋水冷壁高温腐蚀多集中在水冷壁炉膛吹灰器附近区域且位于水冷壁管上部的特点，分析了高温腐蚀的原因并提出相应改造方案及对策，为锅炉的实际改造提出可行性建议，降低因螺旋水冷壁高温腐蚀而停炉的安全隐患。

1 设备概况

某电厂350MW机组为东方电气股份有限公司生产的DG1130/25.4-II2超临界对冲燃烧直流炉，燃烧器采用东方锅炉股份有限公司自行设计的外浓内淡型低NOx旋流煤粉燃烧器，炉膛水冷壁分上下两部分，下部水冷壁采用全焊接的螺旋上升膜式管屏，上部水冷壁采用全焊接的垂直上升膜式管屏，螺旋段水冷壁盘绕管圈的倾角为15.7041°，管子节距为55mm，采用六头上升角60°的内螺纹管，管子规格Φ38.1×7.5，材质为SA-213T2。

该锅炉检修中发现，燃烧器层两侧墙中部水冷壁存在着不同程度的高温腐蚀，炉膛吹灰器能够吹扫到之处尤为严重，其管壁减薄非常明显，已临近最小计算壁厚，而该腐蚀与常见的腐蚀略有不同，该处高温腐蚀发生在锅炉螺旋上升水冷壁的每个水冷壁管的上部，其下部及表面只是非常轻微甚至无高温腐蚀发生（图1）。

2 导致高温腐蚀的要素

根据燃煤锅炉水冷壁发生高温腐蚀的案例，其腐蚀原理基本为还原性气氛下的硫化物产生高温腐蚀。导致腐蚀的因素主要有水冷壁壁温、入炉煤质成分、水冷壁壁面区域的还原性气氛等条件[6]。

金属壁温。水冷壁壁温与硫化氢腐蚀速度成正比，在水冷壁温度为410～480℃的范围内时，温度每升高10℃时腐蚀速率平均增加0.4～0.5g/(m2·h)。若因水冷壁管内部结垢或其他原因导致水冷壁管导热降低，均会使水冷壁壁温升高，加快水冷壁高温腐蚀[7]。

入炉煤质成分。入炉煤质的好坏是导致高温腐蚀的主要因素，煤质成分中若挥发分低，就会导致着火和稳燃困难，燃尽度差，使煤粉火焰延长。部分煤粉在一、二次风的携带下，会在整个炉膛水冷壁壁面附近开始燃烧，水冷壁壁面附近的煤粉燃烧时形成欠氧区，因而在水冷壁附近会形成还原性气氛以及较高浓度的H2S，产生高温腐蚀[8]。研究表明[9]，入炉煤含硫量越高高温腐蚀越严重，煤质含硫量越高、燃烧产生的游离态硫及带有腐蚀性的H2S含量越高，高温腐蚀越严重。

水冷壁区域还原性气氛。炉膛主燃烧器层欠氧燃烧形成以CO为主的还原性气氛，而还原性气氛往往会导致高温腐蚀，随着还原性气体CO增加，腐蚀性气体H2S的含量也相应迅速增加，加快高温腐蚀[10]。

3 螺旋水冷壁高温腐蚀原因分析

3.1 电厂实际燃用煤质分析

原锅炉设计煤种为70%华亭烟煤与30%郑州贫煤的混煤，近年来受煤炭市场及公司能源政策的影响，该锅炉开始掺烧高硫贫煤，其与设计煤种的煤质对比分析为：全水份（Mt）5.02%、12.72%，空气干燥基水份（Mad）0.42%、7.60%，收到基灰分（Aar）32.79%、17.67%，可燃基挥发分（Vdaf）19.4%7、33.02%，收到基含硫量（St,ar）3.13%、0.93%。与设计煤种相比，掺烧煤种的水分和挥发分较低，但灰分和硫分较高，硫分高达3.13%。掺烧高硫煤加快了水冷壁高温腐蚀。

3.2 电厂水冷壁高温腐蚀外观检查分析

经现场检查，该厂燃烧器层侧墙吹灰器区域水冷壁存在着较为严重的高温腐蚀现象，其腐蚀处特点非常明显，即在水冷壁与鳍片焊接处呈现明显的条形带状。很显然，这种被腐蚀的条形带是由未燃尽焦炭颗粒集落在该处后（图2），其未完全燃烧反应持续发生所生成的H2S等腐蚀性气体所引发的，集落在水冷壁上的焦炭颗粒的可燃物含量越高、硫含量越高，高温腐蚀就会越严重。

该锅炉目前通常选2～3套制粉系统掺烧贫煤，其与烟煤的掺烧方式为炉前掺混方式，煤烟与贫煤的掺混比例为1.5：1或2：1，进入炉内后，烟煤抢先燃烧并消耗掉绝大部分氧量，使贫煤煤粉颗粒在燃烧初期处于未完全燃烧状况，其燃尽过程非常迟缓，导致其焦炭颗粒可燃物含量高于单套制粉系统的燃烧器单纯燃烧贫煤时的焦炭颗粒的可燃物含量。这种焦炭颗粒集落到螺旋水冷壁上继续燃烧，引发的高温腐蚀及其速率将大于单纯燃用贫煤时焦炭颗粒所引发的高温腐蚀及其速率。

由上述分析进一步推论，锅炉在燃用高挥发分烟煤时，燃烧初期即可达到90%以上的燃尽率，贫煤却只有60%左右的燃尽率，当贫煤与烟煤掺烧时其燃尽率更低，低于50%。显而易见，高燃尽率的烟煤焦炭颗粒即便集落在水冷壁上，其引发的腐蚀速率将远小于燃用含硫量相同的贫煤焦炭颗粒集落在水冷壁上所引发的腐蚀速率，该锅炉螺旋水冷壁高温腐蚀与掺烧高硫贫煤关系较大。

3.3 炉膛吹灰对水冷壁高温腐蚀的分析

由上述特点及分析可知，该锅炉的高温腐蚀主要是由未燃尽焦炭颗粒集落在水冷壁上造成的，当腐蚀层形成后，对高温腐蚀的进一步发展有一定的阻碍作用，其腐蚀速度应小于金属材料直接暴露在腐蚀气氛中的腐蚀速度。但当腐蚀层被吹灰蒸汽吹扫后，新的金属壁面又直接与腐蚀气氛接触，如此反复其腐蚀速度远大于未吹扫处，这就是吹灰器附近水冷壁管壁减薄非常明显的主要原因。

4 防范措施

根据水冷壁高温腐蚀的形成因素，该锅炉掺烧的贫煤尽量为低硫贫煤。可考虑采用某套制粉系统单独分仓磨制贫煤，这样可提高贫煤煤粉颗粒初期的燃尽程度，进而可减轻因未燃尽焦炭集落在水冷壁上而引发的高温腐蚀的腐蚀速率。

在有高温腐蚀发生的条形带的鳍片上加装特殊的小风帽沿高温腐蚀条形带进行吹扫（无需像贴壁风那样对水冷壁区域进行全面的吹扫），以改善其壁面气氛，防止高温腐蚀。此外，如能吹扫携带走集落在水冷壁壁面上的焦炭颗粒，则可彻底消除该处的高温腐蚀。与目前通用的小风帽贴壁风技术相比，采取这种特殊的小风帽技术可大大减少小风帽的数量及改造的工作量，使其具有较强的可操作性，同时可大大减少入炉的无组织风量，将小风帽技术预防高温腐蚀的代价降到最低；对高温腐蚀条形带进行防腐喷涂，即只沿高温腐蚀的条形带上进行喷涂，喷涂的条形带覆盖住高温腐蚀的条形带即可，无需进行整个水冷壁管壁的全面喷涂。

可考虑进行该锅炉的专项试验研究：研究适度降低燃尽风率的可行性，以提高煤粉燃烧初期的燃尽程度，进而减轻高温腐蚀的程度；研究降低一次风率的可行性，以降低锅炉的NOx排放，抵消燃尽风风率降低后对NOx排放的影响；研究单套制粉系统单独燃用贫煤（包括高硫贫煤）的可行性，增加贫煤燃烧初期的燃尽率，进而减轻因其焦炭颗粒集落在水冷壁上引发的高温腐蚀；在不影响炉膛结渣情况的条件下，研究降低吹灰频次的可行性。最终通过试验研究结果得出能够减轻炉内高温腐蚀、结渣及减排增效的更适用于该锅炉的运行方式。