燃高硫无烟煤超超临界W火焰锅炉受热面高温腐蚀应对措施

龚 超，刘宇钢，易泽中，易广宙，杨学权

（1.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 成都 611731；2.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731）

0 引言

我国煤炭储量丰富，也是无烟煤生产和消费第一大国［1］。无烟煤用于大型火力发电机组是其主要应用方式之一，由于其难着火、难燃尽的特点，常采用W 型火焰燃烧方式，通过煤粉在炉膛内向下喷入、再转折向上，增加了煤粉在炉膛内的火焰行程，提高了煤粉燃烧效率。国内首台高效超超临界机组于2015 年投运［2］，其供电煤耗低于272 g/kWh，而配套W 火焰锅炉的火电机组普遍为超临界参数，其煤耗指标普遍较高，为进一步提高燃用无烟煤发电机组经济性，降低机组碳排放量，提高机组参数是有效措施之一。

我国部分地区无烟煤含硫量较高，如西南地区，提高机组参数后，锅炉高温级受热面壁温水平也相应提高，其发生高温硫腐蚀的风险也进一步提高。为应对燃高硫无烟煤的W 火焰锅炉参数的进一步提高，对锅炉水冷壁及高温级受热面硫腐蚀进行分析，并提出工程应对措施。

1 防止受热面高温腐蚀研究现状

1.1 锅炉高温腐蚀研究现状

万丛、王恩禄等人［3］总结了不同高温腐蚀类型及机理，受热面高温腐蚀主要包括硫酸盐型高温腐蚀、硫化物型高温腐蚀、还原型高温腐蚀、氯化物型高温腐蚀及钒氧化物型高温腐蚀等。

李强对某超临界锅炉水冷壁区域高温腐蚀产物进行了化验分析，其结果表明水冷壁高温腐蚀属典型的硫化物腐蚀，并研究了在水冷壁侧墙设置贴壁风减缓水冷壁高温腐蚀的可行性［4］。

李萍、李安娜等人［5］研究了不同温度条件下SUPER304H 材质的腐蚀特性，在650 ℃时腐蚀过程以高温氧化为主，提高温度至750 ℃时，加速了挥发性产物的形成以及腐蚀的深入发展。

成丁南、张知翔等人［6］对不同超临界锅炉用材进行了腐蚀试验研究，HR3C、SUPER304H 和TP347HFG等均有较强的抗气相高温腐蚀能力，但在气相和熔盐两相腐蚀中，其腐蚀速率加快，上述三种材质的抗气相和熔盐两相腐蚀能力减弱。

在高效超超临界锅炉燃用高硫煤方面，东方锅炉联合南昌航空大学进行了大量的试验研究，并已有批量的燃高硫煤超超临界锅炉投运［7］，见表1。汪元奎、刘光明等人［8］研究了SUPER304H 和HR3C 涂覆实际燃高硫煤电厂的煤灰和合成煤灰高温腐蚀行为研究，研究结果表明，由于Cr 含量的增加，HR3C的耐蚀性明显优于SUPER304H，在电厂煤灰环境中，两者的腐蚀产物均为Fe2O3、Cr2O3和FeCr2O4。张民强、黄丽琴等人［9］研究了SUPER304H 涂覆信源和榆能电厂两种不同硫酸盐含量的煤灰后的腐蚀行为，研究结果表明，在高温烟气和煤灰协同作用下，铁、镍、铬及其氧化物在合金表面熔盐中的溶解是造成合金耐蚀性降低的原因。

表1 燃高硫煤的高效超超临界锅炉

1.2 受热面高温硫腐蚀机理

根据相关研究，燃高硫煤锅炉受热面的高温腐蚀主要有硫化物高温腐蚀及硫酸盐高温腐蚀［3］。

硫化物高温腐蚀是由H2S 与受热面管子表面铁基氧化膜及元素铁发生反应，反应生成FeS，随后在有氧环境下可进一步生成Fe3O4。由于硫化物高温腐蚀的反应温度一般在350 ℃左右，一般发生在锅炉水冷壁管表面。

硫酸盐高温腐蚀是由煤炭中的碱金属氧化物Na2O、K2O，与烟气中的SO3反应生成硫酸钠和硫酸钾，气态的硫酸钠和硫酸钾遇到较冷的受热面时便会凝结，其沉积速度和烟气及壁面的温度梯度有关。硫酸盐腐蚀主要有两种途径，其一种是有硫酸盐参与的气体腐蚀，受热面上熔融的硫酸盐吸收SO3，并在Fe2O3、Al2O3的作用下，生成复合硫酸盐（Na，K）（Fe，Al）（SO4）3，当K3Fe（SO4）3和Na2Fe（SO4）3混合物中K 和Na 的摩尔比在1∶1 与4∶1 之间时，熔点降至552 ℃。当硫酸盐沉积厚度增加、管子表面温度升高至复合硫酸盐熔点温度时，Fe2O3氧化膜便被复合硫酸盐溶解破坏，使管壁继续腐蚀。另一种是碱金属的焦硫酸盐腐蚀，在附着层中有熔点较低的焦硫酸盐时，会形成反应速度更快的熔盐型腐蚀［10］。

1.3 受热面高温腐蚀影响因素

锅炉水冷壁管壁温一般较低，其易发生硫化物型高温腐蚀，研究结果表明，水冷壁发生高温腐蚀的影响因素主要有煤质含硫量、水冷壁区域烟气气氛、火焰冲刷等。

蔡勇、张兴龙等人研究了水冷壁的硫化物型高温腐蚀机理，发现入炉煤含硫量、氧量、贴壁风和燃尽风配置等因素影响水冷壁的腐蚀程度［11］。

陈杰、姜波等人研究了1 000 MW 超超临界锅炉水冷壁高温腐蚀的原因主要为煤质变化、炉膛缺氧燃烧、火焰偏斜、一二次风调节特性差等［12］。

锅炉高温级受热面，如高温过热器和高温再热器所处的烟气温度较高、烟气环境也较为复杂，其受热面材质等级也较高。目前，超超临界锅炉过热器和再热器常用的材质有SA-213T91、SA-213T92、SA-213TP347H、SUPER304H和HR3C。

研究结果表明，高温级受热面发生硫酸盐高温腐蚀的影响因素主要有：管子表面碱金属氧化物含量、烟气中SO3浓度、受热面表面是否有铁基氧化膜及合适的反应温度［3］。

管子表面的碱金属氧化物主要来源于煤灰中的Na2O、K2O等。

烟气中的SO3主要来源于燃料中的硫，燃料中大部分硫都氧化成SO2，其中大约有0.5～5%氧化成SO3。

受热面管壁表面铁基氧化膜主要为Fe2O3，在高温腐蚀反应初期生成的焦硫酸盐与Fe2O3发生反应，从而破坏管子表面氧化膜，生成更易与铁元素发生反应的复合硫酸盐。

熔融硫酸盐对金属壁面的腐蚀随着壁面温度的增加而加剧，硫酸盐的熔点与碱金属的种类、比例和SO3的浓度等有关，腐蚀速率最大时的温度为硫酸盐形成速率比分解速率快的温度点［10］。

2 工程应对措施

2.1 预防水冷壁高温腐蚀应对措施

从上述水冷壁高温腐蚀的影响因素分析可知，控制水冷壁区域还原性气氛、防止火焰刷墙可以抑制水冷壁区域硫化物型腐蚀。对于燃用高硫煤的超超临界W 火焰锅炉，水冷壁高温腐蚀主要发生在炉拱及其至燃尽风之间区域，其防治措施可参考超临界W火焰锅炉，在工程应用中，主要有以下措施。

1）抑制水冷壁区域还原性气氛。由于W 火焰锅炉独特的燃烧方式，其二次风主要从拱下送入炉膛，优化二次风送入方式，在整个下炉膛前后垂直墙和翼墙均匀地向炉膛供风，在水冷壁表面形成氧化性保护区，可有效地减缓水冷壁的高温腐蚀。同时在锅炉冷灰斗与侧墙交界处以及冷灰斗落渣口处设置贴壁风，也可以减缓水冷壁的高温腐蚀。

2）防止火焰刷墙。优化炉拱与水平方向角度、燃烧器与水平方向角度，以形成良好的火焰，同时合理控制最边上燃烧器距离侧墙的距离，可避免火焰冲刷水冷壁，进而减缓水冷壁的高温腐蚀。

3）水冷壁喷涂。水冷壁喷涂是一种被动的水冷壁防高温腐蚀措施。目前水冷壁喷涂应用较广的有超音速电弧喷涂工艺，喷涂材料为45CT合金丝材。

2.2 预防高温级受热面腐蚀应对措施

从上述高温受热面硫酸盐腐蚀机理的影响因素分析可知，只要控制了上述任一反应条件，就可以抑制硫酸盐型高温腐蚀发生。因此，对于燃用高硫煤的超超临界W火焰锅炉，在工程应用中，主要通过合理控制高温级受热面金属壁温、避免高温级受热面硫酸盐沉积、在高温腐蚀速率较高的区域采用Cr 含量较高的金属材料等。

2.2.1 合理控制受热面金属壁温

在控制受热面金属壁温方面，主要从烟气侧和蒸汽侧两方面考虑。

烟气侧偏差主要控制沿锅炉宽度方向的烟气温度偏差，尤其是机组在变负荷过程中磨煤机的切停使得炉内热负荷分布发生变化［13］。合理控制磨煤机旁路风开度、合理投入磨煤机台数、煤粉管道的热态调平等措施，均可减小锅炉沿宽度方向的热偏差。

工质侧偏差控制主要包括同屏管间偏差控制和不同屏偏差控制。对于燃用高硫煤的超超临界W 火焰锅炉，其再热蒸汽温度较高，在采用现有超超临界锅炉高温级受热面成熟用材SUPER304H 和HR3C满足强度要求外，还需合理控制受热面壁温偏差高点，降低受热面发生高温腐蚀的风险。

国内首台1 050 MW 高效超超临界锅炉，在过热器和再热器采用超超临界锅炉成熟材质SUPER304H和HR3C 的基础上，同时采用精准壁温偏差控制技术，成功实现将锅炉出口再热汽温提高至623 ℃［2］。

图1 为国内某1 000 MW 高效超超临界锅炉（再热蒸汽温度623 ℃）高温再热器在最大连续蒸发量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR）负荷时的实测壁温分布。从图中可以看出：沿锅炉宽度方向的壁温偏差较小；同屏管圈中，不同管子的壁温偏差较小；不存在壁温偏差高点。

图1 某1 000 MW高效超超临界锅炉高再壁温分布

超超临界W 火焰锅炉高温级受热面工质侧偏差控制可以借鉴常规煤粉锅炉，可采取的措施有：合理控制各级受热面吸热比例、减少高温再热器焓增，精细化的节流孔设计及制造，集箱之间采用大管道连接并左右交叉，优化集箱规格和型式、加强集箱内部的混合效果等。

2.2.2 避免高温级受热面硫酸盐沉积

根据研究，锅炉烟气中的气相硫化物对材料的高温腐蚀速率有限，HR3C、SUPER304H 和TP347HFG等材质均有较强的抗气相高温腐蚀能力，但在气相和熔盐两相腐蚀中，其腐蚀速率加快［5］。SUPER304H在硫酸盐含量较低的实炉煤灰中形成了相对致密、保护性良好的Cr2O3氧化膜，而在硫酸盐含量较高的实炉煤灰中，腐蚀产物分层剥落严重，在腐蚀层/基体界面形成了富含Cr和S的腐蚀层［8］。

如重庆某超临界对冲炉，锅炉实际燃用川渝地区高硫煤，收到基全硫为3.62%，实际运行中屏式过热器SA-213T91 管子发生了较为严重的腐蚀，经腐蚀产物能谱检测，腐蚀主要为硫酸盐型腐蚀。而发生腐蚀的区域主要为吹灰盲区，而在吹灰器覆盖的区域，SA-213T91管子未发生严重的沾污及腐蚀［14］。

因此，及时地清除高温级受热面上的沾污灰，防止硫酸盐在受热面上沉积，保持受热面清洁，也是防治高温级受热面腐蚀的有效措施。燃高硫煤的超超临界W 火焰锅炉高温级受热面吹灰器可考虑无死角吹灰布置，具体吹灰器布置可参考图2。

图2 高温级受热面区域吹灰器布置

2.2.3 受热面合理选材

超超临界锅炉高温级受热面（主要指屏式过热器、高温过热器、高温再热器）炉内段常用的材质为SUPER304H 和HR3C，SUPER304H 在高温下具有良好的机械性能、抗蒸汽氧化和耐热腐蚀的性能［15］。HR3C 是在TP310 的基础上研制出的一种奥氏体不锈钢，其铬含量高，与其他耐热奥氏体钢相比，该材料具有优良的蠕变断裂强度和更好的抗蒸汽氧化和抗烟气腐蚀性能［16］。

东方锅炉联合南昌航空大学等单位对SUPER304H和HR3C 的高温腐蚀进行了大量的实验研究［8-9，17］，研究结果表明，SUPER304H 在硫酸盐含量较低的实炉煤灰中形成相对致密、保护性良好的Cr2O3氧化膜，腐蚀动力学表现为轻微增重，腐蚀速率较小，HR3C 相比SUPER304H 具有更好的耐腐蚀性能。因此，燃高硫煤超超临界W 火焰锅炉高温级受热面也可以借鉴已投运工程，综合考虑工程造价及高温腐蚀，合理选材。表2 为已投运的某燃用高硫煤高效超超临界对冲炉高温级受热面炉内段选材，该项目已成功投运6年。

表2 某燃高硫煤的高效超超临界锅炉受热面选材

3 结语

受热面高温腐蚀是制约燃高硫煤的超超临界W火焰锅炉发展的因素之一。本文在总结高温腐蚀机理及影响因素的基础上，提出了燃高硫煤的超超临界W火焰锅炉防治高温腐蚀的工程应对措施。

通过抑制水冷壁区域还原性气氛、防止火焰刷墙及水冷壁喷涂可有效减缓水冷壁高温腐蚀。通过烟气侧及工质侧措施，合理控制高温级受热面壁温偏差，可有效降低壁面温度对硫酸盐腐蚀的影响。通过合理的吹灰器布置，及时清除高温级受热面上的沾污灰，使高温级受热面保持清洁，可有效减轻硫酸盐对受热面的腐蚀。

HR3C 和SUPER304H 材质已被工程证明可以用于燃高硫煤的高效超超临界锅炉，在合理控制受热面壁温、有效吹灰防止硫酸盐在受热面上沉积的基础上，合理采用HR3C 和SUPER304H 可提高受热面的整体抗腐蚀能力。