燃用高硫煤工况锅炉腐蚀预防研究

文_郭志江 张杰 内蒙古京能康巴什热电有限公司

在我国的煤炭资源中，高硫煤的储量在全球排名第二。与低硫煤不同，低硫煤主要分布在东北、华北、西北等边远地区，高硫煤的分布范围广、成本低，是重工业、火力发电厂的常用燃料，但由于含硫量超过3%，所以即使采用了先进的脱硫技术，也会产生大量的硫化物，长期运行，造成环境污染和酸雨。目前，西北地区仍以四角切圆燃煤锅炉为主，由于采用了分级燃烧技术，使得主燃烧区进入了低氧状态，在还原气氛中，水冷壁区发生了严重的高温腐蚀。

1 燃用高硫煤产生高温腐蚀现象的原因

1.1 硫单质造成的腐蚀

高硫煤在炉膛中的燃烧，首先是黄铁矿被加热，要么是和碳不能完全燃烧，要么就是硫化氢本身分解；其次就是与氧，二氧化硫发生反应而得到的硫单质。这两种情况下得到的硫单质都不会受到金属的保护，而是会直接渗透到水冷壁的氧化膜上，导致水冷壁失去防御力，而硫化亚铁在高温下会产生硫化亚铁。在400℃的高温下，由于颅内的高温，会产生大量的二氧化硫，从而促进了硫单质的形成，从而加快了熔融过程。

1.2 硫化物造成的腐蚀

硫化物的腐蚀，通常是由硫化氢引起的。在超临界温度下，由于烟气中含烟量不足，使高硫煤在无氧状态下燃烧，产生大量的一氧化碳，使得空气中的硫化氢含量迅速增加，特别是在300℃以上时，它的侵蚀与内部的温度成线性相关，极易腐蚀高密度的三氧化二铁和磁性材料，从而导致水冷壁的高温部位受到严重的腐蚀。但若能将水冷壁的温度控制在300℃以下，则氢化硫化物的腐蚀速率将非常缓慢，几乎可以忽略不计。

1.3 硫酸盐造成的腐蚀

由于黄铁矿颗粒在壁温较高时，当接触到还原气体时，会生成大量的硫化物；由于炭化过程中，会有很多的氧被烧掉，所以在温度较高时，会加快其侵蚀速度。在高温条件下，将碱金属氧化物如氧化钠、氧化钾等进行净化，然后加入三氧化铁，硫酸钾和硫酸钠在受热的环境中凝固，形成硫酸钠和硫酸钾，极易溶于烟雾中。温度超过650℃时，硫酸钾盐和硫酸钠会在熔融状态下腐蚀管道，并在管道内生成复合型硫酸根，造成高温下的腐蚀。硫酸钠和硫酸钾在650℃时的耐蚀性比气相硫酸钾强。三氧化铁液和煤气的硫化作用是由不同的温度引起的。

1.4 含硫烟气对高温管壁的腐蚀

水冷却壁管的高温是由含硫烟气造成的，当炉膛附近的火焰温度超过1600℃时，其内部的矿物质会因为过热而沉淀下来，同时又有大气的存在；另外，由于受高温管道内壁的作用，侵蚀层厚度与壁面的关系是温度每上升50℃，侵蚀速率就会翻一番，从而加快了灰质层的沉淀。而且，所产生的硫化物能直接穿过金属层的保护层，沿着金属晶界向外渗透，对锅炉的水冷壁造成更大的侵蚀，同时造成氧化膜的松动、剥落。由于金属硫化物的腐蚀产物层与基质金属的体积比例较大，通常为2.5～4.0，从而导致了层间应力较大，导致腐蚀层的断裂。其熔点温度可达1195℃，且性能十分稳定，甚至在1000℃时也能与氢发生极小的还原反应，并能在还原气中维持稳定。在高温下，烟气中的氧化气体在达到一定的压力后，会慢慢地氧化为Fe3O4和SO2，而SO2能增加单质硫的活性，加快硫酸盐的腐蚀，从而进一步加剧腐蚀。在温度较高的情况下，会产生硫磺和游离的铁。

2 案例介绍

由于2020年2号机组锅炉检修时发现主燃烧区域前、后墙水冷壁和左侧墙水冷壁有轻微高温腐蚀情况，前、后墙较左侧墙明显。从2020年机组检修后启动至2021年10月份，2号锅炉经H2S实时测试调整后，适当的提高了锅炉氧量，并根据机组从低到高负荷段开大了EE和CCOFA-1二次风门。2021年2号机组10月份停机检修时，检查水冷壁高温腐蚀没有进一步扩展，从2021年7月份至2022年8月份脱硫入口SO2平均含量为2315mg/Nm3。而2021年10月份以来，入厂煤含硫量越来越高，10月份至今脱硫入口SO2平均含量为3531mg/Nm3。因此，为解缓锅炉主燃烧区域水冷壁高温腐蚀的速度，需进行相应的措施举动。

据历年对锅炉进行的受热面检测发现，两边墙体的水冷壁都有较大的腐蚀性。为从根本上解决高温侵蚀问题，本厂将于2021年在水冷壁的两边墙体上进行防锈喷涂。在每个级别的大修中，必须对侧墙的水冷壁进行防腐检验，以便为以后的锅炉配煤掺烧工作打下基础。

3 防控建议

3.1 设计方面

采用贴壁式结构，通过分析，发现采用四角切圆燃烧的锅炉，其燃烧室和燃尽风设置在了锅炉四个角的墙上，导致了四个角墙体中氧气含量降低，产生了一种还原氛围，从而导致了局部的高温侵蚀。由于采用了浓淡分离式间隔通风方式，使室内的气体进入到炉内，使侧壁区内的氧气含量增大，从而使炉膛内的还原气体发生变化，有效防止了旋流式喷嘴的粘附和壁面的烧损。

添加H2S的测量值。在容易发生高温侵蚀的地区，增加设置H2S数值监测点，对该地区的H2S数值进行监测，为运行人员进行燃烧、配风调整提供可靠依据。

增加壁温测点。利用锅炉检修机会，对锅炉各高温受热面增加壁温测点，通过锅炉壁温测点温度及时了解锅炉燃烧情况及各受热面温度是否存在偏差，有针对性的采取调整措施避免出现局部高温区和高温烟区。

利用检修机会，对易腐蚀受热面金属材质进行更换或增加防护衬，更换为抗腐蚀性能更强的材质或在易腐蚀区受热面增加防护衬，减少因腐蚀而导致的泄漏和爆管，降低检修维护费用。

3.2 设备维护方面

定期调节氧气的含量，定时调节风速度，并对磨煤机的出口煤粉细度、一次风压进行定期的检测，对严重偏差的磨煤机进行调整，以保证煤粉的分布；对风门的开启情况进行定期的检验，确保风门的开度要求。通过对燃烧系统的参数进行了优化，降低炉膛燃烧室内二次风流速，提高二次风流量，降低空气流量。

在易腐蚀区域金属受热面上采用喷涂物。利用逢停必检时机，在易腐蚀区域金属受热面采取喷涂抗腐蚀材料，从而来缓减燃用高硫分煤对锅炉受热面的腐蚀。我公司在锅炉受热面喷涂抗腐蚀材料后，起到了很好的缓减腐蚀作用。

3.3 运行调整方面

3.3.1 对给水质量进行严格的控制

给水质量是影响锅炉耐高温腐蚀的重要因素。如果对给水质量不进行严格的控制，则会导致水冷壁管中的污物，从而增大管道的热阻，阻碍传热，导致管道壁面温度升高，加快腐蚀过程。因此，在使用过程中，必须对锅炉给水质量进行严格的控制。

3.3.2 确保煤粉的细度

在高温下，煤粉细度对其耐蚀性的影响更为显著。一方面，煤粉较粗，不易熄灭，从而使火焰延长，再燃烧时，因氧气不足，形成还原气氛，导致高温腐蚀；另一方面，如果煤粉较粗，则其动量较大，很可能会直接冲蚀水冷壁，而磨损会加速水冷壁的保护薄膜，使腐蚀介质与管道内的金属发生直接的化学反应，加速了水冷壁的高温腐蚀。故在生产过程中，应合理地减少煤粉的粒径。

3.3.3 合理的配风

由于配风不当，造成了锅炉水冷壁的高温腐蚀，主要有两个原因：一是风量不充分，造成炉中氧气不足，造成了还原气氛，从而影响了水冷壁的高温腐蚀；另外，由于炉膛中的气流运动不佳，会产生一次风，使得未燃尽的煤粉粒子在水冷壁上摩擦，并在壁上燃烧，加速了高温腐蚀过程。可以在一定程度上增大燃烧区的空气供给，减少上部的空气供给。

3.3.4 合理掺配煤质

严格管理煤场，根据含硫量，对煤场煤种进行分片堆放，上煤时进行合理掺配，争取做到掺配均匀合理，煤质稳定，运行人员及时了解煤种含硫量，根据硫含量、及时对配风、氧量、燃烧做出调整，避免出现含硫量煤种忽高忽低，而加剧高温腐蚀的风险，最大程度上减少高温腐蚀。

4 结语

在高硫煤锅炉燃烧过程中，由于燃煤中的硫含量是不可避免的，所以水冷壁的壁温和周围的温度都不会低于600K，因此必须采取相应的措施。从内部机理、煤质的再处理、耐蚀材料的选用等多个角度出发，做好锅炉的耐蚀性和耐蚀性的保护，是解决高硫煤的主要问题。