1000 MW燃煤机组监测炉膛CO/H2S改善高温腐蚀的策略研究

侯 刚

（国能重庆万州电力有限责任公司，重庆 404027）

燃煤机组作为能源生产的主要部分，在保障能源供应方面发挥着重要作用。然而，在燃煤机组的运行过程中，由于燃料中硫和氧的存在，炉膛内会产生一定量的CO 和H2S，这两种物质在高温下具有强烈的腐蚀性，会对炉膛材料产生腐蚀，从而影响到机组的运行效率和设备的使用寿命。因此，对炉膛内CO 和H2S 的生成及其对炉膛的腐蚀机理进行深入研究，且根据这些理论基础，提出并实施有效的防腐策略至关重要。

1 CO/H2S与炉膛高温腐蚀的关系

在燃煤电厂中，煤炭燃烧产生的副产品，如CO和H2S 在炉膛内的存在与炉膛材料的高温腐蚀间存在密切的关系。这种腐蚀现象不仅会对炉膛的结构稳定性产生影响，还会对整个电厂的运行效率、安全性和寿命造成重大威胁。

CO 和H2S 在高温下均能与炉膛材料发生化学反应，这种反应会产生腐蚀性的化合物，如CO2和SO2，它们均具有强烈的氧化性，能够加速炉膛材料的氧化过程，进而引起腐蚀。

CO 在高温下能与炉膛内的金属材料发生反应，生成金属氧化物和CO2。这种反应过程中，金属元素的氧化将导致炉膛材料的机械性能下降，尤其是硬度和韧性，使得材料的抗冲击能力降低，易发生破裂、脱落等问题。

而H2S 在高温下能与金属元素反应生成硫化物，如FeS，这类硫化物在高温下易发生二次反应，生成硫酸盐，这些硫酸盐具有很强的腐蚀性，会加剧炉膛材料的腐蚀程度。此外，H2S 还可能参与其他一些腐蚀反应。例如，H2S 可能与燃煤机组炉膛内部的氧气反应，生成SO2，这种气体在与水蒸气接触后会生成硫酸，硫酸具有强烈的酸性，会对炉膛材料产生严重的酸性腐蚀。

从这些腐蚀反应中可看出，CO 和H2S 的生成与炉膛材料的高温腐蚀间存在紧密的联系。这种联系不仅体现在两者的直接反应上，也体现在它们引起的一系列复杂化学反应过程中。这些复杂的化学反应过程，既涉及金属材料的氧化反应，也涉及硫、氧、水蒸气等多种化学元素和化合物的参与。

因此，要有效控制炉膛的高温腐蚀问题，就须从源头上控制CO 和H2S 的生成。这就需深入了解煤炭燃烧过程，优化燃烧条件，尽量减少CO 和H2S 的生成。同时，也需不断提高炉膛内CO 和H2S 的监测技术，及时发现并处理腐蚀问题。

2 炉膛CO/H2S监测技术

对于燃煤电厂而言，炉膛内CO 和H2S 的有效监测是避免高温腐蚀、保证电厂运行稳定性和效率的关键。目前，市场上主要存在两种监测技术：在线监测和离线监测，这两种监测方式各有优势，同时也存在一定的局限性。

2.1 在线监测技术

在线监测技术是一种实时监测技术，主要通过在炉膛内安装传感器来实时获取CO 和H2S 的浓度数据。在这种方式下，一旦发现CO 和H2S 浓度超标，可立即调整运行参数，减少CO 和H2S 的生成，从而有效控制炉膛的高温腐蚀。在线监测技术的优点主要表现在以下几个方面。

（1）实时性。在线监测可实时获取炉膛内的气体浓度，能够及时发现问题并采取措施，避免因CO 和H2S 浓度超标导致的严重腐蚀。

（2）连续性。在线监测可连续获取炉膛内气体浓度的变化情况，可清楚了解到CO 和H2S 浓度在一段时间内的变化趋势，有助于分析和预测腐蚀风险。

（3）便利性。在线监测无需人工参与，可减少人工错误，并且节省了大量的人力和物力。

然而，在线监测技术也存在一些局限性：①设备稳定性。由于炉膛内温度较高，传感器的稳定性和寿命成为制约在线监测的主要因素。尤其是在高温、高湿、高压的燃煤电厂炉膛环境下，设备稳定性问题更为严重。②准确性问题。在线监测虽然可实时获取数据，但由于环境复杂，设备稳定性问题，以及一些未知的干扰因素，可能会影响数据的准确性。

2.2 离线监测技术

离线监测主要是通过定期取样，然后在实验室内进行分析。离线监测技术主要包括气相色谱法、红外光谱法、拉曼光谱法等。

离线监测的优点主要体现在以下几个方面。

（1）准确性。离线监测在实验室条件下进行，可通过严格的实验操作和精确的仪器设备来获取更准确的数据。

（2）全面性。离线监测不仅可获取CO 和H2S 的浓度，而且可获取其他可能对炉膛高温腐蚀产生影响的气体，如SO2、NOx等的浓度，可更全面地了解燃煤燃烧过程和炉膛内环境。

然而，离线监测也存在一定的局限性：①时效性。由于不能实时获取数据，存在一定的时间滞后性，可能会错过一些突发的炉膛内气体变化。②操作复杂。离线监测需通过专业人员进行样品的取样、运输和分析，操作相对复杂，也可能由于操作过程中的人为因素影响数据的准确性。

2.3 综合监测技术

在线监测和离线监测各有优势与局限性，因此，现代燃煤电厂通常会采用综合监测策略，结合在线监测和离线监测的优点，实现更准确、更及时的炉膛内气体监测。具体来说，可通过在线监测获取实时的CO 和H2S 浓度数据，并及时调整运行参数，从而有效防止炉膛的高温腐蚀。同时，通过定期进行离线监测，获取更准确、全面的炉膛内气体浓度和成分信息，有助于分析煤炭燃烧过程和炉膛环境的变化，为优化运行参数提供数据支持。

总的来说，无论是在线监测，还是离线监测，或是综合监测技术，其最终目的都是为更准确、更及时地获取炉膛内CO 和H2S 的浓度数据，通过有效的监测和控制CO 与H2S 的生成，来减少炉膛的高温腐蚀，提高燃煤电厂的运行效率和安全性。

3 改善高温腐蚀的策略

3.1 燃烧优化

对于燃煤机组来说，燃烧过程的优化是改善炉膛内CO 和H2S 生成并减轻其对材料高温腐蚀影响的重要策略之一。

3.1.1 低氧燃烧

低氧燃烧是一种有效降低燃烧污染物排放、提高燃烧效率的方法。通过降低燃烧所需的氧气浓度，可减少燃料中硫和氧元素生成CO 与H2S 的机会，进而降低其对炉膛的腐蚀影响。然而，过低的氧浓度可能导致燃烧不充分，释放的热量减小，这可能对电厂的运行效率产生负面影响。因此，低氧燃烧的实施需考虑氧浓度和燃烧效率的平衡。

3.1.2 燃料的选择和预处理

选择低硫燃料和进行燃料预处理是另外两种有效的燃烧优化策略。低硫燃料在燃烧过程中生成的H2S较少，对炉膛的腐蚀影响较小。而燃料预处理，如燃料洗选、煤质改良等，可去除燃料中的部分硫分和其他有害元素，也有助于降低CO 和H2S 的生成。

3.1.3 燃烧器设计和操作优化

燃烧器的设计和操作优化是燃烧过程控制的关键。优化设计的燃烧器可保证燃料和氧气的充分混合，提高燃烧效率，减少CO 和H2S 的生成。此外，通过调整燃烧器的运行参数，如燃烧器的出口温度、燃料和氧气的流速等，也可进一步优化燃烧过程。

3.1.4 燃烧稳定性保证

保证燃烧的稳定性是另一个重要的策略。不稳定的燃烧会导致燃烧温度、氧气浓度等参数的波动，增加了CO 和H2S 的生成，对炉膛的腐蚀产生更大的威胁。通过技术手段，如先进的控制系统和传感器，可实时监测并调整燃烧状态，保证燃烧的稳定性。

3.2 材料改进

燃煤机组炉膛的高温腐蚀问题，除了源头上控制CO 和H2S 的生成外，另一个重要的改善策略是优化炉膛的材料。对于面临高温、高压和具有腐蚀性气体环境的炉膛来说，材料的选择和处理极为重要。

3.2.1 抗高温腐蚀材料的选择

材料的选择是对抗高温腐蚀的关键策略之一。理想的炉膛材料需有良好的热稳定性、机械性能和耐腐蚀性。例如，某些高温合金、耐热钢等具有优秀的耐高温腐蚀性能。这些材料中的元素如铬、镍等，能够在表面形成一层致密的氧化物膜，阻止或减少CO 和H2S 与材料的反应。然而，这些材料的成本相对较高，且在某些极端条件下可能无法满足需求。

3.2.2 表面处理技术

表面处理技术是另一个提高材料抗腐蚀能力的有效策略。表面处理技术主要包括涂层、渗层、喷涂等，能够在材料表面形成一层防护膜，抵抗CO 和H2S 的腐蚀。例如，热喷涂技术可在材料表面形成一层稠密的陶瓷或金属合金层，这些涂层具有良好的耐腐蚀性和热稳定性。而一些新型的表面处理技术，如激光熔覆、离子渗透等，也表现出良好的抗腐蚀性能和应用前景。

3.2.3 材料性能的实时监测和维护

实时监测材料性能的变化并进行必要的维护，是保证材料性能稳定的重要措施。通过设备如热电偶、红外线测温仪等，可实时监测炉膛内的温度和材料的状态，从而提前预防或发现潜在的腐蚀问题。当发现材料性能下降或有腐蚀迹象时，可及时进行维护和修复，如清理腐蚀产物、补充防护涂层等，以恢复材料的性能。

3.3 化学处理

化学处理是指通过添加化学物质来改变炉膛内的化学环境，从而抑制CO 和H2S 的生成，或减少它们对炉膛材料的腐蚀作用。其具体应用有：①脱硫技术。在燃煤燃烧过程中添加脱硫剂，可在燃烧阶段将硫化氢转化为硫酸盐或其他易处理的形式，从而减少硫化氢的生成。②抗氧化剂。通过添加抗氧化剂，可抑制炉膛内金属材料的氧化过程，从而降低由于CO 引起的氧化腐蚀。

3.4 应用新型抗腐蚀技术

随着科技的进步，一些新型的抗腐蚀技术，如纳米技术、超临界流体技术等也开始在燃煤机组中得到应用。①纳米技术。利用纳米技术制备纳米抗腐蚀涂层，不仅可提高涂层的附着力和耐磨性，而且可有效抵抗高温下的CO 和H2S 腐蚀。②超临界流体技术。超临界流体可提高脱硫效率，有效减少硫化氢的生成。

4 结束语

在面对燃煤机组炉膛的高温腐蚀问题时，本研究对CO 和H2S 的生成与腐蚀作用进行了深入的理论研究，并结合现有的监测技术，提出了一系列具有实施价值的改善策略。这些策略涵盖了燃烧优化、材料改进、化学处理及应用新型抗腐蚀技术等多个方面。

总的来说，通过对CO 和H2S 的监测和控制，可有效改善燃煤机组炉膛的高温腐蚀问题，提高电厂的运行效率和安全性，延长设备的使用寿命。未来，还需进一步研究和开发更高效、更可靠的监测技术和防腐策略，以适应电厂运行环境的复杂性和变化性。同时，也期待能够通过深入的实践和应用，验证和优化这些防腐策略的实际效果。