关键词：水冷壁；燃烧器；硫腐蚀；烟气；失效
1引言
为了控制锅炉燃烧装置尾部排放烟气中的NOX含量，减少其后部脱硝装置的压力，以空气分级燃烧技术为特征的低氮燃烧器广泛地应用于电站锅炉。这种燃烧器的原理是：在主燃烧区的过量空气系数维持在0.85，燃料着火后在欠氧条件下燃烧，生成具有还原性的CO气体和焦炭，抑制NOX的生成，并将NO还原。随着上层燃烬风的补入，过量空气系数增加，未燃尽的燃料在燃尽区充分燃烧。
由于在主燃烧区为欠氧燃烧，其所形成的还原区域，使灰熔点降低，易在附近的水冷壁结焦。特别是在燃用高硫煤时，燃烧器区域的水冷壁将出现高温硫腐蚀，使炉管失效爆管。
2水冷壁高温硫腐蚀失效的发生机理
2.1腐蚀机理
关于锅炉水冷壁管的硫腐蚀主要发生在烟气侧热负荷较高区域。燃煤中硫含量高是引起水冷壁管外侧高温烟气腐蚀的主要因素，当硫含量超过1%时就容易发生硫腐蚀。
水冷壁管的硫腐蚀分硫化物腐蚀、硫酸盐腐蚀和焦硫酸盐腐蚀。
一般来说，水冷壁管的高温腐蚀是管壁附近因欠氧燃烧形成还原性气氛引起的，腐蚀速度随温度升高而增加。即熔融状态的煤粉在炉膛水冷壁管附近开始分离，使碳和硫聚集在边界层。由于缺氧局部形成还原性气氛，硫的燃烧和三氧化硫的形成便发生困难，因而游离态的硫和硫化物(硫化氢等)，便开始与铁发生反应，使管壁产生硫化物腐蚀。
水冷壁管的高温腐蚀属严重硫化物型腐蚀，腐蚀反应包括氧化和硫化反应，其过程如下：
煤粉中的黄铁矿(FeS2)受灼热分解，产生自由态的硫原子。
FeS2=FeS+S
管壁周围存在一定浓度的H2S和SO2，也会生成自由的硫原子。
2H2S+SO2=2H2O+3S
分解出来的硫，由于缺氧，硫的燃烧和SO3的形成比较困难，便会与管壁金属反应生成FeS。
FeO+H2S=FeS+H2O
生成的FeS进一步氧化就生成了Fe3O4，将水冷壁腐蚀，在管子外壁形成腐蚀层，即通常所说的氧化皮。
3 FeS+5O2=Fe3O4+3SO2
腐蚀使水冷壁管向火侧外壁不断减薄，也使生成的楔形裂纹中充满着硫化铁和氧化铁等腐蚀产物。
当燃烧不良或脉动火焰冲击炉墙时，会形成高温和燃料过剩的环境，由此而产生低熔点的钠或磷的硫酸盐，特别是燃用低灰熔点且欠氧燃烧时，易在水冷壁管上结成酸性焦渣。此时，管子换热能力下降，壁温升高，硫酸盐融化时产生的SO3和烟气中的SO3向焦渣层内扩散，使管子表面的氧化铁保护层破坏，而造成金属腐蚀。这种腐蚀类型为硫酸盐型腐蚀，外观形貌为沿圆周方向不同形状的沟槽式裂纹，且深入管内。
2.2水冷壁失效机理
锅炉水冷壁管在运行时会遭受低周（由启停引起的热应力）、中周（由汽膜的反复出现和消失引起的热应力）和高周（由振动引起的）交变应力而发生疲劳损坏；当热负荷高时，管壁超温导致材料的疲劳强度严重下降，即水冷壁由于吸收炉膛中高温火焰和烟气的辐射热量，引起管内介质密度或位置的变化，使金属的温度发生交替变化，金属也就交替地膨胀或收缩，在金属内部就会引起交变应力，在这种交变应力的作用下，引起塑性变形的积累损伤而产生疲劳裂纹。在高温下，金属的强度相对较低，其应力振幅可以超过材料的屈服极限，每次循环产生的局部塑性变形较大，这样即使只经过较少的循环次数，仍然会萌生热疲劳裂纹。
3影响因素分析及对策
3.1原因分析
水冷壁高温硫腐蚀一般与多种因素有关，主要因素如下：
3.1.1燃用煤质的影响
对于大型锅炉水冷壁高温硫腐蚀主要发生在燃用贫煤以及低挥发分烟煤，特别是高硫煤种的锅炉。当硫含量超过1%时就容易发生硫腐蚀。例如，WF电厂2台300MW机组入炉煤含硫量平均1.8%，运行1万小时（不到2年）即出现水冷壁大面积腐蚀失效，腐蚀区为主燃烧区偏上部。
3.1.2燃烧器结构及运行调整的影响
据一些大型电厂运行经验，贴近壁面氧量低于2%时，腐蚀会明显加剧。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因腐蚀区的氧量较低，即煤粉在欠氧环境燃烧，产生大量还原气体CO，还原性气氛易产生低灰熔点产物，以焦渣形式附着在水冷壁上，并腐蚀炉管。
空气分级燃烧的低氮器为了将燃料燃烧后产生NOX还原成无害的N2，在主燃烧区采用欠氧燃烧技术，如果配风调整不当，或炉内动力场不当，都会形成水冷壁高温硫腐蚀环境。
3.2预防措施
高温硫腐蚀的速率与管壁温度，管壁结焦，硫化物、氯化物的浓度以及还原性气氛的强弱有关。为适应燃料煤的多样性，需采取如下预防措施：
3.2.1改进燃烧器结构，减轻结焦及腐蚀
低氮燃烧器主要有两种技术形式，即空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术。因其投资和运行成本相对较少，并能有效降低烟气净化装置入口NOX浓度，因此，在我国电厂锅炉中，空气分级燃烧作为辅助措施而被广泛使用。
低氮燃烧器的主燃烧区的过量空气系数仅0.85，为避免该区域的水冷壁结焦，可对燃烧器进行局部改进，如粉嘴加周界风或在靠近水冷壁一侧加可调的由二次风引入的侧边风，形成风幕，从而保护水冷壁。
在炉膛结构不能改变情况下，燃烧器的高度和布置区域，可以使燃烧器区域有合理的热强度qr（区域壁面热强度qr.h和区域容积热强度qr.v。）。区域壁面热强度qr.h和反映该区域放热、吸热的平衡关系。燃烧器区域热强度qr.v可以反映燃烧时火焰分散与集中情况，表征了该区域的温度水平。
区域壁面热强度 qr.h=BQd/3600Uhr MW/m2
区域容积热强度 qr.v=BQd/3600Fhr MW/m3
式中 B ————燃料消耗量，kg/h;
Qd————燃料低位发热量，MJ/kg;
U ————炉膛横截面周长，m；
F ————炉膛横截面面积，M2。
hr———— 燃烧器高度（上喷口上边缘至下喷口下边缘距离），m；
qr值越大，说明火焰越集中，区域温度高，有利于燃烧。但qr值过高，没有足够的水冷壁来吸收热量，容易引起附近区域结焦。反之，qr值过低，不利于煤粉的着火和燃烧。对于烟煤qr.H选择1.4~2.32MW/m2。
在改进布置燃烧器时，应选择合理的高度，并可使喷嘴角度调整来适应煤种变化。
3.2.2 有良好的炉内空气动力工况
良好的炉内速度场和压力场的分布，避免火焰直接冲刷炉墙，是保证炉膛不结焦安全工作的重要条件。
3.2.3合理调整运行参数及配风
保持合理的一二次风速、风量，过量空气系数和煤粉细度，避免缺角、缺风运行。通过主燃烧区侧边风的调整，以及燃尽风的调整，保护水冷壁安全运行和煤粉的充分燃烧。通过喷口角度及各层风量的调整，调节火焰中心位置和稳定燃烧。
3.2.4及时清理受热面焦渣
炉内结焦是一个自加剧过程，一旦发生，受热面传热恶化，炉内烟气温度和结焦层表面温度都增加，加上渣焦表面粗糙，会使结焦愈演愈烈。因此运行中应及时清除焦块，检修时应彻底进行清除。
3.2.5燃烧器区域水冷壁喷镀保护层
对燃烧器区域水冷壁管采用热渗铝管或在原管进行喷涂镍基合金保护层，可有效防护水冷壁的高温腐蚀。
4结论
通过对水冷壁高温硫腐蚀产生的机理、原因以及影响因素进行分析，有针对性地提出预防及改进措施。进而提高了锅炉安全、可靠性，保证炉组平稳运行。
参考文献：
【1】贾鸿祥，朱兆雪，电厂锅炉原理 电力工业出版社.
【2】刘武成, 侯桂林，史明武. 现代锅炉技术及其改造. 中国电力出版社2006.
【3】张亚明, 董爱华，许素琴，3号锅炉水冷壁管腐蚀破口失效分析，中国科学院金属研究所
论文作者:韩宏智
论文发表刊物:《中国电业》2019年14期
论文发表时间:2019/11/18
标签：水冷论文; 结焦论文; 区域论文; 锅炉论文; 高温论文; 燃烧器论文; 烟气论文; 《中国电业》2019年14期论文;