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摘要：针对330 MW亚临界空冷燃煤火力发电机组，分析金相、理化指标、入炉煤质、锅炉燃烧工况对墙式再热器高温腐蚀的影响规律，找到锅炉墙式再热器高温腐蚀的原因，提出改进优化措施。结果表明，低氮燃烧器改造采用空气分级燃烧，可使NOx排放浓度降低30%~50%。炉内强还原氛围给锅炉运行带来的问题包括还原区大量腐蚀性气体破坏水冷壁表面的氧化铁保护膜，导致水冷壁出现严重的硫酸盐和硫化物类型的高温腐蚀；煤的灰熔融点温度随着炉膛内还原性气氛的增强而大幅度降低，造成水冷壁严重结渣，加速受热面高温腐蚀。锅炉受热面发生高温腐蚀后，壁厚减薄、强度降低，易造成爆管和泄漏，危及锅炉安全、稳定运行。由于入炉煤实际水分高、煤粉颗粒偏粗，造成燃烧器一次风率偏高，二次风率偏低，煤粉着火推迟，火焰行程增加，炉膛上部燃烧份额增加，热负荷增加，近壁区还原性气氛很强，为高温腐蚀创造条件。
关键词：燃煤火力发电机组；锅炉墙式再热器；高温腐蚀；低氮燃烧技术；空气分级燃烧
1引言
采用低氮燃烧技术改造后，燃煤火力发电机组的锅炉受热面频繁出现了高温腐蚀的问题[1-3]。因此有必要对锅炉高温腐蚀的影响因素和机理进行分析，并提出优化方案[3-5]。
本研究拟针对330 MW亚临界燃煤火力发电机组，分析金相、理化指标、入炉煤质、锅炉燃烧工况对墙式再热器高温腐蚀的影响规律，找到锅炉墙式再热器高温腐蚀的原因，提出改进优化措施。本文的分析有助于了解低氮燃烧器改造和空气分级燃烧的原理，以及加剧锅炉高温腐蚀的各种影响因素和机理。
2超低排放和低氮燃烧器改造的影响
为了满足超低排放的要求，火力发电企业控制NOx排放浓度的技术包括烟气SCR脱硝技术与低氮燃烧控制技术。低氮燃烧器改造内容包括增加贴壁风，增加燃尽风风量，纵向实施氧化还原区、还原区及燃尽区的三区布置，横向实时中心区、近壁区的双区布置。
燃烧控制技术主要采用空气分级燃烧或燃料分级燃烧，将燃料燃烧所需要的空气分级送入炉膛。通常将燃料燃烧所需总空气量的70%~90%送入主燃烧区，燃料在低氧条件下燃烧，控制热力型NOx生成，还能够还原部分燃料型NOx。将剩余的空气从距离顶层主燃烧器一定距离的燃尽风喷口送入炉膛内。主燃烧区未燃尽的可燃物成分在该区域相对低温和富氧条件下完全燃烧。主燃烧区和燃尽区之间为氧浓度极低的还原区，主燃烧区生成的NOx在该区域被CxHy、CO、煤焦及H2等还原物还原为N2。通过空气分级燃烧可使NOx排放浓度降低30%~50%。
炉内强还原氛围可降低NOx排放浓度，但也给锅炉运行带来问题，包括：
（1）还原区气体含有大量腐蚀性气体，如H2S、SO2等。这些气体在一定条件下极易破坏水冷壁表面的氧化铁保护膜，导致水冷壁出现严重的硫酸盐和硫化物类型的高温腐蚀。
（2）随着炉膛内还原性气氛的增强，煤的灰熔融点温度大幅度降低。这不仅会造成该区域水冷壁严重结渣，加速受热面的高温腐蚀。随NOx排放要求的日益提高，将进一步降低NOx排放浓度，不断增强空气分级程度，降低主燃烧区和还原区的氧量，加大燃尽风比例，使得水冷壁结渣和高温腐蚀问题更加突出。
我国80%以上燃用贫煤或其它高硫煤的大型电站存在不同程度的受热面高温腐蚀问题，采用空气分级燃烧技术后，受热面高温腐蚀问题变得更普遍。如果入炉煤含硫量不高，锅炉受热面发生高温腐蚀很可能是由于煤质发生变化导致一次风率偏高、煤粉变粗和燃烧异常。
锅炉受热面，例如再热器、水冷壁等，发生高温腐蚀后，壁厚减薄、强度降低，容易造成爆管和泄漏，使锅炉非计划停炉，危及锅炉安全、稳定运行。
3墙式再热器管外弧面麻点蚀坑原因分析
火力发电厂锅炉防磨防爆检查发现，在墙式再热器的前墙、左侧墙、右侧墙标高40~60 m区间的管排外弧及侧面，均出现大范围不均匀麻点、蚀坑现象，外观形貌如图1。
图1 墙式再热器管壁外弧面麻点蚀坑外貌
对墙式再热器的管壁向火焰侧的表面沉积物进行取样，从外表面、凹坑底部进行EDS能谱分析及表面沉积物XRD物相分析。沉积物EDS能谱分析结果表明，外表面沉积物主要成分包括O、Fe、S、C，外表面的S含量为1.96%，含量较低；凹坑底部S含量为2.7%，O含量在22.26%~25.15%。
对墙式再热器的管样进行金相微观组织分析，外表面、凹坑底部的金相组织均为铁素体和贝氏体，金相组织正常，球化等级为2.0级，属于轻度球化，外壁凹坑深度约0.3~0.4 mm。
实际入炉煤中硫元素的含量为0.78%，低位发热量Qnet,ar=16475 kJ/kg，水分Mar=26%，属于褐煤。褐煤的特点是易燃烧、水分高、灰熔点低、易磨损。锅炉在运行过程中，存在因受热面局部结焦而引起高温腐蚀的可能性。
飞灰及大渣成分分析报告显示，钠含量不高，钾含量相对高，Na2O、K2O成分之和为2%~2.5%。Na2O、K2O会造成墙式再热器上出现麻点腐蚀，但不会使墙式再热器管道出现大面积点状腐蚀。
设计煤质水分Mar=11%，实际水分Mar=26%。由于入炉煤实际水分高，造成燃烧器一次风率偏高，二次风率偏低，煤粉着火推迟，火焰行程增加，炉膛下部燃烧份额减小，上部燃烧份额增加。上部水冷壁区域的壁面热负荷增加，近壁区还原性气氛很强，很容易为高温腐蚀创造条件。
煤粉细度也是影响高温腐蚀的主要因素之一，由于大量掺烧低热值的劣质煤，锅炉输入热量保持不变的情况下，实际入炉煤量为设计煤质的1.4倍。满负荷工况下，仍保持磨煤机4运1备的运行方式，导致单台磨煤机的通风量大幅提高，煤粉颗粒偏粗，火焰行程增加，影响煤粉燃尽，炉膛上部燃烧份额和热负荷增加。大量的煤粉颗粒集中在水冷壁表面附近，使得上部水冷壁区域和墙式再热器区域发生高温腐蚀。
在实际运行调整控制中，存在氧量偏低和配风不优化现象，促使了局部还原性气氛的形成，与煤质等其它因素叠加，加重了墙式再热器区域的高温腐蚀。炉膛上部高温区在还原性气氛条件下，没有完全燃烧的游离硫和硫化物与金属管壁发生反应，形成管壁高温腐蚀。同时，在不稳定动力场中，颗粒随烟气流动，并冲刷再热器管壁，管壁上的保护膜不断生成和磨损破坏，加快金属管壁的高温腐蚀。
4结论
针对330 MW亚临界燃煤火力发电机组，分析金相、理化指标、入炉煤质、锅炉燃烧工况对墙式再热器高温腐蚀的影响规律，找到锅炉墙式再热器高温腐蚀的原因，提出改进优化措施。结果表明：
（1）低氮燃烧器改造内容包括增加贴壁风，增加燃尽风风量，纵向实施氧化还原区、还原区及燃尽区的三区布置，横向实时中心区、近壁区的双区布置。燃烧控制技术主要采用空气分级燃烧或燃料分级燃烧，将燃料燃烧所需要的空气分级送入炉膛。通过空气分级燃烧可使NOx排放浓度降低30%~50%。
（2）炉内强还原氛围给锅炉运行带来的问题包括：还原区大量腐蚀性气体易破坏水冷壁表面的氧化铁保护膜，导致水冷壁出现严重的硫酸盐和硫化物类型的高温腐蚀；煤的灰熔融点温度随着炉膛内还原性气氛的增强而大幅度降低，造成水冷壁严重结渣，加速受热面高温腐蚀。
（3）锅炉受热面，例如再热器、水冷壁等，发生高温腐蚀后，壁厚减薄、强度降低，容易造成爆管和泄漏，使锅炉非计划停炉，危及锅炉安全、稳定运行。
（4）由于入炉煤实际水分高、煤粉颗粒偏粗，造成燃烧器一次风率偏高，二次风率偏低，煤粉着火推迟，火焰行程增加，炉膛上部燃烧份额增加。上部水冷壁和墙式再热器区域的近壁区热负荷增加，还原性气氛增强，为高温腐蚀创造条件。
参考文献
[1]赵俊杰,罗立权，吴豪，沃海乔，叶华浩，王如良.过量空气系数对燃煤电站锅炉热效率和脱硝的影响[J].锅炉技术,2015,46(3)：30-34,39.
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论文作者:谢国峰,任杰,李建军,沈跃军,杨伟才,赵俊杰
论文发表刊物:《防护工程》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/28
标签：高温论文; 锅炉论文; 水冷论文; 炉膛论文; 金相论文; 煤质论文; 空气论文; 《防护工程》2017年第36期论文;