超临界锅炉水冷壁高温腐蚀分析及预防措施

表 ３ 煤样元素分析与工业分析 项目 Mａｒ Mａｄ Aａｄ 固定碳 Vｄａｆ 低位发热量 全硫 Sｔ
／％ ／％ ／％ ＦＣ／％ ／％ （／ ＭＪ／ｋｇ） ／％ ２ 号仓 ６．０ １．７２ ３１．８４ ４０．８４ ３８．５３ ２０．０１７ ０．６０ ７ 号仓 ５．８ １．２１ ３５．９３ ３７．５０ ４０．３４ １８．９３０ ０．４５ ８ 号仓 ５．２ ０．９８ ３５．１７ ４２．４４ ３３．５３ １９．６２８ ０．４８
司引进三井巴布科克能源公司 （Mitsui Babcock Energy Limited）技术生产。制粉系统采用 4 台双进 双出钢球磨煤机直吹式制粉系统。燃烧器采用三井 巴布科克公司的低 NOx 轴向旋流煤粉燃烧器技 术，前后墙对冲燃烧方式，共布置 4 层，每层前后各 有 4 只喷口。在最上层煤粉燃烧器上方布置了 1 层 燃尽风，前后墙角，布置 7 只喷口。锅炉主要设计参 数及设计煤种煤质情况如表 1、表 2 所示。
为了找到避免水冷壁发生高温腐蚀，且保证 锅炉稳定、高效燃烧的运行方式，进行了不同负荷 下的燃烧调整试验。试验过程中对水冷壁贴壁处 的烟气成分进行了测试分析，测点布置在腐蚀最 为严重的 C、D 层燃烧器之间的 B 侧水冷壁中间 位置。测试仪器为 Kane9106 型烟气分析仪 （英 国）。试验过程中锅炉运行正常，机组负荷、入炉煤 煤质、炉膛出口氧量等参数稳定。 2.1 额定负荷 600 MW 工况
O2 和 CO 含量。 2.2.1 炉膛出口氧量 3.5％的工况
随着负荷的降低，入炉煤量下降，引、送风机 出力可以满足炉膛的需氧量，省煤器出口氧量也 随之增加。图 4 为省煤器出口氧量在 3.5％时的水 冷壁贴壁处的 CO 和 O2 含量的测量曲线。从图 4 中可以看出，此时水冷壁贴壁处氧量基本在 2％左 右波动，最低值也要大于 0.5％，CO 的百分含量也 明显低于 0.5％，表明该工况下的配风方式不会造 成水冷壁的高温腐蚀。
煤中的硫 60％以上以黄铁矿（FeS2）的形式存 在。煤粉燃烧时，FeS2 会受热分解，释放出自由硫 原子：
FeS2＝FeS＋[S] 当 水 冷 壁 周 围 存 在 一 定 浓 度 的 H2S 和 SO2 时，也会生成自由的硫原子： 2H2S＋SO2＝2H2O＋3[S] 在还原性气氛中，[S]可以单独存在，附着在水 冷壁上。在壁温达到 350 ℃时会与 Fe 发生反应， 生成 FeS： Fe＋[S]＝FeS 而且这种反应速度随着壁温的升高迅速加 快。 从该电厂锅炉大修检查中发现：在水冷壁上存 在这种单质硫，而且具有一定厚度，可进一步判断 该高温腐蚀为还原性气氛造成的硫化物型高温腐 蚀。 此外，H2S 气体也可以直接对管壁进行腐蚀： H2S＋Fe＝FeS＋H2 H2S 气体也可以与 FeO 反应： H2S＋FeO＝FeS＋H2O 即 H2S 会破坏 Fe3O（4 Fe2O3－FeO）中的 FeO，从 而破坏 Fe3O4 的致密性，导致单质[S]进一步向内扩 散，加快腐蚀。 从上述高温腐蚀的机理可以看出，煤中硫含 量较高是发生高温腐蚀的充分条件。当煤中硫的 含量 Sar<0.4%时一般不会发生高温腐蚀，因为此时 生成的 H2S、[S]浓度较低，不会对水冷壁造成明显 的腐蚀效果；当煤中硫的含量 Sar>1%时就要注意 调整燃烧方式，合理配风，防止高温腐蚀的发生。 煤粉在缺氧条件下燃烧将生成 CO 等还原性气氛， 因此通过水冷壁贴壁处的烟气中 CO 含量大小的 测量可直接反应烟气还原性的强弱；氧气是破坏 上述还原性气氛的有效物质，因此根据烟气中氧
的含量也可判断还原性氛围是否形成。 从上面的机理分析还可以看出：对于四角切
圆燃烧的锅炉，当炉内空气动力场组织不好时，四 周水冷壁都可能发生高温腐蚀；而前后墙对冲的 锅炉，由于煤粉很难靠近前后墙水冷壁燃烧形成 还原性气氛，往往前后墙腐蚀程度要比侧墙轻很 多，或者基本不发生腐蚀。
２ 从试验结果分析腐蚀原因
炉膛出口负压受到限制会导致送风机出力也 受到限制，即无法为锅炉燃烧提供充足的氧气。该 负荷下省煤器出口氧量最高只能达到 2.1％左右， 平均出口氧量为 1.67％，与设计值 3.35％（对应过 量空气系数1.19，见表 1）有较大距离，如图 2 所 示。该负荷下曾试图通过调整各层二次风风压来 调整 C、D 层燃烧器之间的氧量，使该区域腐蚀减
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１ 高温腐蚀机理
水冷壁的高温腐蚀一般表现为硫化物型腐 蚀，即煤粉在缺氧条件下燃烧时生成原子态的硫 和硫化物，它们与金属基体铁及铁的氧化物反应， 生成铁的硫化物，造成高温腐蚀[1-5]。腐蚀严重的区 域一般位于燃烧器区域的中部和下部，腐蚀产物 呈黑褐色，外层松软，内层坚硬，在剥落硬层后，垢 状物与水冷壁的结合面处呈孔雀蓝光泽。
４．７９ ４．５４ ４．３１
再热器出口蒸汽压力 ／ＭＰａ
４．６０ ４．３６ ３．３７
再热器进口蒸汽温度 ／℃
３０４ ２９９
２８６
ห้องสมุดไป่ตู้
再热器出口蒸汽温度 ／℃
５６９ ５６９
５６９
燃料消耗量 （／ ｔ／ｈ）
２６４．３ ２５３．４ １７８．５
省煤器出口过量空气系数
１．１９ １．１９ １．１９
注：ＢＭＣＲ 为锅炉最大连续蒸发量，ＢＲＬ 为锅炉的额定工况。
表１ 锅炉主要设计参数
表 ２ 设计煤种分析
名称
ＢＭＣＲ ＢＲＬ ７５％ＢＭＣＲ
过热蒸汽流量 （／ ｔ／ｈ）
１９５５ １８６２ １２４８
过热器出口蒸汽压力 ／ＭＰａ
２５．４ ２５．２８ ２０．６３
过热器出口蒸汽温度 ／℃
５４３ ５４３
５４３
再热蒸汽流量 （／ ｔ／ｈ）
１５９０ １５１０ １０４６
再热器进口蒸汽压力 ／ＭＰａ
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了。特别是当燃用煤质较差的煤时，该临界点还会 提前。 2.3 入炉煤特性的影响
试验过程中对入炉煤进行取样分析，结果如 表 3 所示。从表 3 中可以看出，试验用煤总体煤质 较好，挥发分、热值较高，硫分较低，高温腐蚀倾向 较低。由于当前煤炭供应紧张，很难保证入炉煤的 品质；当燃用品质较差的煤时，特别是低挥发分、 高硫分的劣质煤时，要注意控制炉膛出口氧量，不 能低于对应负荷下的临界值，否则容易发生高温 腐蚀。
名称 收到基碳 ／％ 收到基氢 ／％ 收到基氧 ／％ 收到基氮 ／％ 收到基硫 ／％ 收到基灰 ／％ 收到基全水 ／％ 干燥无灰基挥发份 ／％ 收到基低位发热值 （／ ｋＪ／ｋｇ）
符号 Ｃａｒ Ｈａｒ Ｏａｒ Ｎａｒ Ｓａｒ Ａａｒ Ｍａｒ Ｖｄａｆ Ｑｎｅｔ．ａｒ
设计煤种 ５３．２０ ３．２２ ５．５１ ０．８７ ０．８６ ２８．９５ ７．３９ ３５．９０ ２０ ６２０
额定负荷下引风机出力达到最大值，炉膛出 口负压只能维持在－15 Pa 左右，有时还会出现微 正压的情况，最高正压达到 36 Pa，与常规同类型 锅炉的炉膛出口负压－100±50 Pa 有相当的距离， 如图 1 所示。建议对引风机的选型、空预器漏风与 堵灰、尾部烟道漏风、电除尘烟道阻力等情况进行 检查，保证炉膛出口在正常负压范围内运行。
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轻，但各种配风方式均未能达到目的。整个试验过 程中 O2 含量始终为 0，CO 的含量始终达到仪器最 大量程 2.8％，如图 3 所示。实际上，此时过量空气 系数偏低，导致炉膛里存在多处“缺氧”燃烧状态， 即整个炉膛贴壁处都处在一种还原性气氛下，如 果入炉煤中硫的含量较高就非常容易造成高温腐 蚀，这一点可从炉膛前后墙也存在轻微高温腐蚀 的实际情况中得到验证。
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超临界锅炉水冷壁高温腐蚀分析及预防措施
Ｔｈｅ ｒ ｅａｓｏｎ ａｎｄ ｐｒ ｏｔｅｃｔｅｄ ｍｅａｓｕｒ ｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅ ｃｏｒ ｒ ｏｓｉｏｎ ｏｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｏｌｅｄ ｗａｌｌ ｏｆ ｓｕｐｅｒ － ｃｒ ｉｔｉｃａｌ ｂｏｉｌｅｒ
图 ５ 省煤器出口氧量为 ３．０％时的测量结果
2.2.2 炉膛出口氧量 3.0％的工况 进一步调整送风机动叶开度，改变二次风量，
使省煤器出口处氧量稳定在 3.0％左右，测试水冷 壁处的 CO 和 O2 含量，测试曲线如图 5 所示。从图 5 中可以看出，此时水冷壁贴壁处氧量较低，最大 值为 0.1％，有时还会出现 0 的情况；CO 的含量较 高，均值约 0.8％，最低在 0.6％左右。严格来说，该 工况也不会发生高温腐蚀，但已经是处于是否发 生高温腐蚀的临界点。此时如果再进一步降低炉 膛氧量的供给，水冷壁就有发生高温腐蚀的倾向
某 600 MW 前后墙对冲燃烧方式的超临界锅 炉在大修中发现两侧墙主燃烧器区域的水冷壁发 生了较为严重的高温腐蚀，在 1.5 年的运行时间里 最大腐蚀厚度接近 1 mm，炉膛的前后墙水冷壁也 有轻微的高温腐蚀现象。锅炉型号为 HG1955/25.4－ YM1 型，超临界、变压运行直流锅炉，单炉膛、一次 再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全 悬吊结构 Π 型锅炉。由哈尔滨锅炉厂有限责任公
图 ２ ６００ ＭＷ 下省煤器出口氧量
图 ４ 省煤器出口氧量为 ３．５％时的测量结果
图 ３ ６００ ＭＷ 下水冷壁贴壁处 ＣＯ 与 Ｏ２ 含量
2.2 负荷 500 MW 工况 该负荷下，A、B 层二次风小风门开度基本处
在100％的全开位置，以提高燃烧器区域初期燃烧 需氧量，C 层小风门开度在 65％左右，D 层小风门 开度在 45％左右；通过调整送风机动叶开度来改 变锅炉送风量。试验过程中，炉膛出口负压基本维 持在－15 Pa 左右，偶尔出现微正压的运行情况，但 引风机电流有所降低，出力可以进一步提高。考虑 到试验过程中可能进一步提高省煤器出口氧量的 运行方式，因此炉膛出口负压仍设在－15 Pa 后投 自动。根据省煤器出口氧量的不同，试验分成 3.5％和3.0％两个工况，测试侧墙水冷壁贴壁处的