低氮燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀原因及对策研究

低氮燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀原因及对策研究

摘 要：燃煤锅炉在实施低氮燃烧技术改造以后，可有效降低

NOx排放量，

但是也会提高炉膛水冷壁管高温腐蚀率。某发电公司锅炉在进行了低氮燃烧改造后，产生相对严重的水冷壁高温腐蚀问题，同时导致爆管现象发生。文章对低氮燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀的原因展开分析，并提出针对性的处理对策，为燃煤锅炉的安全稳定运行提供有价值的参考意见。关键词：低氮燃烧；锅炉水冷壁；高温腐蚀；原因剖析；处理对策随着社会的进一步发展和对环保要求的提高，对火电厂大气污染物排放提出了更加严格的要求。为了达到环保要求，国内很多火电机组锅炉已经相继进行低氮燃烧改造，以达到降低

烟气NOx排放浓度的效果。

锅炉进行低氮燃烧改造后，主燃烧器区域氧量比改造前显著减少，近水冷壁区域长时间处于一种还原性的气氛中，会大大增加水冷壁高温腐蚀的概率。某发电公司锅炉低氮燃烧改造后，运行不长时间便产生了严重的水冷壁高温腐蚀问题，最终导致爆管现象的发生。1 水冷壁高温腐蚀现象及原因分析1.1 概况

某发电公司300 MW机组配备SG—1165/17.5—M743型号的锅炉，属于亚临界压力参数及控制循环汽包锅炉，其结构为单炉膛、燃烧器摆动调温、平衡通风、一次中间再热、紧身封闭、固态排渣、全钢架悬吊结构。锅炉配置五台ZGM95G—Ⅱ型中速磨煤机和正压直吹制粉系统。锅炉进行了低氮燃烧改造，主要是应用空气分级燃烧技术，燃烧器包括3个部分，分别是主燃烧器区、燃尽区、还原区，并设置了一次风喷口（5层）、分离燃尽风喷口（4层）、二次风喷口（7层）。

锅炉完成了低氮燃烧改造，运行一年后，发生了炉膛水冷壁爆管的问题，爆管位置位于27 m标高后墙A侧往B侧方向的第55根管。爆管的同时，检查发现水冷壁管存在高温腐蚀和管壁减薄问题，主要是水冷壁22—28 m标高的部位，同时四面墙向火侧也产生了高温腐蚀问题。通过及时抢修，更换了发生爆管的水冷壁管，同时将减薄严重的水冷壁管进行更换，管子的

规格为φ60 mm×6.3 mm内螺纹管，

材质为SA210-C。1.2 原因分析

通过现场检查分析，观察到水冷壁管向火侧减薄情况非常明显，同时发现向火侧管面呈现出坑穴状的形貌，而且管外部出现一层较厚的沉积物。将管壁沉积物剥落后，呈现出黑色。为明确管壁表面的氧化皮元素，采取扫描电镜能谱检测其中的一根水冷壁氧化皮外表面。检测结果显示，氧化皮剥落后管壁表层的主要元素是O，S等，而氧化皮的主要成分为FeS，FeSO4，Fe3N及Fe2O3。

作者简介：张新波（1980— ），男，河南巩义人，工程师，学士；研

究方向：研究方向热能动力。

广州环投花城环保能源有限公司 张新波

一般情况下，燃煤锅炉水冷壁高温腐蚀包括硫酸盐型高温腐蚀、氯化物型高温腐蚀、硫化物型高温腐蚀、还原性气体所导致的高温腐蚀等几种形式。水冷壁高温腐蚀很大一部分是硫化物型腐蚀，主要原因是缺氧状态中的煤粉燃烧期间，产生原子态硫、硫化物，跟金属基体铁、铁之间产生明显的氧化物，最终出现铁硫化物。这也被现场取样的水冷壁管化验结果验证。燃用高硫煤是大部分锅炉出现水冷壁高温腐蚀的重要因素，但不是所有燃用高硫煤的锅炉都会形成水冷壁高温腐蚀。燃用低硫煤的锅炉，同样也会出现水冷壁高温腐蚀的现象，特别在低氮燃烧运行期间，高温腐蚀的概率会增加。水冷壁产生高温腐蚀的条件，主要是近壁区域具有较高的温度，属于还原性气氛，含硫颗粒或气体冲刷管壁部位并黏附在管壁上。

燃煤锅炉低氮燃烧环境下，会减小主燃烧器周围氧浓度，形成较高的近壁部位还原性气氛。加之煤粉细度过大，同时入炉煤质较差的情况下，导致煤粉推迟着火，水冷壁管被没有燃尽的含硫煤粉颗粒冲刷，在高温状态下出现高温腐蚀的问题。

近些年来，此锅炉入炉煤质较差，各参数均达不到设计值，包括灰分、挥发分及发热量等。入炉煤变差后，满负荷工况需要的燃煤量大约为180 t/h，由于制粉系统出力不足，运行期间需要通过提升磨煤机通风量来提高制粉量。结果导致一次风率严重偏离设计值，即最大一次风率为38%，远超过22%的设

计值，且煤粉细度也超过设计值。为更好地减少NOx排放，

过度关小二次风门导致二次风射流刚性削弱，降低了一次风和二次风掺混成效。另外因煤粉细度过大及一次风量过大，煤粉着火延缓，进而使没有燃尽的含硫煤粉颗粒对水冷壁构成冲刷，形成高温腐蚀。2 解决策略和成效

为解决锅炉水冷壁高温腐蚀爆管、NOx排放质量浓度过高以及飞灰含碳量较高等问题，需要有针对性的对锅炉制粉系统、燃烧系统进行优化，从而解决威胁锅炉安全经济运行的问题。

在锅炉制粉系统中，通过对磨煤机磨辊及衬板进行改造，提高磨煤机出力。通过二次风喷口合理改造，加装贴壁风喷口，对炉内空气动力场进行优化。通过对入炉煤掺配方案的科学调整，提高发热量，降低硫分。在不改变入炉煤质的基础上，通过提升磨煤机碾磨出力，从而有效减少磨煤机入口风量，同时可以积极改善煤粉细度，使煤粉具有良好的均匀度。优化了煤粉着火速度的同时，促进煤粉尽快燃尽，从而降低飞灰含碳量。通过减小磨煤机通风量，可以使一次风率有效降低至设计值，减少NOx的生成。

通过一次风调平试验，保障一次风射流不出现偏斜以及刷墙的情况。通过开展空气动力场试验，对炉内切圆形态进行检查，同时，提供给锅炉热态燃烧调整有价值的指导。在经过相应的试验以后，四角射流所组建切圆非常规整，具备理想的充满度。并且一次风刚性充分，无刷墙贴壁情况，达到设计标准。优化改造结束以后，通过开展专项燃烧优化调整试验，检测炉

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探索研究科学大众·Popular Science2019年1月

膛水冷壁贴壁气氛。

CO，H2S几种含量，贴壁检测贴壁气氛的指标涉及O2，

气氛参数对比统计结果如表1所示。经减小煤粉细度，增加贴壁风喷口，在低氮燃烧的状态中，近壁部位还原性气体浓度

从而显著降低炉膛水冷壁高温腐蚀削弱，H2S含量显著降低，

率。

表1 贴壁气氛参数对比统计结果

参数O2/%CO/%H2S/μL·L-1

优化之前

测点10.077.5242

测点20.169.60425

测点30.0814.40580

另外，对不同负荷工况参数（210 MW，260 MW，300 MW，320 MW）展开比较，并测量尾部烟道空气预热器入口部位的

NOx，取样分析空气预热器出口飞灰。结果烟气CO以及O2，

如表2所示。在不改变炉膛出口氧量基础上，燃烧状况显著

飞灰含碳量显著改善，不同负荷NOx排放浓度均显著降低，

减小。

优化之后

测点40.0311.80477

测点11.050.23-测点21.170.58227

测点30.821.20293

测点40.930.45189

表2 取样分析空气预热器出口飞灰统计结果

参数

210

O2/%CO/%飞灰含碳量/%NOx/mg·Nm-3

2.9154.4475

优化之前

负荷工况参数/MW2603.6135.6452

3002.9126.3419

3203.0197.0409

2103.2113.1346

优化之后

负荷工况参数/MW2603.2103.5367

3002.5134.5345

3203.7144.2355

锅炉燃烧优化改造实施一年后，停炉时对前墙、后墙27 m标高部位水冷壁管厚度进行了检测。统计结果表明，原高温腐蚀区域部位管壁厚度未见显著改变，且管壁厚度减薄速度控制

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锅炉运行安全经济性得到在合理的范围内，低于0.5 mm/10h，

了保障。3 结语

综上所述，通过采取措施有效提升磨煤机出力，对燃烧系统实施科学的优化，改善了炉内燃烧状况，一方面降低了锅炉

另一方面很好地解决了锅炉水冷NOx排放浓度和飞灰含碳量，

壁高温腐蚀的问题，具有较高的应用推广价值。[参考文献][1]徐国群，陈国庆.对冲旋流燃烧锅炉炉膛壁面氛围数值模拟分析[J].电力科技与环保，2017（6）：44-48.

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