锅炉水冷壁高温腐蚀

大型锅炉水冷壁高温腐蚀调研报告上海锅炉厂有限公司二○○二年三月十五日石洞口电厂#1炉改造方案审查技术文件上海锅炉厂有限公司1目录1．前言………………………………………………………………22．产生高温腐蚀的机理和条件……………………………………23．高温腐蚀发生在大型贫煤锅炉上的主要原因…………………34．大型锅炉水冷壁高温腐蚀的部位及预防措施…………………55．水平浓淡分离燃烧技术在防止高温腐蚀方面的应用…………76．石洞口电厂#3、#4炉改造情况…………………………………117．大型锅炉炉内水冷壁发生高温腐蚀的判据……………………148．结论………………………………………………………………15石洞口电厂#1炉改造方案审查技术文件上海锅炉厂有限公司21．前言我国许多地方的电厂，不少燃用无烟煤、贫煤、劣质烟煤的大型锅炉投运后，炉内水冷壁都不同程度的存在高温腐蚀。这种情况，无论是在我国上海、哈尔滨、东方三大锅炉厂自行设计制造的锅炉，还是在国外日本三菱、法国斯坦因、英国巴布科克、加拿大巴威等公司设计制造的锅炉，其燃烧器高温区域，水冷壁都有高温腐蚀现象发生，而且遍及各种炉型。以水循环方式分，有自然循环、控制循环和直流锅炉；以燃烧方式分，有四角切圆、前后墙对冲和W型火焰燃烧器等许多典型设计。通过调研，我们发现水冷壁管壁腐蚀速度一般为0.8~1.5mm/104h，腐蚀后的管壁减薄形貌较多，一般是分层减薄，而管壁向火侧减薄较快。2．产生高温腐蚀的机理和条件在燃煤锅炉中，高温腐蚀分三种类型：硫酸盐型、氯化物型和硫化物型。硫酸盐型腐蚀主要发生高温受热面上；氯化物型腐蚀主要发生在大型锅炉燃烧器高温区域的水冷壁管上；硫化物型腐蚀主要发生在大型锅炉水冷壁管上。水冷壁的高温腐蚀通常是由这三种类型腐蚀复合作用的结果。硫酸盐型高温腐蚀的形成：在炉内高温下，煤中的NaCl中的Na+易挥发，除一部分被熔融的硅酸盐捕捉外，有一部分与烟气中的SO3发生反应，形成Na2SO4；另一部分是易于挥发性的硅酸盐，与挥发出的钠发生置换反应，而释放出来的钾，与SO3化合，生成K2SO4。而碱金属硫酸盐（Na2SO4、K2SO4）有粘性，且露点低。当碱金属硫酸盐沉积到受热面的管壁后会再吸收SO3，并与Fe2O3、Al2O3作用生成焦硫酸盐（Na·K）2S2O7。石洞口电厂#1炉改造方案审查技术文件上海锅炉厂有限公司3这样一来，受热面上熔融的硫酸盐（M2SO4）吸收SO3并在Fe2O3、Al2O3作用下，生成复合硫酸盐（Na·K）（Fe·Al）SO4，随着复合硫酸盐的沉积，其熔点降低，表面温升升高。当表面温升升高到熔点，管壁表面的Fe2O3氧化保护膜被复合硫酸盐破坏，使管壁继续腐蚀。另外，附着层中的焦硫酸盐（Na·K）2S2O7。由于熔点低，更容易与Fe2O3发生反应，生成（Na·K）3Fe（SO4）3，即形成反应速度更快的熔盐型腐蚀。氯化物型腐蚀的形成：在炉内高温下，原煤中的NaCl中的易与H2O、SO2、SO3反应，生成硫酸盐（Na2SO4）和HCl气体。同时凝结在水冷壁上的NaCl也会和硫酸盐发生反应，生成HCl气体，因此，沉积层中的HCl浓度要比烟气中的大得多，致使受热面管壁表面的Fe2O3氧化保护膜破坏。有研究表明，这种情况在CO和H2浓度超过一定范围的强还原性气氛中则更为强烈。综上所述，燃煤中的S、Cl、K、Na等物质的存在是发生高温腐蚀的内在根源。而燃用劣质煤所需要的气流扰动和较高的燃烧温度，使煤粉火焰容易刷墙以及水冷壁附近可能出现还原性气氛，为产生水冷壁高温腐蚀提供了充分条件。许多研究工作，提出了产生高温腐蚀的条件，归纳如下：（1）燃煤中存在一定含量的S、Cl、K、Na等可产生高温腐蚀的物质；（2）水冷壁附近出现还原性气氛和腐蚀性气体；（3）水冷壁腐蚀区域的壁温在320℃以上；（4）腐蚀产物的剥落，使得腐蚀能不断地渗透内层。3．高温腐蚀主要发生在大型贫煤锅炉上的原因在调研中，我们发现山东省已投运的18台300MW机组中，燃用贫煤石洞口电厂#1炉改造方案审查技术文件上海锅炉厂有限公司4的10台锅炉，都出现了高温腐蚀，而燃用烟煤的锅炉则很少发现高温腐蚀。在湖北省汉川电厂投运的4台贫煤锅炉上，也出现了不同程度的高温腐蚀，其中#1炉曾于2001年8月因高温腐蚀发生爆管，造成紧急事故停炉。在重庆珞璜、陕西渭河、河北西北坡等电厂均发生了类似问题。高温腐蚀发生在大型贫煤锅炉上的原因，是我们调研的主要任务。总的来说，有下列几点：（1）劣质煤着火困难，燃烧延迟，水冷壁附近未燃烬的煤粉颗粒增多，在一些区域造成缺氧，因而容易出现还原性气氛和腐蚀性气体，而使水冷壁腐蚀。在燃用高灰份劣质烟煤或贫煤时，由于制粉系统、磨煤机等限制，煤粉变粗，在切圆的离心力作用下容易刷墙，更容易在炉内水冷壁附近产生还原性气氛和腐蚀性气体。（2）为改善低挥发份煤的着火，通常采用大切圆，并在一次风喷口布置了各种型式的稳燃装置，这在一定程度上影响了一次风的刚性，造成煤粉火焰刷墙。（3）劣质煤的燃烧，往往采用瘦高型炉膛，燃烧器区域热负荷高，故水冷壁管壁温度高。假若水质不好，容易引起管内结垢，进一步提高了管壁温度。（4）由于环保要求的限制，在燃用低挥发份劣质煤或贫煤时，一般采用中间仓储钢球磨热风送粉系统，为保证燃烧的稳定性和满足低NOx要求，采用了加装顶部燃烬风（OFA）和分级送风的原理，致使炉内中、下部风量减少，造成燃烧器区域热负荷高、水冷壁附近容易产生还原性气氛和腐蚀性气体。石洞口电厂#1炉改造方案审查技术文件上海锅炉厂有限公司5（5）在燃用低挥发份、高灰份的劣质煤或贫煤时，需要的热风温度较高，当燃煤中的含硫量较高时，回转式空气预热器的漏风、堵灰及低温腐蚀，容易造成送、引风机难以满足炉内燃烧需要空气，也促使水冷壁附近形成还原性气氛和腐蚀性气体。（6）现代电网的峰谷差增大，要求大型锅炉参与调峰，也不利于炉内水冷壁的保护。锅炉在频繁启停和变负荷运行中，水冷壁热胀冷缩，容易造成管壁表面的氧化膜脱落，加速了腐蚀过程。同时，如果变负荷速度太快而影响正常的水循环，造成水冷壁局部壁温增高，也会导致高温腐蚀腐蚀加剧。4．大型锅炉水冷壁高温腐蚀的部位及预防措施目前，我国配300MW机组的锅炉，从燃烧方式上讲，有直流燃烧器四角切圆燃烧方式、旋流燃烧器水平燃烧方式和拱顶燃烧器W型火焰燃烧方式，对于不同燃烧方式的锅炉炉内水冷壁高温腐蚀的部位是不同的。（1）直流燃烧器四角切圆燃烧方式直流四角切圆燃烧方式的燃烧器，是目前我国大型锅炉采用最多的一种燃烧型式。其特点是炉内火焰形成大旋涡作旋转上升运动，一次风射流受上游旋转气流挤压，炉内切圆增大。当燃烧器的高宽比加大时，热态切圆增大，煤粉火焰容易冲刷墙壁，导致水冷壁高温腐蚀。水冷壁的腐蚀部位大致是：沿一次风气流流向，在炉膛中心线附近及下游的水冷壁壁面。如青岛电厂配300MW机组的锅炉。这种类型的锅炉在设计上应考虑的措施：炉内切圆直径取小值，防止煤粉火焰冲刷墙壁；增强一次风的刚性，在一次风喷口、两侧尤其是背火侧增加周界风或侧二次风，以刚性较强的石洞口电厂#1炉改造方案审查技术文件上海锅炉厂有限公司6二次风支撑一次风气流，并在炉壁附近形成氧化性气氛；在注重着火、稳燃的同时，注意截面热负荷的选取，以防止炉膛结渣和积灰，而加速高温腐蚀的过程。为此，应适当加大炉膛的截面积，加大喷燃器的高宽比，以便燃烧器区域的温度较为平缓。（2）旋流燃烧器水平燃烧方式旋流水平燃烧方式的燃烧器通常是前墙或前后墙布置带一次风回流稳燃和煤粉局部浓度高的低NOx双调风轴流型式。其特点是在靠近两侧的旋流燃烧器出口煤粉易偏向两侧墙，并随着旋流强度的增加，偏转越严重，从而两侧墙附近易形成还原性气氛和腐蚀性气体。水冷壁的腐蚀部位一般在两侧墙。如西北坡电厂配300MW机组的锅炉。这种类型的锅炉在设计上应考虑的措施：佛斯特·惠勒公司是在燃烧器下部靠近两侧墙的位置设置壁面风，以改善两侧墙附近的烟气气氛，使之呈氧化性。（3）拱顶燃烧器W型火焰燃烧方式W型火焰燃烧方式的燃烧器，不论其拱顶的布置与结构，由于其煤粉气流在二次风的引射下基本上与前后墙平行向下流动，然后转折向上，形成W型火焰，一般来说，煤粉不会冲刷墙壁。但是如果一次风喷口位置不对，或者在一次风动量和射流扩展角偏大的情况下，煤粉也会冲刷前后墙的上部区域，造成高温腐蚀，尤其是卫燃带脱落的部位。水冷壁的腐蚀部位一般在前后墙的上部区域。如珞璜电厂配360MW机组的锅炉。这种类型的锅炉在设计上应考虑的措施：正确选择一次风喷口与炉膛中心线的夹角；保证二次风与一次风之间的动量比恰当，以便煤粉气流有一定的引射长度，而又不至于在前后墙附近形成还原性气氛和腐蚀性气体。石洞口电厂#1炉改造方案审查技术文件上海锅炉厂有限公司75．水平浓淡分离燃烧技术在防止高温腐蚀方面的应用直流四角切圆燃烧器，是我国300MW等级锅炉采用最多的一种燃烧方式。为防止高温腐蚀发生，在这种型式的锅炉上采用水平浓淡分离技术，从理论上看是可行的，也是目前实施较多一种方案，但实际效果如何是我们调研的重点。汉川电厂和青岛电厂是上海锅炉厂早期引进美国燃烧工程公司的技术，设计制造的贫煤锅炉，在投运初期都发生了一些问题。汉川电厂主要存在低负荷稳燃问题，而青岛电厂则是发生高温腐蚀。哈尔滨工业大学采用水平浓淡分离燃烧技术，对2个电厂6台锅炉，进行了燃烧器改造。下面介绍这一技术在两个厂的应用情况。（1）青岛电厂#2炉配青岛发电厂300MW机组锅炉设计采用了美国燃烧工程公司的技术。锅炉为亚临界压力控制循环炉，燃料为晋中贫煤，采用钢球磨，中间仓储制，热风送粉。锅炉采用单炉膛、型、露天布置，全悬吊钢结构。炉膛断面尺寸深×宽为11760mm×11970mm。锅炉燃烧系统采用四角切圆燃烧，摆动式煤粉喷嘴。高度方向分四层布置，另布置二层三次风乏气喷嘴在煤粉喷嘴上方，固定向下10布置。青岛发电厂#1、#2炉分别于1995、1996年投运，在大修中发现炉内四壁的燃烧器区域及气流下游区域水冷壁高温腐蚀严重，其中#1炉在1997年的第一次大修中发现：前后墙和两侧墙的燃烧器区域都有减薄。在调研中，我们统计过1996年至2000年期间电厂入炉煤的煤质资料，电厂用煤中含硫量平均高达2.4%，与设计煤种的含硫量：Sar=0.72%相差较大。腐蚀位置见图1。石洞口电厂#1炉改造方案审查技术文件上海锅炉厂有限公司8改造前青岛电厂的燃烧设备是采用四角切圆燃烧方式。燃烧器布置在炉膛四角上。为了有助于低挥发份煤的着火和稳定燃烧，该炉采用了CE公司开发的WR型燃烧器。为了降低NOX的排放量，除采用分级混合外，还在燃烧器顶部布置了顶部二次风。为了减少锅炉水平烟道左右侧的烟气偏差，将燃烧器上部的四层喷嘴（其中二层为二次风，另二层为三次风）与下部的一、二次风气流旋转方向作相反布置。为解决锅炉存在的水冷壁高温腐蚀问题，该厂采用哈尔滨工业大学“摆动式水平浓淡风煤粉燃烧器”技术，对#1、#2号炉进行了煤粉燃烧器的改造。既：把16只WR型煤粉燃烧器全部改成水平浓淡风煤粉燃烧器。并根据其实验室研究结果，对该燃烧器选取了浓缩比为4：1的百叶窗煤粉浓缩器结构（浓缩比：是指浓煤粉气流的煤粉浓度与淡煤粉气流的煤粉浓度之比），并将原一次风周界风改为侧二次风喷口，通过调节原一次风的周界风风门（现称为侧二次风）挡板开度以调节侧二次风流量，以达到对燃烧区域两相流场的调节。为了了解改造效果，该厂组织了哈尔滨工业大学、山东省电科院等单位在#2炉上进行了现场试验。内容包括侧二次风与一次风、二次风的动量配比特性试验和水冷壁壁面氧量测量。试验结果：#2号炉改造后，在负荷300MW，省煤器出口氧量5.6%的工况下：入炉煤的一些主要参数为，Vdaf=10.95%，Aad=27%，Qad.net=24525KJ/kg，R90=10.34%，燃烧器区域水冷壁壁面平均氧量为1.5～3.6%。#1炉改造前，在负荷300MW，省煤器出口氧量6.0%的工况下：入炉煤的一些主要参数为，Vdaf=12%，Aad=20%，Qad.net=26