（工程热物理专业论文）采用侧边风技术防止锅炉水冷壁高温腐蚀.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要： ， 锅炉水冷壁高温腐蚀是影响燃煤电站锅炉安全经济运行的主要问 题之一。在我国，约有8 0 以上的电站锅炉存在不同程度的水冷壁高温 腐蚀问题。水冷壁发生高温腐蚀后会导致管壁急剧减薄直至爆裂，从而 严重影响电站机组的安全运行，造成巨大经济损失。以山东省为例，每 年因水冷壁高温腐蚀问题造成机组停运、受热面更换等，直接经济损失 近亿元。斗 通过理论分析及试验研究发现，造成锅炉水冷壁高温腐蚀的主要原 因是燃烧过程中的风粉射流分离，次风煤粉射流贴壁燃烧，在水冷壁 近壁区域形成还原性气氛，引发高温腐蚀。在试验研究的基础上，开发 了炉墙侧边风改造技术。 炉墙侧边风技术的主要原理是在水冷壁高温腐蚀区域上游加装二 次风燃烧器，该燃烧器出口气流将覆盖原高温腐蚀区域，改变该区域的 还原性气氛，从而达到消除高温腐蚀的目的。 本课题成果圆满解决了大型亚临界参数四角切圆燃烧锅炉较多存 在的水冷壁高温腐蚀问题，明显提高了锅炉机组运行的安全性和经济 性。与国内外同类技术比较，该技术具有改造工作量小，对锅炉燃烧状 况影响小等特点，有效解决了目前许多锅炉存在的低负荷稳燃与水冷壁 高温腐蚀之间的矛盾，使之得到有机的统一。在应用这一技术的基础上， 锅炉可以全面有效地防止水冷壁高温腐蚀，同时可以采用更多的措施来 提高低负荷稳燃能力。 本课题成果已应用于山东潍坊发电厂# 1 炉。实际运行情况表明， 水冷壁高温腐蚀速度降至0 4 m m 1 0 4 h 以下，有效避免了水冷壁爆管， 大大减少了非计划停运次数。每年节约资金并创造直接经济效益2 0 0 万 元以上。 在我国，绝大多数燃用贫煤的锅炉都存在不同程度的水冷壁高温 腐蚀问题。虽然各台锅炉在具体结构形式上有所差别，但解决问题的原 理是一致的，均可以通过炉墙侧边风技术改造来解决。因此该技术具有 广阔的推广应用前景n 关键词：锅炉；水冷壁、高温腐蚀 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo p e r a t i n gs a f e t yo ft h ec o a l f i r e dp o w e rp l a n th a sb e e na f f e c t e db y t h eh i g h t e m p e r a t u r ec o r r o s i o na r o u s e di n t h eb o i l e rw a t e r - w a l lt u b e s i n c h i n a ，h i g h - t e m p e r a t u r ec o r r o s i o nh a sb e e nf o u n di nm o s to f t h ec o a l f i r e d b o i l e ro f p o w e rp l a n t ，a n dr e s u l t e di ne n o r m o u sl o s s i ns h a n d o n gp r o v i n c e ， f o re x a m p l e ，t h el o s sr e l a t e dt oh i g h t e m p e r a t u r ec o r r o s i o ni su pt oah u n d r e d m i l l i o nr m b e v e r yy e a r b a s e do nt h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n dt e s t ，t h ec a u s eo f t h eh i g h - t e m p e r a t u r e c o r r o s i o nh a sb e e nf o u n da n dt h e p r e v e n t i v e m e a s u r e - - - t h es i d e w a l l a i r b u r n e rt e c h n i q u e h a sb e e n d e v e l o p e d t h e p r i n c i p l eo f t h e s i d e w a l la i r - b u r n e ri st h a tt h eb u r n e r si n s t a l l e di nt h e w a t e r w a l la r cf a rf r o mt h em a i nb u r n e ra n dj u s to nt h eu p s t r e a mt ot h ea r e a w h e r eh i g h t e m p e r a t u r ec o r r o s i o na r o u s e d ，t h e r e b yt h ef r e s ha i rc o m eo u to f t h es i d e w a l la i r b u r n e r sw i l lc o v e rt h ec o r r o s i o na r e aa n df o l i nap r o t e c t i v e l a y e rb l o c k i n go f f t h ec o r r o s i v eg a s ，s ot h ew a t e r - w a l lt u b e sw i l lb ep r o t e c t e d c o m p a r e dw i t h o t h e rm e a s u r e s ，t h es i d e w a l la i r b u r n e r t e c h n i q u e i s s a m p l ea n de a s yt ou s e ，i n c r e a s et h eo p e r a t i n gs a f e t yo f t h ec o a l f i r e dp o w e r p l a n t t h es i d e w a l la i r b u r n e r t e c h n i q u e h a sb e e nu s e di nn o 1b o i l e ri n w e i f a n g p o w e rp l a n t l o n gp e r i o dp r a c t i c es h o w t h a tt h eh i g h t e m p e r a t u r e c o r r o s i o n s p e e d w a ss l o w e dw i t h i no 4 m m 10 4 h t h e w a t e r - w a l it u b e e x p l o s i o nr e l a t e d t o h i g h t e m p e r a t u r e c o r r o s i o nw a sc o m p l e t e l yp r e v e n t e d t h el o s ss a v e d e v e r yy e a ri su p t o2m i l l i o nr m b i nc h i n a ，m o s to ft h ec o a l f i r e dp o w e r p l a n tb o i l e r sc o m e u pa g a i n s tt h e p r o b l e mo fh i g h - t e m p e r a t u r ec o r r o s i o n ，a n da l l c o u l db es o l v e d 们t 1 1t h e s i d e w a l la i r b u r n e rt e c h n i q u e s ot h i st e c h n i q u ew i l lb ep r o v i d e dw i t l lb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：b o i l e rw a t e r - w a l lt u b e h i g h t e m p e r a t u r ec o r r o s i o n 4 山东大学硕士学位论文 a 燃烧灰份， b 燃烧消耗量，t h c 常数，修正系数 d 锅炉蒸发量，t h d 管道直径，m i l l d t 灰开始变形温度， e 磨损量 f 面积，m 。 f t 灰流动温度， g 流量，k g s h 高度，m k 传热系数，w ( m 2 蛛) l 长度，m p 压力，p a q 燃料发热量，k j k g r e 雷诺数 s t 灰开始软化温度， t 温度，k t 温度， v 容积，m 3 v 速度，m z k g u 比容，m 3 k g 主要符号表 a 过量空气系数 d 放热系数，w ( m 2 ) b 过剩空气系数 6 灰层及管壁厚度 u烟气中飞灰浓度 y 动力粘度，p a * s y运动粘度 p 密度，k g m 3 t 时间，s 山东大学硕士学位论文 1 、绪论 在我国，高温腐蚀问题最早出现在六十年代初期，陕西宝鸡电厂四 台捷克产液态排渣煤粉炉发生水冷壁高温腐蚀事故，其中# 2 炉腐蚀速 度高达o3 5 一o 3 7 微米小时，因高温腐蚀更换了3 5 的水冷壁管，严 重影响了电厂的安全经济运行。近年来，随着现代社会的飞速发展，对 电力工业的需求不断增加，各种锅炉的容量也不断增大，炉内热负荷逐 步增大，烟气侧水冷壁的高温腐蚀逐渐成为困扰许多电厂的重要难题之 一。 以我省目前状况来讲，情况也不容乐观。近年来，我省相继有多台 锅炉发生严重的水冷壁高温腐蚀，如黄台电厂# 7 、# 8 炉、华德电厂# l # 4 炉、南定电厂# 1 、# 2 炉、潍坊电厂# l 、# 2 炉、青岛电厂# l 、# 2 炉、 黄岛电厂# l 、# 2 炉等。腐蚀最严重的锅炉水冷壁最小壁厚仅1 3 m m ，腐 蚀速度达2 r a m 年。各锅炉发生高温腐蚀的区域基本相近，即燃烧器出 口射流下游区域，高度在燃烧器中心线附近，且管子向火侧的正面点腐 蚀得最快。水冷壁发生高温腐蚀后，壁厚减薄，强度降低，容易造成爆 管和泄漏，危及锅炉安全运行。上述锅炉都因高温腐蚀使水冷壁管在较 短时间内减薄，不得不在检修时大面积换管，不仅耗费材料，而且检修 时间延长，工作量增加，经济损失巨大。水冷壁高温腐蚀问题已成为困 扰我省许多大型电站锅炉的痼疾。 目前，国内外许多研究机构都对电站锅炉水冷壁高温腐蚀问题展开 了研究，并取得了可喜的进展，如哈尔滨工业大学研制的水平浓淡风燃 烧器，电力部西安热工研究院研制的水冷壁管渗铝技术，山东电力研究 院研制的水冷壁管表面防腐蚀喷镀技术等，在实际应用中都取得了良好 的效果。另外还有许多研究机构致力于通过炉内优化燃烧调整来控制高 温腐蚀的发生和发展，也取得了一定的成功。 综合国内外的研究结果，可以发现，虽然对水冷壁产生高温腐蚀的 深层机理还有待迸一步研究，但对影响高温腐蚀的因素及预防高温腐蚀 的手段，已得出初步的结论。 目前普遍认为，影响水冷壁高温腐蚀的主要因素在于： ( 1 ) 燃料中含硫、钒和碱土金属( n a 、k ) 、钙、氯等氧化物和盐类 山东大学硕士学位论文 较多，灰熔点较低时就要提高警惕，这些都为结渣、高温腐蚀提 供了物质基础。 ( 2 )较高管壁温度水平，也是引起结渣腐蚀的一个重要因素。因此， 液态排渣炉有较高的热强度及温度水平，有较高的壁温，易出现 高温腐蚀：燃烧器附近的水冷壁，经常在火炬中心辐射下，易出 现较高的腐蚀速度；锅炉压力越高，管壁温度也越高，越有可能 出现高温腐蚀；过热汽温度越高，出现结渣和高温腐蚀的可能性 就越大。总之，凡是能引起壁温明显增加的一切因素都有可能导 致高温腐蚀。 ( 3 )炉内空气动力工况组织不良，也易引起高温腐蚀，主要表现形 式为： f l 、火炬中心贴壁； b 、局部缺氧运行或过量空气系数过小，在水冷壁附近出现还 原性气氛，由氧化气氛转变为还原性气氛可使结渣率提高几倍； c 、未燃尽煤粉颗粒和灰中黄铁矿残渣冲刷水冷壁，可形成局 部还原性气氛而使黄铁矿析出的f e s 等形成一层流渣，引起磨损 腐蚀同时出现； d 、局部烟速过高，使灰渣经常被冲刷掉； e 、煤粉着火区靠近水冷壁，形成缺氧区： f 、燃烧组织不好，局部出现较多的化学未完全燃烧产物( c o 、 h 2 及h 2 s 等) 。 ( 4 )风粉管道设计不正确，风、粉分布极不均匀，使某些燃烧器在 空气严重不足情况下运行，出现极大范围的还原性气氛：而某些 燃烧器又在较大的过量空气系数下运行，空气喷出速度较高，拖 延了煤粉气流的着火，使未燃尽煤粉流容易冲刷到水冷壁上。 ( 5 ) 运行操作不正常，炉内氧量及温度波动过于剧烈，使水冷壁附 近氧化层和还原层交替出现，使管壁铁锈层受到氧化及还原气氛 的交替作用，氧化层变成海棉状，给腐蚀介质提供大面积的反应 表面。 ( 6 )不合理的吹灰器位置和吹灰时间间隔。试验表明，氧化和腐蚀 能使管壁形成一层很薄的保护膜，有效地减缓高温腐蚀。要使金 山东大学硕士学位论文 属产生严重的烟气腐蚀，必须周期性地经常不断破坏保护膜。除 了腐蚀剥落过程本身会使保护膜破坏外，高速气粉流的冲刷及腐 蚀、吹灰器中的高速蒸汽或空气直冲水冷壁等也很容易使保护膜 破坏。 要防止水冷壁高温腐蚀主要从两方面入手：一方面是提高水冷壁管 本身的耐腐蚀能力，如前面所说的管壁渗铝及管表面喷镀耐腐蚀层等： 另一方面是优化燃烧，防止水冷壁近壁产生还原性腐蚀气氛，最新研究 结果表明，如果能控制水冷壁近壁气氛中的0 2 含量高于1 5 ，则基本 不会发生高温腐蚀。以下这些措施可有效避免近壁还原性气氛的产生： ( 1 )合理配风，强化炉内的湍流混合，避免出现局部还原性气氛； ( 2 )控制合理的煤粉细度，防止大颗粒未燃尽煤粉直接冲刷水冷壁； ( 3 )采用次风反切技术，在炉内形成风包粉的燃烧工况，防止煤 粉气流贴壁，改善水冷壁附近的还原性气氛； ( 4 )采用贴壁风技术，在水冷壁高温腐蚀区域形成一层空气保护膜， 可以有效地控制高温腐蚀速度； 本课题的主要任务是研究水冷壁近壁气氛变化对高温腐蚀发生及 发展的影响，研究贴壁风技术对防止水冷壁高温腐蚀的作用，从而进一 步制定切实可行的措施来防止电站锅炉水冷壁的高温腐蚀。 2 、对水冷壁高温腐蚀现象的研究 2 1 高温腐蚀的化学反应过程 根据目前的研究结果，燃煤锅炉水冷壁高温腐蚀主要有硫酸盐型高 温腐蚀及硫化物型高温腐蚀。 2 1 1 硫酸盐型高温腐蚀。 可以分为五步来说明： 第一步：受热面生成一层薄的氧化铁( f e 2 0 3 ) 铁锈和极细灰粒的 沾污层，其厚度是有限的，实际上是金属的保护膜。 山东大学硕士学位论文 第二步：在火焰高温作用下而升华的碱土金属氧化物( 如n a 2 0 和 k ，0 等) ，冷凝在管壁的沾污层上，如果周围烟气中有s 0 3 ，则会发生 反应形成硫酸盐： n a 2 0 + s 0 3 一n a 2 s 0 4 k 2 0 + s 0 3 一k 2 s 0 4 第三步：硫酸盐层增加，热阻加大，表面温度升高而开始发粘、熔 化并开始粘结飞灰，形成疏松的渣层，硫酸盐熔化时会放出s 0 3 。 第四步：所放出的s 0 3 及烟气中的s 0 3 会通过疏松的渣层向内扩散， 并产生如下反应： 3 k 2 s 0 4 ( 或n a 2 s 0 4 ) + f e 2 0 3 + 3 s 0 32 k 3 f e ( s 0 4 ) 3 或n a 3 f e ( s 0 4 ) 3 管壁f e 2 0 3 铁锈层被破坏，而k 3 f e ( s 0 4 ) 3 在5 8 44 c 下就会熔化，进 一步氧化而使金属耗损。此时铁的腐蚀为： 10 f e + 2 n a 3 f e ( s 0 4 ) 3 3 f e 3 0 4 + 3 f e s + 3 n a 2 s 0 4 n a 2 s 0 4 或k 2 s 0 4 的循环作用使腐蚀不断进行。 第五步：运行中因清灰或灰渣过厚而脱落，使k 3 f e ( s 0 4 ) 3 等暴露在 火炬高温辐射下，产生如下反应： k 3 f e ( s 0 4 ) 3 一k 2 s 0 4 + f e 2 0 3 + s 0 3f n a 3 f e ( s 0 4 ) 3 一n a 2 s 0 4 + f e 2 0 3 + s 0 3 f 出现了新的碱土金属硫酸盐层，在s 0 3 的作用下，不断使管壁受到 腐蚀。 2 1 2 硫化物型高温腐蚀。 当管壁附近氧量不够，存在着还原性气氛，并出现有h 2 s 气体时， 就会产生硫化物腐蚀。 第一步：燃料中的黄铁矿( f e s 2 ) 随灰粒和未燃尽煤粉一起冲到管 壁上，受热分解出自由原子硫和硫化亚铁： f e s 2 一f e s + s 此外，当管壁附近存在h 2 s 和s 0 2 时也可能生成【s ： 2 h 2 9 + 8 0 2 2 h 2 0 + 3 s 1 第二步：在还原性气氛中，由于缺氧，原子硫有可能单独存在，当 管壁温度达3 5 0 时，就发生如下反应： 山东大学硕士学位论文 f e + sj f e s 第三步：硫化亚铁进行缓慢氧化而生成黑色磁性氧化铁f e 3 0 4 ： 3f e $ + 5 0 2 一f e 3 0 4 + 3 s 0 2 这一过程使管壁受到腐蚀。电站锅炉水冷壁常见的便是硫化物型高 温腐蚀。 2 2 影响高温腐蚀的因素 2 2 1 还原性气氛的影响 造成硫化物型高温腐蚀的根本原因在于水冷壁面附近存在强还原 性气氛并伴有h 2 s 气体产生。烟气中的h 2 s 主要是煤中的硫在一定条 件下随煤燃烧过程而在燃烧区中形成。h 2 s 的形成与煤在燃烧时缺氧有 很大关系。实践证明，燃烧器供氧不足时，煤中的硫或已反应生成的 s 0 2 、s 0 3 转化成h 2 s 。如图2 一l 所示，当过量空气系数小于1 时，h 2 s 含量急剧增加。 o 1 2 o 0 8 v 啥 士 00 4 o o o o7 80 8 60 9 41 0 21 1 0 q 图2 - 1 ：h ：s 浓度与燃烧器过量空气系数的关系 另外，试验表明，当水冷壁附近因煤粉浓度过高，空气量不够而出 山东大学硕士学位论文 现还原性气氛时，h 2 s 含量也会猛烈增加，如图2 2 所示，烟气中c o 含量越多，h 2 s 含量也越高。而水冷壁管的腐蚀速度几乎与烟气中的 h 2 s 浓度成正比，如图2 3 所示。 摹 、一 工 一 二 旨 v b 一 c o + 1 0 0 ( c o + c 0 2 ) ( ) 图2 - 2 ：硫化氢浓度和一氧化碳燃尽度关系 h 2 s ( ) 图2 - 3 ：管壁腐蚀速度与烟气中h 2 s 浓度关系 6 山东大学硕士学位论文 2 2 2 火焰冲刷及磨损同时作用对高温腐蚀的影晌 研究表明，为了使金属产生严重的烟气腐蚀，必须周期性地经常不 断地破坏保护膜，而保护膜的损坏则可能是由于磨损、腐蚀剂熔解、以 及温度和烟气介质成分显著变化等。未燃尽的煤粉磨损作用很大。当未 燃尽的焰流冲刷水冷壁管时，由于煤粉具有尖锐棱角，所以有很大的磨 损作用，这种磨损将加速水冷壁保温层的损坏。磨损最严重部位仅仅集 中在火焰有效冲刷水冷壁的区域内，这也证明了磨损作用的影响。 因此，在管壁的外露区段便开始下述的循环过程：磨损破坏了由腐 蚀产物形成的不太坚固的保护膜。而烟气介质便急剧地与纯金属发生反 应。这种腐蚀和磨损相结合的过程，大大加剧了金属管子的磨损过程。 2 2 3 管壁温度对腐蚀的影响 管壁温度对腐蚀的影响很大，在3 0 0 5 0 0 范围内，管壁外表面 温度每升高5 0 ，腐蚀程度则增加一倍。根据长期的试验结果，总结 出高温腐蚀深度h 随时间和壁温的关系为： 式中，h 为腐蚀深度( m m ) ；1 3 为高温腐蚀指数，它取决于腐蚀速 度随时间降低的程度：k o 为由钢材、烟气成份及腐蚀条件所决定的常数： q 为表观活化能( k j m 0 1 ) ：t 为实验时的绝对温度( k ) ；t 为实验时 间( h ) ；r 为通用气体常数。国外对某些煤种的实验表明，n = 1 9 5 。 2 2 4 火焰温度波动的影响 煤粉的着火温度很高，当在空间和时间上产生不均匀的过程时，便 会形成温度相当低的粉流，因而在炉膛里不能完全着火，火焰温度发生 很大幅度的波动，从而在靠近喷燃器的区域内发生腐蚀。例如，当给粉 状况恶化( 煤粉仓内粉位太低) 时，火焰末端便出现参数大幅度波动的 现象。见表2 1 。国外对些温度波动进行了试验，在4 2 0 t h 锅炉然用 贫煤时，炉膛的中央部分出现很大的温度波动，在喷燃器中线上方高 1 0 5 m 的部分，当平均温度约为1 3 0 0 时，在个别的时间区段内烟温 曾经低于燃料的着火温度。喷燃器附近，在发生火焰和水冷壁腐蚀的区 山东大学硕士学位论文 域里，波动的更厉害。 表2 1 温度和含氧量波动情况 l 参数平均值波动( 频率4 1 2 h z ) 含氧量( ) 3 3 51 7 温度( ) 1 1 0 0 1 1 5 08 6 0 1 4 0 0 另外，研究还表明给粉不均匀对腐蚀也有很大的影响。例如，某台 锅炉发生严重的水冷壁腐蚀，虽然就过剩空气量( a = 1 2 6 ) 风粉混合 物组成和煤粉燃尽情况而言，该炉膛里的燃烧条件是相当好的。主要原 因在于给粉工况。该炉每个炉体均安装有6 只强力喷燃器和1 2 台给粉 机，当停掉任何一台给粉机时，某只喷燃器的过剩空气量将增加两倍， 达到a = 2 ，因此在腐蚀区内经常出现危险的低温粉流。特别值得注意的 是，从煤粉仓边沿上的给粉机( 即上部煤粉经常堵塞的给粉机) 、供给 煤粉的喷燃器附近，容易发生最严重的损坏。 上述事实表明，腐蚀的主要原因是给粉条件受到破坏，结果使过量 空气局部地显著增大。因此，当个别喷燃器的过量空气显著增加时，那 将是十分危险的，这时金属可能受到很严重的腐蚀和磨损，或者受到液 态腐蚀剂( 焦硫酸盐) 的侵蚀。 对所研究过的各种类型锅炉来说，不管是沿水冷壁管的宽度，还是 各管屏中同一流程的相邻炉管，其腐蚀程度都相差很大。腐蚀区域分布 的共同特点表明，影响腐蚀区域分布的因素是炉膛内的边上喷燃器的火 焰距水冷壁太近，这样不但使水冷壁附近的炉膛介质温度升高( 即增加 水冷壁管的热强度) ，并且也使管壁外表面与炉膛介质中的腐蚀成分接 触频繁，锅炉水冷壁管的严重腐蚀区通常发生在炉膛内火焰中心的水平 上，即热强度较高的管屏区段里，其原因就在于此。 2 2 5 积灰沉积物对腐蚀的影响 研究表明，在管壁上的积灰沉积物中所含能造成腐蚀混合物的含量 要比在炉灰或飞灰中的含量大得多。在煤灰、飞灰及管上沉积物中，所 含碱性物的百分数总量是一样的，但是煤灰及飞灰中钠与钾之比由1 ： 2 变到1 ：4 ，而在管壁沉积物中，钠与钾之比约为1 ：1 。 山东大学硕士学位论文 开始在管壁上的沉积物可能是粉状的物质，包含有碱性物及氧化 铁，它们与散氧化硫作用后形成碱性铁三硫酸盐。各个飞灰颗粒的组成 是不同的，因此其熔化温度也不同。有些颗粒在比较的温度情况下呈熔 化状态或半熔化状态粘结在管壁上。由燃烧过程中所释放出来的钠和钾 的化合物，可能与烟气中的s 0 3 起反应，凝聚或沉积在管壁上形成一层 沉积物。 2 3 我省电站锅炉高温腐蚀现状及具体原因分析 2 3 1 我省电站锅炉高温腐蚀现状 近年来，我省相继有多台锅炉发生严重的水冷壁高温腐蚀，如黄台 电厂# 7 、撑8 炉、华德电厂# l # 4 炉、南定电厂# 1 、撑2 炉、潍坊电厂# 1 、 # 2 炉、青岛电厂撑l 、# 2 炉、黄岛电厂# 1 、# 2 炉等。腐蚀最严重的锅炉 水冷壁最小壁厚仅1 3 m m ，腐蚀速度达2 m m 年。各锅炉发生高温腐蚀 的区域基本相近，即燃烧器出口射流下游区域，高度在燃烧器中心线附 近，且管子向火侧的正面点腐蚀得最快。 通过调查及试验发现，上述发生高温腐蚀的锅炉均为燃用贫煤的锅 炉，腐蚀区域均存在强烈的还原性气氛，严重腐蚀区域烟气含0 2 量几 乎为零，而c o 含量则高达l o 以上，有的锅炉局部区域c 0 甚至接近 3 0 。腐蚀发生的区域及腐蚀管子的形态化学组成都是相似的。高温腐 蚀的位置都是在喷燃器区域的四面水冷壁上( 图2 - 4 ) 。腐蚀严重的区域 大都位于燃烧器出口射流的中下游。腐蚀区域的水冷壁向火侧一般呈黑 褐色，外层松软，内层坚硬，在剥落硬层后，垢状物与水冷壁管结合面 处呈孔雀蓝光泽。腐蚀区域大多水冷壁壁面不清洁，有较多的灰沾污， 在潍坊和黄台发现腐蚀区域水冷壁上附着黑色未燃烬煤粉。 山东大学硕士学位论文 图2 - 4 ：高温腐蚀区域 各台锅炉高温腐蚀区域水冷壁管剥落下来的附着物成份组成是相 似的。如黄岛# 1 、# 2 炉，附着物化验元素成份见表2 2 ： 表2 2 ：黄岛撑1 、# 2 炉，附着物化验元素成份 f e os icsa lm nc i 4 6 5 1 6 3 0 7 4 2 9 1 9 5 1 1 9 o 5 9 o 0 2 平衡计算其化合物组成形态见表2 3 表2 3 ：化合物组成形态 f e 3 0 4f e sa 1 2 0 3s i 0 2c 4 7 i 2 4 7 2 2 4 3 2 9 又如对黄台 8 炉进行割管检查，由哈尔滨锅炉厂进行水冷壁管壁 垢状物化合物成分分析，垢状物中含有大量f e 3 0 4 和少量的f e o ，f e 2 0 3 腐蚀产物中含硫量比煤中高，尤其是出现了较高的硫化物硫。由腐蚀产 物分析基本可以确定，上述锅炉水冷壁高温腐蚀属于硫化物型高温腐 蚀。 山东大学硕士学位论文 2 3 2 我省电站锅炉高温腐蚀发生的具体原因 为了分析发生水冷壁高温腐蚀的原因，课题组对发生高温腐蚀的锅 炉进行了一系列冷态空气动力场试验和热态燃烧调整试验。这些试验包 括：潍坊电厂# 1 、# 2 炉冷热态试验；黄台# 7 、# 8 炉冷热态试验；华德 电厂# l # 4 炉热态调整试验。通过大量的试验工作，使我们从这些不 同的锅炉中发现共性，得到了发生高温腐蚀锅炉的一些现场数据，从而 有利于分析高温腐蚀发生的成因，并为此问题的解决指明了方向。综合 多方试验数据，认为造成我省电站锅炉水冷壁高温腐蚀的具体原因有以 下几点： a 煤种问题。煤种是造成高温腐蚀的主要原因之一。上述发生高温腐 蚀的锅炉均燃用贫煤。在我省己投入运行的2 2 台3 0 0 m w 机组中，燃 用贫煤的1 0 台锅炉无一例外都出现高温腐蚀，而燃用烟煤的锅炉则均 未发现高温腐蚀。这说明煤种与高温腐蚀有很大关系。煤中的硫和硫化 物是形成腐蚀物质的基础，而煤的燃烧特性则直接影响近壁还原性气氛 的生成。 ( 1 ) 煤质含弼t 量高。对发生高温腐蚀锅炉所燃用煤质进行统计分析 表明，大部分锅炉的燃煤含硫量均在1 2 以上，有些甚至高达2 3 。 高含硫量使煤在燃烧中产生更多的腐蚀性物质，加速水冷壁的腐蚀。由 于煤质含硫量高而直接造成高温腐蚀的最突出的例子是南定电厂拌l 、2 炉。根据我省锅炉高温腐蚀情况普查结果，发生严重高温腐蚀的多为 1 0 0 0 t h 以上高参数、大容量锅炉( 因为水冷壁表面温度高，易发生高 温腐蚀) ，中、小型锅炉较少出现高温腐蚀。南定电厂群1 、2 炉均为4 1 0 t h 锅炉，但也出现严重高温腐蚀，这其中有燃烧器结构布置方面的原因， 但更重要的原因是煤质，南定电厂燃煤的收到基含硫量一般在2 左右， 高时达3 以上，属于典型的高硫贫煤，由此造成水冷壁高温腐蚀速度 达3 m m 1 0 4 h 。 ( 2 ) 贫煤的燃烧特性。上述锅炉所燃用贫煤的分析基挥发份一般在 1 0 左右，最低为6 ，大多属于难燃煤种。实验表明结果，相同温度 下贫煤的燃烧速度远低于烟煤。根据清华大学傅维标教授提出的“通用 着火特性指标”即f z = ( v a d + m a d ) 2 x ( f c ) a d x1 0 4 来判断煤的燃 山东大学硕士学位论文 烧特性，其判别范围如表2 4 ： if z0 5 o5 lo 1 0 1 5 1 5 2 o 2 0 h 类别 极难燃难燃准难燃易燃极易燃 以此方法计算，我省电力用贫煤的f z 为o 5 1 2 ，平均f z = 0 9 ， 且近年来逐年降低，有的厂降到平均f z = 0 6 左右，按表中数值分类， 这些煤种均属于难燃煤种，有些属于极难燃煤种。由于煤种燃烧性能降 低，煤粉的着火温度升高，燃烧速度降低，燃烧过程延迟，燃烬度差， 大量未燃烬煤粉颗粒聚集在水冷壁附近，形成还原性气氛，造成高温腐 蚀。 b 四角切圆燃烧方式造成炉内燃烧风粉分离。这是四角切圆燃烧 锅炉普遍存在的问题。目前四角切圆燃烧锅炉普遍采用集束射流着火方 式，一、二次风间隔布置并以同一角度平行射向炉内。理想的着火过程 应该是一次风喷出后不久既被动量较大的二次风所卷吸，射流轨迹变 弯，形成一转弯的扇形面，并卷吸周围高温烟气，形成着火区，着火后 的一次风被卷入二次风射流中燃烧。由于一次风射流混入动量大的二次 风中，使火炬射流刚性加强，不易受干扰，从而在整个燃烧器区域内形 成一个燃料与空气强烈混合的，稳定燃烧的旋转火炬。 但是炉内实际燃烧过程却并非如此。为了保证稳定燃烧，一次风出 口风速通常控制较低( 贫煤锅炉一般在2 0 2 5 m s ) ，而二次风速一般 在4 0 5 0 m s 之间，从而一、二次风的射流刚性相差较大。一、二次风 射流喷出燃烧器后由于受到上游邻角气流的挤压作用及左右两侧不同 补气条件的影响，使气流向背火侧水冷壁偏转，此时刚性较弱的一次风 射流将比二次风偏转更大的角度，从而使一、二次风分离。一、二次风 的刚性相差越大，这种分离现象越明显。由于部分一次风射流偏离了二 次风，煤粉在缺氧状态下燃烧，在射流下游水冷壁附近形成局部还原性 气氛，这是引发高温腐蚀的一个重要原因。 c 高参数、大容量带来的问题 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 壁温。亚l 瞄界压力锅炉饱和水温约3 6 0 c ，水冷壁管的外壁温度 可达4 0 0 。c 以上，温度升高，各种腐蚀物质更容易形成。有资料表明， 当壁温低于3 0 0 c 时，腐蚀速度很慢或不腐蚀。而壁温在4 0 0 5 0 0 c 的 范围内，管壁外表面温度每升高5 0 c ，烟侧的腐蚀程度将要增加一倍。 因此高压以上参数的锅炉容易出现水冷壁高温腐蚀。 ( 2 ) 断面热负荷。锅炉断面热负荷随锅炉容量的增加而增大，使得 水冷壁壁面金属温度升高，因此大容量锅炉相比小容量锅炉燃烧稳定性 增加，而炉内发生高温腐蚀的潜在危险增大。于是，水冷壁高温腐蚀在 大容量干态除渣炉的炉膛内出现，这是小容量低参数锅炉中所没有的。 ( 3 ) 单只燃烧器的功率。随着锅炉容量的增大，锅炉单只喷嘴的热 功率也逐步增大，四角切圆锅炉炉内平均单位质量气流的旋转动量矩也 明显增大，方面使炉膛内局部区域的燃烧强度和壁面热流强度随锅炉 容量的增加而增大，管壁外表面温度进一步升高；另一方面使煤粉气流 直接冲刷水冷壁的可能性增大。在这种热动力工况下燃用难着火的贫 煤，如果炉内燃烧工况组织不好，将造成局部区域严重缺氧，水冷壁高 温腐蚀也在所难免了。 d 特殊燃烧器的影响 ( 1 ) 热回流型燃烧器易引发高温腐蚀。近年来，随着电网调峰压 力加大，许多电厂采取各种手段来降低锅炉最低稳燃负荷，特别是燃用 贫煤机组，由于本身稳燃条件较差，不得不通过改造燃烧器来保证锅炉 低负荷稳燃的要求。在锅炉改造中采用较多的是热回流型燃烧器，如潍 坊发电厂群1 、2 炉、华德发电厂拌l 、2 、3 炉等均采用了稳燃性能较好的 双通道型煤粉燃烧器；而南定电厂撑1 、2 炉则在设计中就已充分考虑了 稳燃性能，采用了两层船体燃烧器集中布置方式。 热回流型型燃烧器的特点是在燃烧器出口区域存在强烈的回流区， 籍此回流高温烟气加热一次风粉气流来强化燃烧：同时热回流型燃烧器 的出口面积相对于普通燃烧器也较大。上述特点造成热回流型燃烧器的 出口气流刚性较弱，在上游气流的作用下极易发生偏转，造成煤粉气流 贴壁，引发高温腐蚀。另外由于热回流型燃烧器出口面积较大，在设备 改造时不得不压缩二次风的喷口面积来满足其安装要求( 如潍坊发电厂 山东大学硕士学位论文 撑1 、2 炉) ，或者将原来的两层一次风喷口合并成一个大的热回流燃烧 器喷口( 如华德电厂社1 3 炉) ，这样做的结果是造成该燃烧器区域局 部严重供风不足，极易产生还原性气氛引发高温腐蚀。 ( 2 ) 上下浓淡燃烧器的影响。上下浓淡燃烧器，如黄台电厂撑7 、8 炉采用的p m 型燃烧器，对降低n o x 排放、改善煤粉着火条件及提高 煤粉燃烧稳定性均有利。但浓股煤粉风粉比例较低，如果不能设法强化 其后期混合，则有可能导致还原性气氛加强，增加高温腐蚀的可能。为 充分发挥浓淡燃烧技术的特点，根本途径是使煤粉在进入燃烧器后，设 法在其着火区域使煤粉在一次风中实现局部浓淡分离，且随着一次风流 动的发展，借助于湍流扩散作用，浓缩煤粉与一次风中的空气自动混 合，有利于着火及降低n o x 排放量，而不会产生后期混合难的问题。 这可能是正确利用浓淡燃烧技术的方向。 e 运行状况的影响。燃烧对水冷壁高温腐蚀的影响主要是燃烧工况 不完善、燃烧切圆过大、锅炉配风不佳等原因造成煤粉在水冷壁附近强 烈燃烧或直接冲刷水冷壁，水冷壁附近烟气形成较重的还原性气氛，腐 蚀介质大大增加，导致水冷壁高温腐蚀的发生。 ( 1 ) 燃烧切圆大贴壁风速高。长期以来在锅炉的大小修检修期间 对各发生水冷壁高温腐蚀的锅炉进行冷态空气动力场试验。试验主要测 量项目是腐蚀区域强风环直径和贴壁风速。试验结果见表2 5 ： 表2 5 ：冷态试验数据表 项目黄台 8黄台押潍坊斧1青岛撑1 炉膛断面尺1 4 0 5 9 1 4 1 5 2 1 3 3 3 5 1 1 9 7 0 寸( m m )1 1 7 9 01 1 6 1 81 2 8 2 91 1 7 6 0 当量直径d1 2 8 2 5 1 2 7 6 01 3 0 7 21 1 8 6 4 假想切圆直 1 4 0 0 1 4 0 0 7 0 0 5 0 01 5 8 0 径( r n m )1 2 0 01 2 0 0 切圆直径1 2 0 5 0 9 6 0 0 9 5 0 09 9 7 0 ( r n m )1 1 6 0 48 8 0 09 7 6 0 当量切圆直1 1 8 2 3 9 1 8 39 5 0 09 8 6 4 径d ( m m ) 囊t r 、 山东大学硕士学位论文 相对切圆直0 9 2 o 7 20 7 30 8 3 径d d 切向最大风9 1 01 l1 2 速w 1 ( r r t s ) 贴壁风速 7 48 o91 0 w 2 相对贴壁风o 8 2 o 8o 8 20 8 3 速w 1 w 2 由上表数据可以看出，冷态试验中测量的以上锅炉的强风环直径是 偏大的，有的锅炉强风环最大风速处距水冷壁仅1 2 m 的距离热态时由 于炉内温度梯度的存在，气流膨胀，强风环直径会进一步扩大。因此以上 锅炉的燃烧强烈区域处在水冷壁附近，而炉膛中心相对是弱燃烧区域。 煤粉近壁燃烧十分容易造成水冷壁高温腐蚀，一方面使水冷壁表面温度 升高，可达到5 0 0 c 左右，另一方面使煤粉气流冲刷水冷壁，使水冷壁 壁面的腐蚀产物不断脱落，使腐蚀得以不断进行下去，此时如果配风或 运行调整不当就会使水冷壁的壁面附近缺氧，形成较强烈的还原性气 氛，为水冷壁高温腐蚀提供了条件。由上述试验结果还可以看到贴壁风 速较高，也说明强风环直径较大，煤粉气流贴壁冲刷水冷壁。热态运行 时使部分未燃烬煤粉冲刷至水冷壁上。由腐蚀区域来看，上面往往有大 量未燃烬黑色煤粉，正说明了这一事实。冷态试验中尽管尝试多种工况 试图减小强风环直径，但效果不明显。 ( 2 ) 煤粉细度控制不严格。上述锅炉都存在着入炉煤煤粉控制过粗， 飞灰可燃物偏高的问题，按目前的入炉煤质和燃烧调整试验结果，煤粉 细度应控制在r 9 0 = 1 1 1 2 ，考虑到有些汽温偏高以及煤质下降等问 题，入炉煤粉应再细一些。但上述锅炉入炉煤粉细度r 9 0 实测值普遍 偏高，有的长时间在r 9 0 = 2 0 左右运行，造成飞灰可燃物高达2 0 以 上。煤粉过粗不但导致着火推迟，燃尽度变差，而且在炉内旋转气流的 作用下，煤粉更容易贴壁燃烧，造成水冷壁附近缺氧。煤粉粗的原因主 要有两个，一是运行现场对控制煤粉细度的重要性认识不足，二是由于 实用煤质偏离设计煤质太大，煤质变差时制粉系统出力紧张，现场人员 山东大学硕士学位论文 往往将煤粉调粗以满足制粉系统的需要。 ( 3 ) 配风状况差。上述锅炉二次小风门控制大都用气动执行机构， 由于种种原因风门控制大都较乱，加上有的锅炉一二次风分配不合理， 炉内配风状况较差。大型锅炉燃烧器区高度一般只有9 l o m ，烟气在 炉膛内停留时间平均只有2 3 秒。如果一二次风射流在这样的高度范 围一开始就很混乱，燃烧后期就很难达到均匀。这也是煤粉着火燃尽差， 煤粉贴壁燃烧的原因之一。 3 、侧边风技术理论分析及试验研究 首先，对目前解决高温腐蚀常用的措施做一个简单的归纳。迄今为 止，从锅炉燃烧方面解决水冷壁高温腐蚀的措施有如下几种： ( 1 ) 合理配风及强化炉内湍流混合。合理配风及强化炉内湍流混 合的主要目的是避免局部出现还原性气氛。由于配风不良，即使供风量 足够，也会在炉壁附近形成很浓的还原性气氛。通过燃烧调整，合理配 风，可以有效减轻高温腐蚀。 ( 2 ) 各燃烧器问浓度分布均匀。保证四角燃烧器和每角燃烧器各喷 嘴风量均匀固然重要，但这需要向各燃烧器均匀输送煤粉才能在燃烧过 程中产生作用，否则各只燃烧器煤粉空气配比就不可能保持均匀。由 于锅炉机组一般由几台磨煤机供应煤粉，而一次风管又长短不一，弯头 数量各不相同。因此各段阻力及煤粉分布就难以保证均匀。为解决此问 题，可以采用优化煤粉管道设计布置、在煤粉管道中加装消旋装置及导 流板、避免周期性地停掉个别给粉机等措旖。 ( 3 ) 控制适当的煤粉细度。煤粉细度较粗时，火焰容易冲墙及煤粉 难以燃尽，在近壁形成还原性气氛，引起高温腐蚀及磨损。 ( 4 ) 采用浓淡风反切燃烧器。该燃烧器采用带二次风的水平浓淡分 离煤粉燃烧器和百叶窗煤粉浓缩器，其主要目的是形成炉内分级燃烧， 防止未燃尽粒子贴壁及水冷壁近壁还原性气氛出现。 ( 5 ) 在壁面附近喷空气保护膜。其工作原理是在水冷壁高温腐蚀区 域加装散风管，管上布置小孔，热风流经小孔后在水冷壁表面形成富氧 气氛以减轻高温腐蚀。 综合分析发现，上述几种措施具有共同的作用机理，即通过防止在 山东大学硕士学位论文 水冷壁近壁形成还原性气氛，来达到防止高温腐蚀的目的。从这一点来 看，在壁面附近喷空气保护膜的方法无疑是最直接和有效的。但目前常 应用的在壁面喷空气保护膜的方法是通过d , e l 进风，这对一般比较轻微 的高温腐蚀比较有效，但如果壁面附近还原性气氛过浓，则小孔的进风 量是远远不够的。因此需要对这一技术做进一步的改进，侧边风技术便 是在此基础上研制开发的新型防高温腐蚀技术。 3 1 侧边风技术作用原理 侧边风的主要作用原理是在高温腐蚀区域的上游水冷壁或在高温 腐蚀区域水冷壁上安装喷1 3 ，向炉膛内通入空气。采用侧边风技术可以 改变水冷壁高温腐蚀区域的还原性气氛，增加局部含氧量。一般情况下 可用二次热风作为侧边风的风源。侧边风喷口的大小形式、射流的速度 及射流的出口角度等决定了射流的刚性及与炉内烟气的混合程度。当射 流刚性较强时，其初始流动阶段保持原有方向，与上游高温烟气相遇产 生强烈混合扰动，使烟气中还原性气体成分氧化，同时有助于煤粉颗粒 的燃烧。随后由于炉内烟气运动的影响，混合气体( 侧边风与烟气) 的 下游偏向水冷壁，但此时已呈弱氧化性或中性状态，不会造成水冷壁高 温腐蚀，如图3 一l 所示。当射流刚性较弱时，在初始阶段即受烟气运动 的影响发生偏转，在其下游区域形成一层覆盖水冷壁表面的空气膜，防 止高温腐蚀产生。 山东大学硕士学位论文 图3 1 ：侧边风作用示意图 3 2 对侧边风技术的数值计算分析 对侧边风技术的研究主要集中在如下几个方面：侧边风燃烧器本身 的流动特性、侧边风与炉内气流的相互影响及侧边风的作用范围等。考 虑到现场试验的具体困难，我们首先采用数值计算的方法对上述几方面 进行研究分析。 数值计算程序采用英国c h a m 公司的p h o e n i c s3 2 软件。由于 气体流动是一个三维复杂的流动过程，目前，对炉内流动过程的数值模 拟最常用的是k e 双方程模型。因此，对炉内流动过程的数值模拟采 用该方法。对炉内流动来说，可以忽略体积力，其描述流动的基本方程 组为： 连续性方程 山东大学硕士学位论文 旦+ - - ( p u ，) = 0 fx j 动量方程 一( ，) + 一( ，“，) ：一p + - - ( a ( 兰+ 生) ) t 。xi。xi x jx ix i k 方程 一( 肚) + 一( ，七) ：一( 丝+ 鱼) + g 。一 t x j 。x j o k x i 方程 7 ( ) + f t ( p e ) = 一x j ( 冬三) + 丢( c - q c ：膨) 对任何一种对流一扩散现象的方程均可写成下列守恒型式： 一( p ) + ( ，) ：- - ( f 旦) + s tx j 。x j x j 对于该方程组来说，是一组耦合的非线性方程组。因此，在本项工 作中采用s i m p l e 方法求解。 对炉内流动来说，边