大型锅炉水冷壁高温腐蚀探讨

收稿日期 2002 05 08 作者简介 张翔 1965 男 1986年毕业于华中工学院电厂热能动力专业 现为上海锅炉厂有限公司设计处高级工程师 文章编号 CN31 1508 2002 08 0009 05 大型锅炉水冷壁高温腐蚀探讨 张 翔 邵国桢 上海锅炉厂有限公司 上海200245 关键词 水冷壁 高温腐蚀 防止措施 摘 要 从理论和实际出发 阐述了水冷壁发生高温腐蚀的类型 大型贫煤锅炉水冷壁发生高温腐蚀 的原因 四角切圆燃烧方式防止高温腐蚀的措施 针对石洞口电厂锅炉改造 提出防止高温腐蚀的具体 措施 中图分类号 TK223 9 文献标识码 B 0 前言 石洞口电厂4台SG 1025t h 16 67MPa 540 540UP型单炉膛燃煤直流锅炉 自投运以 来水冷壁暴露出许多问题 高温腐蚀严重 局部 应力集中 热敏感性强 同时锅炉最低不投油稳 燃负荷较高 导致机组的调峰能力和可靠性较 差 为了适应电力市场竞价上网的需要 石洞 口电厂采用了德国steinmuller公司技术方案 于1998年改造4号炉 2000年由我公司引进 德国steinmuller公司技术 改造3号炉 改造 后锅炉最低不投油稳燃负荷为40 ECR 锅炉 效率高于保证值 NOx排放优于国家标准 在 操作的灵活性和可靠性等方面 都得到了用户 和同行的好评 但改造后3 4号炉燃烧器上部 区域 水冷壁仍存在高温腐蚀 腐蚀区域为D 层至H层的煤粉喷口向火面角隅 4面墙均有 面积大致为3m 7m 经测定 在300MW负 荷时 高温腐蚀严重地方的烟气中O2仅为1 左右 4号炉自1998年10月投运至2000年10 月 水冷壁管壁腐蚀区域的最大减薄量为0 7mm 为完善石洞口1号炉改造方案 防止水冷壁高温 腐蚀 我们针对300MW等级锅炉进行水冷壁高温 腐蚀情况调研 1 高温腐蚀的产生机理和判据 在燃煤锅炉中 高温腐蚀分3种类型 硫酸 盐型 氯化物型和硫化物型 水冷壁高温腐蚀 通常是由这3种类型腐蚀复合作用的结果 其 中尤以硫化物型和氯化物型为主 硫酸盐型腐蚀的形成 在炉内高温下 煤中 的NaC1中的Na 易挥发 除一部分被熔融硅 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 再与SO3化合 并生成K2SO4 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作用生成焦硫酸盐 Na K 2S2O7 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 表面温度增高 当表 面温度升高到熔点 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 第33卷第8期 2002年8月 锅 炉 技 术 BOILER TECHNOLOGY Vol 33 No 8 Aug 2002 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 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 且反应速度更快 氯化物型腐蚀的形成 在炉内高温下 原煤 中的NaCl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 会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 超过一定范围的还原性气氛中则更为强烈 硫化物型腐蚀的形成 硫化物型腐蚀是黄 铁矿硫造成的 黄铁矿粉末随着未燃尽煤粉到 达水冷壁管上 受热释放出单原子硫和硫化亚 铁 另外 管壁附近的硫化氢和SO2超过一定 浓度时 也会生成单原子硫 而单原子硫在还原 性气氛中 当管壁温度达到350 时会发生硫 化反应 生成硫化亚铁 同时硫化氢可以透过 Fe2O3 与磁性氧化铁Fe3O4 即Fe2O3 FeO 中 的FeO反应 也生成硫化亚铁 最后这些硫化 亚铁缓慢氧化 生成黑色的磁性氧化铁Fe3O4 使管壁不断地受腐蚀 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 为水冷壁的高温腐蚀提供了外部条件 要 确定大型锅炉炉内水冷壁是否发生高温腐蚀 可 以通过停炉检修时的水冷壁壁厚普查和运行时 的壁面气氛试验确定 根据调研 我们发现水冷 壁管壁腐蚀速度一般为0 8 1 5mm 104h 而运 行时水冷壁发生高温腐蚀的判据为 1 燃煤中的Sar 1 2 水冷壁附近O2 2 3 腐蚀区域的水冷壁管壁温度T 350 2 大型贫煤锅炉发生高温腐蚀的原因 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 号炉曾于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 通过调研 我们认为大型贫煤锅炉水冷壁发生高温腐蚀的 原因为 1 贫煤着火困难 火焰传播速度慢 导 致未燃尽的煤粉颗粒增多 造成水冷壁附近一 些区域缺氧燃烧 而出现还原性气氛和腐蚀 气体 2 贫煤着火困难 为改善其着火 通常 采用大切圆 并在一次风喷口布置了各种型式 的稳燃器 在一定程度上影响了一次风的刚 性 造成煤粉火焰刷墙 3 贫煤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 加速高温腐蚀 4 在燃用贫煤时 一般采用钢球磨热风 送粉 为保证燃烧的稳定性和满足低NOx要 求 一般采用了加装顶部燃尽风 OFA 的分 级送风原理 加上顶部三次风的存在 致使炉 内中 下部风量减少 水冷壁附近容易产生还 原性气氛和腐蚀性气体 5 在燃用含硫量和灰份较高的贫煤时 尾部容易发生低温腐蚀 如果空气预热器漏风 和堵灰严重 会导致送 引风机难以提供满足 炉内燃烧需要的空气量 促使了水冷壁附近形 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 会导致高温腐蚀加剧 01 锅 炉 技 术 第33卷 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved w w w b z f x w c o m 3 防止高温腐蚀的措施及应用情况 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 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 沿一次风流向炉膛中心 线附近及下游的水冷壁壁面 这类锅炉设计 时 防止水冷壁高温腐蚀的一般原则 炉内切 圆直径取小值 防止煤粉火焰冲刷墙壁 增强 一次风刚性 在一次风喷口 两侧尤其是背火 侧增加周界风或侧二次风 以刚性较强的二次 风支撑一次风气流 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 适当加大炉膛的截面积 以防止炉 膛结渣和积灰 同时 加大喷燃器的高宽比 以便燃烧器区域的温度较为平缓 防止局部温 度过高 目前 一些电厂采用水平浓淡分离燃烧器 防止高温腐蚀 但效果不尽如人意 汉川电厂 和青岛电厂是我公司早期引进美国燃烧工程公 司技术 设计制造的贫煤锅炉 在投运初期 汉川电厂存在低负荷稳燃问题 而青岛电厂则 发生高温腐蚀 下面是哈尔滨工业大学采用水 平浓淡分离燃烧技术 进行燃烧器改造的 情况 3 1青岛电厂 青岛电厂300MW锅炉为亚临界控制循环 锅炉 燃料为晋中贫煤 燃烧器采用四角切圆燃 烧方式 青岛电厂1 2号炉分别于1995 1996 年投运 在1997年的第一次大修中发现1号炉 水冷壁燃烧器区域高温腐蚀严重 前后墙和两 侧墙的水冷壁管都有减薄 我们统计过1996 2000年期间电厂入炉煤煤质资料 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 为解决锅炉存在的 水冷壁高温腐蚀问题 该厂对1 2号炉进行燃 烧器改造 即 把16只WR型煤粉燃烧器全部 改成水平浓淡分离燃烧器 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 为了解改造效果 该厂组织了哈 尔滨工业大学 山东省电力科学研究院在2号 炉上进行现场试验 内容包括侧二次风与一次 风 二次风的动量比特性试验和水冷壁壁面氧量 测量 试验工况 2号炉改造后 负荷300MW 省煤器出口氧量5 6 1号炉改造前 负荷 300MW 省煤器出口氧量6 0 结果见表1 表1 改造前后对比试验情况 Vdaf Aad Qad netkJ kgR90 燃烧器区域壁面氧量 1号炉 改造前 122026 5179 490 8 0 3 2号炉 改造后 10 952724 52510 341 5 3 6 3 2汉川电厂 汉川电厂300MW锅炉为亚临界控制循环 锅炉 燃料为晋东南潞安贫煤 燃烧器采用四角 切圆燃烧方式 为提高锅炉低负荷稳燃能力 电厂于2000年10月对燃烧器进行改造 即 对 燃烧器下两层一次风8个喷口的风粉混合气流 在水平方向进行浓淡分离 淡相气流布置在背 火侧 浓相气流布置在向火侧 并将原来一次风 喷口的周界风改成侧二次风 2001年8月后 墙水冷壁发生爆管 停炉检查发现四面墙的水 冷壁管均有不同程度的减薄 具体爆管位置 在 标高18m处 后墙2号角第48根水冷壁管 我们统计过2001年1 8月电厂入炉煤煤质资 料 电厂用煤中含硫量平均为0 44 最高仅 11 第8期张翔 等 大型锅炉水冷壁高温腐蚀探讨 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved w w w b z f x w c o m 为1 18 与设计煤种的含硫量Sar 0 35 相 差不大 为查清燃烧器改造对壁面气氛的影 响 该厂组织了西安热工研究院等单位在1号 炉上进行现场试验 内容包括冷态空气动力场 和热态水冷壁壁面气氛测量 在燃烧器区域布 了60个测点 其中40点在气流下游 试验结 果 一 二次风切圆比原来大 并且一次风射流刚 性较差 有明显的气流刷墙现象 在290MW负 荷时 最好的运行工况 水冷壁壁面也有15个测 点的O2 2 并且有多点O22 综上所述 水平浓淡分离燃烧器将一次风 煤粉气流在水平方向进行浓淡分离 淡相气流 布置在背火侧 浓相气流布置在向火侧 并将原 来一次风喷口的周界风改成侧二次风 在某种 程度上改善了燃烧器区域壁面气氛 缓解高温 腐蚀 但是采用水平浓淡分离后 燃烧器区域 的燃烧温度升高 这是其低负荷能稳定着火燃 烧的原因 但炉内水冷壁局部壁温会相应升高 也会加速高温腐蚀进程 研究表明高温腐蚀与 管壁温度有关 腐蚀速度与壁温呈指数关系 壁 温在300 500 之间每升高50 腐蚀速度增 加1倍 4 石洞口电厂3 4号炉改造方案中高 温腐蚀的防治措施 石洞口电厂4台SG 1025t h 16 67MPa 540 540 UP型单炉膛燃烧直流锅炉 为传统的 型 全悬吊钢结构 炉膛断面为带切角的矩 形 宽13 035mm 深12 195mm 切角为45 切 角边长980mm 主燃烧器布置在炉膛四个切 角上 切圆燃烧 一次风采用相对集中布置 共 6层 一次风喷嘴两侧为周界风 二次风喷嘴共 有5层 其中编号为A F I 3层布置重油枪 三 次风共2层布置在前后墙 同层每对角1台排 粉机 改造后的锅炉总体布置仍为传统的 型 全悬吊钢结构 炉膛断面为带切角的矩形 宽13 035mm 深12 100mm 切角边长1 3号角 为2 164mm 2 4号角为2 213mm 燃烧器下倾 10 四角切圆燃烧 切圆直径为1 500mm 炉 膛前 后墙各有2层三次风喷口 上层与A磨 相连 下层与B磨相连 四角三次风K层1 3 号角与C磨相连 2 4号角与D磨相连 炉膛 上部每面墙有2个燃尽风喷口 新增的核心 风 周界风和燃尽风从空气预热器后的二次风 引出 风量按负荷变化进行分配 过燃风1 中 间风 底部风和偏置风均有调节挡板 过燃风2 装有隔绝挡板 石洞口3 4号炉改造方案 防 止高温腐蚀的相关措施为 4 1炉膛热力参数的选取 汉川 青岛电厂1025t h锅炉的容积热负荷 为130 133kW m3 截面热负荷为5 69MW m2 切圆直径为1 600 1 800mm 石洞口1025t h锅炉 容积热负荷为130kW m3 截面热负荷为5 31 MW m2 切圆直径为1 500mm 其他同类型电厂 截面热负荷为4 60 5 70MW m2 切圆直径为 1 300 1 800mm 4 2大切角的应用 一般地说 一次风的偏转 刷墙 是形成和 加速炉内高温腐蚀的重要条件 而一次风两侧 补气条件的差异 是造成一次风偏转的重要因 素 为了改善补气条件 四角切圆燃烧方式 现 在大多采用了切角布置 我公司300MW等级 锅炉炉膛切角边长一般为1 500mm左右 改造 后的石洞口1025t h锅炉炉膛 切角边长为 2 200mm左右 4 3一次风间隔布置 国内许多电厂燃用劣质煤锅炉的燃烧器 采用一次风相对集中布置 这种方式容易造成 炉内局部缺氧燃烧和局部热负荷高 是产生炉 内高温腐蚀的重要原因 汉川 青岛电厂一次 风喷口共4层16只 相对集中布置 而改造后 的石洞口1025t h锅炉 采用一次风间隔布置 一次风喷口共6层24只 这样一来 减缓燃烧 器区域的热负荷梯度 减弱了高温腐蚀的趋势 4 4偏置风喷口的设置 很显然 偏置风喷口的设置 有利于避免两 21 锅 炉 技 术 第33卷 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved w w w b z f x w c o m 侧墙缺氧 降低NOx产生 防止燃烧器附近结 焦 并且在偏置风喷口前 有2个手动导流板 可由调试人员调整用 以改变炉内水冷壁附近 烟气气氛 4 5风煤比的控制 国内燃用劣质煤电厂的制粉系统 一般采 用中间仓储式 钢球磨热风送粉系统 大多数各 层一次风管或同层一次风管间的煤粉浓度偏差 很大 运行人员很难调整 而这一偏差容易造 成局部缺氧燃烧 一次风冲刷墙壁 发生高温腐 蚀 改造后的石洞口1025t h锅炉燃烧系统 在风量测量与控制 煤粉浓度测量与控制等方 面 有许多调节手段 能有效地保证风煤比在设 计范围 5 石洞口1号炉改造方案的完善 众所周知 解决劣质煤的稳燃与防止高温 腐蚀的发生 在许多技术的应用上是矛盾的 石 洞口3 4号炉的改造方案中在防止高温腐蚀方 面 德国steinmuller公司采取的措施与国内厂 家的经验是一致的 改造后的性能试验和电厂 运行实绩也说明3 4号炉改造是成功的 改造 方案兼顾了燃烧稳定和防止高温腐蚀两方面的 要求 接下来的1号炉改造 应该在3 4号炉的 改造方案上进一步完善 防止高温腐蚀 4号 炉启动调试中发现 300MW负荷时炉膛风量 为87万Nm3 h 小于正常风量92万Nm3 h 此时 送风机电流为90A 额定电流为85A 引 风机电流为200A 额定电流为180A 这种情 况一方面是由于尾部烟井和预热器漏风大 另 一方面风道阻力较大尤其是燃尽风道阻力大 通流能力不足造成的 尤其是在高负荷区段 燃尽风风量达不到要求 为此 1号炉改造方 案应包括尾部烟井和预热器的漏风改造 并完 善风道设计 提高送 引风机的调节裕度 另外 许多电厂采用水冷壁表面喷涂技术 防止高温腐蚀 效果很好 如青岛电厂 目前水 冷壁采用等离子体喷涂 有效使用周期可达5 年 能满足电厂正常检修需