大型锅炉水冷壁高温腐蚀分析及改进措施

1、收稿日期:2003 07 14.作者简介:姚 斌(1970 ,男,博士研究生;武汉,华中科技大学煤燃烧国家重点实验室(430074. E mail:yaobinhust大型锅炉水冷壁高温腐蚀分析及改进措施姚 斌1曾汉才1焦庆丰2(1华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074;2湖南电力试验研究所,湖南长沙410007摘要:针对石门电厂锅炉水冷壁存在的高温腐蚀现象,通过高温腐蚀垢样分析断定硫化物型高温腐蚀,从煤的含硫量、煤质特性、炉内切圆大小、一次风气流偏转贴墙情况、煤粉细度等方面分析了水冷壁发生高温腐蚀的原因,研究认为靠近水冷壁的还原性气氛是造成高温腐蚀的重要原因,针对具体原因,提

2、出了一次风反切、侧边风技术、运行调整等改进措施.关 键 词:大型锅炉水冷壁;高温腐蚀;还原性气氛;反切中图分类号:T K 31 文献标识码:A 文章编号:1671 4512(200403 0020 03The high temperature corrosion on water cooled wall inlarge scale boiler and its improvementYao Bin Zeng H ancai Jiao Qingf engAbstract:In the view of high temperature corrosion on w ater cooled w al

3、l in the furnace,the type of high temperature corrosion was described by analyzing corrosive product.Several aspects of high temperature corrosion on the w ater cooled walls w ere investigated such as the content of sulfur,circle diam eter,velocity of primary air,coal quantity,fineness of pulverized

4、 coal.The main reason of the high temperature corro sion w as the near wall reducing g as.Some measures were put forw ard to improve it.Key words:large scale boiler;water cooled wall;high tem perature corrosion;reducing gas;anti tangent Yao Bin Doctoral Candidate;State Key Lab of Coal Combustion,Hua

5、zhong U niv.of Sci.&Tech.,Wuhan 430074,China.湖南石门电厂安装300M W 火电机组,其锅炉系哈尔滨锅炉厂引进美国CE 公司技术生产的HG1021/18.2 540/540 M W10型亚临界压力中间再热自然循环汽包炉,设计为单炉膛, 型布置、平衡通风及四角切圆燃烧方式,锅炉设计燃用煤种为晋东南无烟煤和陕西黄陵烟煤各50%组成的混煤1.在锅炉大修中,已经发现燃烧器高度区域水冷壁存在高温腐蚀现象,部位如图1所示.测试结果表明:设计壁厚8mm 的水冷壁管,高温腐蚀严重处壁厚为6.87.1mm,已经减薄1.20.9mm,腐蚀速度约0.7 1.3mm

6、/(1 105h,照此速度发展下去,几年内可能发生大面积水冷壁爆破泄漏事故,因此尽快研究其腐蚀机理及形成原因,寻求解决技术途径,已成为一项紧迫的任务.图1 腐蚀部位示意图第32卷第3期 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版 V ol.32 No.32004年 3月J.Huazhong U niv.of Sci.&T ech.(Natur e Science Edit ionM ar. 20041 高温腐蚀类别水冷壁高温腐蚀是一个极其复杂的物理化学过程2,从发生的机理来看,一般可分为三类:硫酸盐型、硫化物型和氯化物型.1.1 硫酸盐型高温腐蚀硫酸盐型高温腐蚀主要是煤种的碱性成分通过

7、生成硫酸盐和焦硫酸盐来对水冷壁管进行腐蚀,硫酸盐型水冷壁高温腐蚀过程通常伴随有结焦或结渣的发生.1.2 硫化物型高温腐蚀在燃烧器高度区域内,由于尚未燃尽的火焰直接冲刷到水冷壁管,使得燃料继续燃烧时消耗了大量氧气,从而使水冷壁管的外表面产生了硫腐蚀,硫化物型的高温腐蚀过程与黄铁矿的结渣过程也总是同时存在的3.1.3 氯化物型高温腐蚀近年来很多研究结果表明,燃用高氯化物燃烧时,炉内氯化氢腐蚀是确实存在的,应给予重视.测试发现石门电厂混煤中含氯量仅为0.022%,远远低于引起腐蚀的氯含量,可以不考虑煤中氯的影响.对石门电厂水冷壁高温腐蚀垢样分析如表1所示.可以看出,其腐蚀垢样的主要成分是Fe2O3,

8、表1 石门电厂水冷壁高温腐蚀垢样分析(%w SiO2w Al2O3w Fe2O3w CaO w MgO w N a2Ow K2Ow TiO2w MnO w P2O5w SO36.37 3.0564.700.910.040.270.040.250.230.1116.20SO3等,即具有高硫、高铁,而Si,Al含量较低的特点,可以断定腐蚀为硫化物型高温腐蚀.2 原因分析2.1 煤中含硫量高据统计,我国煤中大约有60%70%的硫为无机硫,30%40%的硫为有机硫.在无机硫中,绝大多数为黄铁矿硫,硫酸盐硫只占较少比例.因为黄铁矿对结渣和腐蚀影响极大,所以受到人们重视.因此,有必要测定煤的全硫及各种形态

9、硫,石门电厂用混煤的全硫及各种形态的测定结果如表2所示.表2 测定全硫及各种形态硫的含量(%w全硫w硫铁矿硫w硫酸盐硫w有机硫1.220.620.380.222.2 煤质原因石门电厂锅炉设计燃用晋东南和陕西黄陵烟煤各50%的混煤,由于煤炭供应,交通运输等原因,一直燃用以劣质无烟煤、劣质贫煤为主的本省煤,主要来自涟源、邵阳、娄底等地区.根据西安热工研究院对涟源、邵阳、娄底等地区煤质挥发份成份测试表明,挥发份中结晶水、二氧化碳等惰性气体较多,H2,CH4等可燃成分较少,挥发份释放温度高,且挥发分释放缓慢,煤粉烧尽时间长,燃尽性能差,容易在水冷壁上形成还原性气氛.2.3 炉内切圆过大由于锅炉设计时考

10、虑到燃烧混煤,为了达到强化燃烧,采用了较大的切圆,但这会造成煤粉气流贴壁导致高温腐蚀.炉内冷态空气动力场试验表明,一次风气流离开喷口后,在上下二次风掺混和上游气流作用下,发生了较大偏转,测试结果表明,切圆直径为88.3m,明显偏大.2.4 一次风气流偏转贴墙设计时考虑到烧无烟煤和贫煤,该炉设计中选了较高的二次风速(43.5m/s和较低的一次风速(22.5m/s,从而加大了一、二次风的射流刚性差异.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

11、相差越大,这种分离现象越明显.冷态试验中用长飘带观察一次风喷口气流刚性,通过试验发现,一次风气流离开喷口后,发生较大的偏转.一次风射流中下游明显贴墙.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,在射流下游形成局部还原性气氛.双通道燃烧器加剧了一、二次风分离.在一定程度上,回流越强烈,烟气回流量越大,稳燃效果越好,但强烈的回流区也使一次风速度急剧衰减;由于双通道燃烧器预燃室出口面积比原一次风出口面积增大了一倍多,使一次风出口速度大大降低,这两种因素使得一次风刚性减弱,容易发生偏转.双通道燃烧器的使用加剧了一、二次风分离,容易产生高温腐蚀.2.5 煤粉细度偏粗该锅炉的制粉系统是针对设计煤

12、种设计的,当燃用本省的劣质煤时,会加大制粉系统的负担,21第3期 姚 斌等:大型锅炉水冷壁高温腐蚀分析及改进措施但制粉系统的分离效率下降,导致煤粉颗粒变粗.煤粉细度对高温腐蚀的影响很大.煤粉颗粒太粗将导致火矩拖长,同时影响煤粉的燃尽,使未燃尽煤粉颗粒聚集在水冷壁附近,加剧高温腐蚀,根据以往的经验,贫煤的煤粉细度R90应该控制在10 %左右,而该炉煤粉细度的R90为18%20%,在这样粗的煤粉细度下燃烧,炉内运行工况将会恶化.3 改进措施3.1 一次风反切将一次风喷口偏转一定角度,使其形成一个与原假想切圆旋转方向相反的、直径较小的假想切圆.该措施对防止高温腐蚀有明显效果,同时对提高锅炉稳燃能力及

13、预防结焦也有一定作用.其原理是,反切的一次风喷出后,运动的初始方向与主气流旋转方向相反,因而受到上游高温气流的阻滞和扰动,使煤粉射流速度迅速衰减,从而延长了煤粉颗粒在高温烟气中的停留时间,有助于着火和稳燃.一次风射流在速度衰减过程中,由于受到主气流的挤压作用,其运动方向将逐渐转向主气流方向,而射流中的空气由于惯性小即先于煤粉转向,从而使大量煤粉颗粒被分离在靠近炉膛中心区域,形成风包粉!的燃烧方式,防止高温腐蚀的发生4.一次风反切示意图如图2所示.石门电厂锅炉炉膛的数值模拟的结果表明,将B,C,D层一次风反切6,可以有效地防止高温腐蚀的发生,而对锅炉的燃烧效率没有影响.3.2 侧边风技术所谓侧边

14、风就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口,向炉膛内通入空气.采用侧边风的主要目的是改变水冷壁高温腐蚀区域的还原性气氛,增加局部含氧量.一般情况下以二次风作为侧边风的风源. 侧图2 一次风反切示意图边风技术是防止水冷壁高温腐蚀的有效措施之一,该技术对炉内燃烧过程没有任何副作用,由于二次风分级,因此同时可以降低氮氧化物5.3.3 运行上的改进措施采用增大过剩空气系数、多台磨煤机不同时投运、空预器堵漏和防止堵灰、降低煤粉细度等措施.参考文献1焦庆丰.300M W火电机组调峰运行优化调整技术.中国电力,1999,32(9:27312岑可法.锅炉和热交换的积灰、结渣和腐蚀的防止原理与计算.北京:科学出版社,1995.3Richard W,Bry ers.F ireside Slag ging,Fouling,andHig h temperatur e corrosio n of Heat transfer