某330MW四角切圆燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及调整研究

某330MW四角切圆燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及调整研究
发布时间：2021-05-25T04:12:32.602Z 来源：《中国科技人才》2021年第7期作者：高亚芳
[导读] 该锅炉是东方锅炉厂设计的330MW亚临界燃煤锅炉，具有中间一次再热、均衡通风、四角切向燃烧、全钢架悬吊结构、半开放式布置、固体排渣等优点。

制粉系统为正压直吹式，双进口双出口钢球磨煤机冷却一次风机。

共有3个磨煤机，不用于设备。

磨煤机一侧同一层装有4个煤粉燃烧器。

身份证号码23020219890703**** 黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：针对330MW亚临界切向燃烧煤粉锅炉水冷壁高温腐蚀严重的问题，通过对设备结构、冷态动态现场试验结果、水冷壁焦样和腐蚀产物以及炉内还原气氛试验的分析，得出了锅炉水冷壁高温腐蚀的原因。

通过调整二次配风方式，探讨水冷壁高温腐蚀对氮氧化物排放特性的影响。

结果表明，低氮燃烧器改造后，主燃烧区二次风量比例降低，导致上部两个燃烧器和燃尽风箱下部区域高温腐蚀严重。

同时，管壁减薄面积与热还原气氛试验结果和水冷壁渣样成分试验结果一致。

成分分析表明，硫化物腐蚀主要发生在该地区。

切圆当量直径过大，上下厚薄燃烧器存在严重的刷壁问题，也加剧了高温腐蚀问题。

煤的低热值和高硫含量是高温腐蚀的主要原因。

燃烧高挥发分烟煤不能解决高温腐蚀问题。

通过调整二次风比例，H2S含量可降低62%，但炉膛出口氮氧化物含量可提高21%。

关键词：四角切圆燃烧；高温腐蚀；水冷壁；还原性气氛；燃尽风；焦渣
1设备概述
该锅炉是东方锅炉厂设计的330MW亚临界燃煤锅炉，具有中间一次再热、均衡通风、四角切向燃烧、全钢架悬吊结构、半开放式布置、固体排渣等优点。

制粉系统为正压直吹式，双进口双出口钢球磨煤机冷却一次风机。

共有3个磨煤机，不用于设备。

磨煤机一侧同一层装有4个煤粉燃烧器。

为配合超低排放改造，该装置对低氮燃烧器进行了全面改造。

改造后燃烧器布置在四角，切向燃烧，一次风完全由水平浓淡分离变为上下浓淡中间燃烧钝体稳定的燃烧器。

A层一次风标高与原设计相同。

上层一次风标高大幅降低1.3m，二次风燃烧器由8层改为7层。

适当减少主燃烧器区域的二次风量，形成纵向空气分级。

从炉底沿炉膛高度方向布置六层一次风燃烧器（A、B、C、D、E、F），两层一次风之间布置一层二次风。

主燃烧器上方约7米处设有4层高位燃尽风喷嘴，高位燃尽风喷嘴可同时上下左右摆动。

2高温腐蚀原因分析及调整
2.1冷动力场测试与分析
为了分析水冷壁高温腐蚀的原因，进行了冷态动态现场试验。

为保证二次风速更接近热工况，试验中所有燃尽风门均关闭，运行风量1300t/h，二次风门开度30%，二次风速约40m/s，一次风速约28 m/s，在炉内拉十字拖缆示踪，同时测风速。

试验结果表明，炉膛中心有一个直径为2.4m的无风区，计算的切向当量直径为0.75。

一般切向当量直径为0.53~0.67[10~12]。

风速为25m/s和30m/s时，A层煤粉燃烧器气流刚性好，气流不刷墙向炉膛中部发散。

风速降至16m/s时，气流刚性较弱，气流向水冷壁发散。

风速分别为16m/s和25m/s时，b、c、d、e、f层上下浓度分离煤粉燃烧器明显刷壁。

稀相风速约为密相风速的1/2，稀相刷墙严重。

一次风速
30m/s，喷嘴风速45m/s时，气流刚性强，刷壁现象减少，但仍有刷壁现象。

挡板开度10%，风速20m/s时，二次风刚性很弱，刷墙严重。

AA层二次风挡板开度为50%，风速为40m/s时，气流刚性强，墙面不粉刷。

其他层二次风燃烧器在提高风速的过程中没有明显的改善。

周边风也有明显的刷墙现象，风速增大时，刷墙现象没有改善。

据分析，燃烧器切圆过大，造成热工况下火焰刷壁的问题。

熔融的煤灰或未燃尽的煤粉接触水冷壁后，温度迅速下降，附着在水冷壁上形成渣块，未燃尽的物料继续燃烧，造成水冷壁周围大量耗氧，形成还原气氛。

此外，由于机组掺入了一些低灰熔点的煤，为了缓解机组掉焦问题，操作人员将主燃烧区的二次风门保持在10%-15%之间，导致二次风刚性较弱。

同时，为了防止煤粉管道积粉，提高机组对负荷的响应速度，运行中一次风压偏高，二次风不能很好的吸收煤粉，造成煤粉刷壁问题。

2.2水冷壁焦渣样及腐蚀物分析
分别对A ~D层燃烧器、D ~F层燃烧器和COOFA~SOFA1二次风之间的焦渣和水冷壁腐蚀层进行了取样，并对XRD图谱进行了分析。

样品1是首席运营官FA和SOFA 1之间的焦渣样品。

观察其外观，明显分为三层。

最外层是大孔渣样，主要由硅酸盐和铝酸盐组成，只有少量硫化物，碳含量为零，属于表面结渣，是燃烧充分的最外层。

样品1的中间层为淡黄色，孔隙结构较小，主要由FeS、ZnS和铝硅酸盐等组成。

样品中总硫含量达到17.3%，说明该区域高温硫腐蚀严重，而该层碳含量为零。

分析表明，小孔结构使附着在水冷壁上的未燃碳与水冷壁附近的氧气接触，继续燃烧直至燃尽。

样品1最内层为黑色，结构松散。

主要成分为FeS、FeS2、PbS、ZnS和硅铝酸盐，含碳量高达7.8%，充分证明该区域煤粉存在刷壁问题，有大量的FeS和FeS2，说明该区域的腐蚀为硫化物腐蚀。

样品2为D层和f层燃烧器之间水冷壁上的焦渣样品，样品为黑色，主要成分为FeS、ZnS、硅酸盐和铝酸盐，含碳量为1.64%，说明该区域刷壁和缺氧问题也比较严重。

样品3为A
层和D层燃烧器之间水冷壁的渣样，呈淡褐色，松散，主要由二氧化硅、硅酸盐和铝酸盐组成，含碳量为0。

样品4是燃尽风作用下水冷壁区域水冷壁层的腐蚀样品。

样品为黑色，与水冷壁接触的一侧为深蓝色。

主要成分为磁黄铁矿（FeS）、PbS和Fe7S8。

水冷壁焦炭样品中锌和铅含量较高，主要来源于煤，由铅（g）、锌（g）、氧化铅（g）、氧化锌（g）、碳酸铅和碳酸锌与H2S反应生成。

（a）首席运营官FA ~ SOFA 1二次风之间的焦炭样品；（b）D ~F层燃烧器之间的焦炭样品；（c）A ~ D层燃烧器之间的焦炭样品；（d）水冷壁腐蚀层样品
2.3锅炉水冷壁附近还原气氛的测试和调整
热工况下，主蒸汽流量为1080t/h，运行含氧量为3.1%，主燃烧区二次风门开度为25%，燃尽风门开度为100%。

对水冷壁附近的还原气体和炉膛温度进行了全面测试，使用SPGASPORT和TESTO350烟气成分分析仪，SPGASPORT采用光学测试原理，而TESTO350采用电化学测量方法。

在整个试验区内，火侧还原气氛明显高于背火侧，与相关研究结论一致。

D层燃烧器下方没有H2S和低一氧化碳含量。

结合焦渣样品的测试结果可以看出，炉膛温度低，截面热负荷低。

F层燃烧器区域，CO含量达到12.37%，H2S含量达到1458ppm，为强还原气氛[16 ~ 19]，而从COOFA到SOFA的下层区域也属于强还原气氛区域，与焦渣样品成分分析一致，该区域炉温最高，燃烧剧烈，但该区域没有二次风送来，导致燃烧严重缺氧，高温腐蚀严重。

燃尽风上方的还原气氛开始大幅减少，属于弱还原气氛。

还原性强的位置可以一一对应水冷壁的实际减薄位置。

在热工况下，调整配风方式和运行氧量。

工况1，所有二次风门开度为25%，燃尽风门开度为100%。

工况2，将a、b、c层燃烧器对应的二次风门开度调整到50%，
D、E、F层二次风门开度保持在25%，燃尽风门开度为100%。

工况3，所有二次风门开度调整为50%，燃尽风门开度为100%。

工况4，所有二次风门开度保持在50%，最后两层燃尽空气开度调整到25%，下两层开度保持在100%。

因为火的一面更有代表性。

在总风量不变的前提下，通过增加主燃烧区二次风门的开度，燃尽风以下区域的一氧化碳含量略有下降，但下降幅度有限，而H2S含量呈较大下降趋势。

D 层燃烧器上方至燃尽风下方区域的H2S含量从1408ppm降至537ppm。

通过调节配风，炉膛出口的氮氧化物含量明显增加，工况4的氮氧化物含量比工况1增加了91mg/Nm3（6%O2）。

低氮燃烧器改造后，为了使机组出口氮氧化物保持在较低水平，机组的燃尽空气长时间处于全开状态，燃尽风量约占总风量的30%。

随着煤耗的增加，一次风量约占总风量的30%。

机组为干排渣系统，炉膛漏风低，无组织漏风约占总风量的8%，因此通过二次风燃烧器进入炉膛的风量仅占32%。

二次风量小，刚性差，难以有效包裹和吸取煤粉，导致煤粉遇到水冷壁后发散形成熔融焦渣。

3结论
（1）这种类型的切圆燃烧锅炉，经过低氮改造后，特别是燃烬空气量高的机组，上部两层燃烧器和燃烬风箱下部区域的还原性气体气氛高，容易造成高温腐蚀。

（2）腐蚀区水冷壁的表面材料主要是FeS、FeS2、
PbS、ZnS等硫化物、硅铝酸盐和未燃碳，该区域腐蚀为硫化物腐蚀，热工况下该区域H2S含量高于1000ppm。

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