锅炉水冷壁防腐蚀技术研究与应用

2016-07-14张磊

综合智慧能源 2016年5期

关键词：预防

张磊

(华电新乡发电有限公司，河南新乡　453635)

锅炉水冷壁防腐蚀技术研究与应用

张磊

(华电新乡发电有限公司，河南新乡453635)

摘要：分析了大型电站燃煤锅炉水冷壁腐蚀的发生原理及影响因素，研究针对性改造措施，创新地提出了矩阵布置方式的风帽型贴壁风系统防腐蚀技术，并在660 MW超临界机组墙式燃烧锅炉上实施应用，取得了良好的防腐蚀效果。

关键词：锅炉水冷壁；预防；高温腐蚀；风帽型贴壁风装置

表2　灰样的能谱分析　%

1技术背景

自2010年开始，华电新乡发电有限公司(以下简称新乡发电公司)在机组大修时发现锅炉两侧墙螺旋水冷壁有明显的大面积腐蚀减薄情况。经调查发现，近年来因水冷壁腐蚀造成的泄漏事故较多，特别是同类型的前后墙对冲旋流燃烧器锅炉，水冷壁侧墙腐蚀情况尤其严重。有些电厂为减少水冷壁泄漏造成的非计划停机，每年都大量换管，不仅费用高，而且并不能杜绝因水冷壁腐蚀造成的泄漏事故。水冷壁腐蚀问题已成为威胁电厂锅炉安全运行的一大隐患，在这种情况下，新乡发电公司对水冷壁腐蚀的原因、影响因素和防范技术进行了研究，以确定科学有效的水冷壁高温防腐技术方案，有针对性地采取措施，避免或减缓水冷壁的高温腐蚀，对水冷壁的腐蚀情进行有效监督和掌控，从而避免水冷壁在运行中发生泄漏。

2水冷壁腐蚀原因分析

2.1取样化学分析

对水冷壁管样(典型单边腐蚀管子上片状腐蚀物)和灰样进行电镜、能谱分析。

(1)管样腐蚀产物层形成时的组成元素主要是S和Fe，其物质的量的比在 1∶1左右，是典型的FeS化学计量比，可确定腐蚀原理为还原性硫腐蚀。电镜观察结果如图1所示，能谱分析见表1。

(2)灰样能谱分析见表2，根据能谱分析可知，灰样中K，Na质量分数总和超过1.0%，具备氧化性硫腐蚀的高腐蚀趋势碱金属含量条件。

图1　片状腐蚀产物电镜观察和能谱分析取样点

2.2腐蚀过程分析

根据水冷壁腐蚀部位、形态和检测结果判断：燃烧器标高区域水冷壁腐蚀属于还原性硫腐蚀，吹灰器区域蒸汽起到加速剥落腐蚀层和形成局部还原性气氛的作用，管子受还原性硫腐蚀与吹灰蒸汽物理作用叠加而腐蚀。

高负荷下，锅炉长期低氧量运行，炉膛呈还原性气氛，侧墙中部区域存在高质量浓度的CO与H2S，释放出原子态S，与水冷壁管发生化学反应，生成FeS，形成了高温S腐蚀。该腐蚀与管壁温度相关，温度越高，腐蚀速度越快。

在吹灰器区域，吹灰器的定期投入清理了管壁外覆盖的灰层，并使腐蚀产物破碎、剥离，同时，高温下蒸汽进入炉内加强了还原性气氛，在物理冲刷与化学腐蚀的双重作用下，管壁迅速减薄。

2.3烟气成分影响试验

为研究高温腐蚀的影响因素，给防止或减轻腐蚀对策的制订提供依据，新乡发电公司在锅炉侧墙易发生高温腐蚀区域加装测量孔，对锅炉水冷壁侧墙烟气温度及成分进行取样测试(测孔布置在炉膛侧水冷壁上，穿过水冷壁管间鳍片，测点分为5层，每层布置3个，共15个)，对锅炉在不同煤种、不同运行方式和工况下侧墙处烟气成分进行研究分析，其结果如下。

(1)根据试验数据，正常情况下烟气中H2S体积分数很低，一般小于0.003%，但当烟气中还原性气氛较强时，H2S体积分数往往也大幅上升，当壁面O2的体积分数<1%，CO的体积分数>0.9999%时，H2S的体积分数可达0.02%以上，试验中最高测得H2S体积分数达0.14%以上，此时H2S对水冷壁产生较强烈的硫腐蚀。

(2)从不同试验工况数据分析，每层都曾测出有较强还原性气氛的测点，侧墙均具备造成较强硫腐蚀的H2S体积分数、烟气温度等条件，且中间部位更容易出现，对应的中间层燃烧器侧墙中间部位测点在不同试验工况下均发现烟气有较强还原性气氛，整个试验中测得H2S体积分数最高点也位于该处。

(3)从试验数据也可看出，高负荷时由于控制氧量低，更容易出现部分区域缺氧，形成强还原性气氛。

(4)壁面处烟气温度变化较大，最低仅780 ℃，实际紧贴水冷壁面处温度可能更低。

2.4腐蚀原因分析

(1)设计上的原因。锅炉截面热负荷和单燃烧器热负荷设计值偏高，2台锅炉设计的锅炉最大连续蒸发量(BMCR)的截面热负荷为5.48 MW/m2，并且采用了单台磨煤机4只煤粉燃烧器，单只燃烧器热功率达到252.4 MJ/h，无论是截面热负荷还是单燃烧器热负荷，设计值都在国内同等级同类型锅炉中偏高，这也是高温腐蚀的一个影响因素。

(2)燃料的原因。实际燃煤硫分远大于设计燃煤硫分(设计燃煤硫分为0.31%，实际硫分见表3)，从2010年起，硫分开始明显升高，并掺烧高硫煤(最高达3.5%以上)，烟气中SO2体积分数大大提高，在还原性气氛下炉内燃烧形成腐蚀性H2S气体。

表3　入炉煤平均硫分统计　%

(3)缺氧燃烧。其原因一是引风机出力严重不足，高负荷下机组缺风运行，整个炉膛呈还原性气氛，侧墙中部位置还原性气氛最强；二是运行方式不合理，如高负荷运行时燃尽风挡板开度过大，造成燃烧器区域过量空气系数过小，缺氧严重，烟气呈强还原性气氛，提高了高温腐蚀速率。

(4)吹灰器工作时，高温下蒸汽与烟气中的C等物质反应，形成了局部强还原性气氛。

影响水冷壁腐蚀速度的因素主要有入炉煤硫分的高低，腐蚀区域还原性气氛的强弱，及锅炉燃烧状况、运行调整方式、氧量、温度等。

3防腐蚀的技术方案

根据水冷壁腐蚀的原因，采取了以下措施：(1)在水冷壁侧墙加装风帽型贴壁风装置；(2)引风机增容改造，空气预热器堵灰治理；(3)进行燃烧调整试验，确定合理的运行方式；(4)监测水冷壁腐蚀状况、管壁厚度，有效掌控水冷壁的腐蚀状况和速度，及时换管；(5)水冷壁防腐蚀喷涂，提高耐腐蚀能力，延长水冷壁管使用寿命。以下重点阐述水冷壁侧墙加装风帽型贴壁风系统。

3.1设计理念

在前、后墙对冲布置的旋流燃烧方式的炉膛中，采用SOFA(分离燃尽风)燃烧系统时，由于对冲燃烧的影响，在主燃烧区以及还原区两侧墙水冷壁处容易形成较强的高温腐蚀(该区域前、后墙有主燃烧器的贴壁风)，因此可以在侧墙有组织地引入很小一部分二次风，采用炉膛贴壁风形式加以保护，增加该区域水冷壁管壁表面的氧含量，避免形成强还原性气氛，防止该位置发生高温腐蚀，同时兼顾经济性和安全性，尽可能减少保护风对锅炉燃烧的影响。

3.2研究的创新点和关键点

(1)风帽结构和布置方式设计独特，采用耐火合金钢制作，呈均匀矩阵分布，风帽内径为6 mm,风帽设计使保护风射流与水冷壁基本平行，保护半径为200 mm左右，能够保证保护风的均匀喷入，同时避免吹损水冷壁。风帽布置如图2所示，风帽结构如图3所示。

(2)在水冷壁侧墙外部新增贴壁风风道及静压小风箱，实现小风量(占二次风风量的0.7%)不影响燃烧，侧墙贴壁风喷嘴性能设计参数见表4。保护风从热二次风大风箱引入，避免对各层燃烧器产生影响，小风箱分层独立布置，能够保证风压的稳定。风箱风道设计补偿节，充分考虑水冷壁、风道及锅炉的整体膨胀，风箱结构及布置如图4所示。

图2　风帽布置

项目参数项目参数项目参数锅炉燃烧总风量/(kg·s-1)641.20贴壁风风帽个数/个2448单风帽喉口面积/m26.36×10-7一次风总风量/(kg·s-1)108.70贴壁风风温/℃352贴壁风总风量/(kg·s-1)4.52二次风总风量/(kg·s-1)340.14风帽喉口风速/(m·s-1)45.00贴壁风占锅炉总风量比率/%0.7燃尽风总风量(含贴壁风帽)/(kg·s-1)192.36风帽喷口风速(2喷口)/(m·s-1)14.09

图3　风帽结构

4水冷壁风帽型贴壁风装置应用及推广

2011年12月#2机组大修期间，新乡发电公司首先在#2锅炉高温腐蚀最严重的区域加装了侧墙贴壁风系统，两侧墙标高30～36 m，即从上层燃烧器中心至燃尽风的标高，加装位置如图5所示。运行1年后，2012年12月#2锅炉停炉检查时发现，在安装了贴壁风风帽的水冷壁管子区域，水冷壁测量管壁厚度与大修时相比没有明显减薄(测量最小壁厚为6.0 mm)，但标高25～30 m未安装贴壁风的水冷壁区域腐蚀严重，中间腐蚀最重，测量壁厚在4.3～4.6 mm，沿前、后墙方向腐蚀程度有所减轻，距侧墙中点2 m处测量壁厚为4.7～5.2 mm，25 m高度以下侧墙水冷壁管壁厚均达到5.0 mm以上，再向下腐蚀程度逐渐减轻，检查测量数据见表5。从检查情况来看，水冷壁侧墙加装贴壁风装置后防腐蚀效果非常明显，起到了良好的保护作用。水冷壁腐蚀情况对比如图6所示。