对冲燃烧锅炉燃用高硫煤的高温腐蚀防控

王丁

摘 要：高硫煤在我国储量丰富且分布广泛，是重工业锅炉的常用燃料之一，因为煤中含硫，导致锅炉产生高温腐蚀现象。高温腐蚀在锅炉冷水壁管正面向火侧和燃烧器附近的高温区域炉壁内表现的最为严重，反复作用下导致短时间更换频繁，甚至发生爆管事件，为锅炉的安全经济运行带来威胁，特别在重工业任务繁忙和火电站电力负荷需求增大的环境下，发生安全事故的可能性大大增加。本文从高硫煤在锅炉中的燃烧原理来分析高温腐蚀的产生原因，结合锅炉工作原理和具体实际条件来提出防控建议。

关键词：对冲燃烧；高硫煤；锅炉高温腐蚀；防控措施

中图分类号：TM621.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0193-01

我国煤炭资源的储量中，高硫煤的储量位居世界第二。不像低硫煤主要分布在东北和华北西北的偏远地区，高硫煤分布广泛且价格低廉，是重工业，火电站锅炉常备燃料，但对国家而言，因其含硫量大于3%，即使使用先进的烟气脱硫技术，提高脱硫效率也会排放出含硫化物，长时间运作，引发严重污染和酸雨现象。但对于前后墙对冲锅炉而言，尽管采用了旋流燃烧器，有助于卷吸高温烟气，且火焰行程短，炉内热负荷较为均匀，按理说结渣和高温腐蚀更易控制，然而，随着采用分级燃烧的方式控制氮氧化物排放，致使主燃烧区处于缺氧环境，还原性气氛下水冷壁区域出现严重的高温腐蚀。

1 燃用高硫煤产生高温腐蚀现象的原因

归集各种在燃用高硫煤作用下，水冷壁管壁变薄的情况，由于外壁表面的腐蚀，造成锅炉运行寿命减少，可得出4种造成高温腐蚀的主要原因：硫单质造成的腐蚀，硫化物造成的腐蚀，硫酸盐造成的腐蚀以及含硫烟气对管壁的腐蚀。

1.1 硫单质造成的腐蚀

高硫煤在炉内燃烧过程中，第一种情况是黄铁矿受热，或者和碳在不完全燃烧的情况下都会生成硫单质，第二种情况是硫化氢自己分解，或者与氧气，二氧化硫反应生成得来硫单质，上诉两种情况得来的硫单质不会收到金属表面保护层的影响，会直接侵入水冷壁的氧化膜，致使水冷壁缺少腐蚀保护，由单质硫在高温环境下生成的硫化亚铁，所造成的腐蚀会使腐蚀层产生不同于一般腐蚀的应力，使腐蚀层易碎，随着燃烧的进行，伴随着炉内的氧化性气体，会逐渐形成四氧化三铁。随着颅内燃烧的进行，在400℃时候，二氧化硫的大量产生，对于硫单质的生成起到了催化剂的作用，加速腐蚀的进行。

1.2 硫化物造成的腐蚀

对于硫化物造成的腐蚀，主要指硫化氢的腐蚀。当锅炉内过量空气系数小于1时，由于水冷壁周围的空气充满烟气，氧气量不够，导致高硫煤在无氧条件下燃烧，生成还原性气体，形成还原性气氛。煤质中的硫将会以硫化氢的形式析出。伴随着一氧化碳的大量生成，硫化氢的浓度也迅速升高，特别在水冷壁管的温度达到300℃后，硫化氢的腐蚀程度与内壁温度成指数型变化，硫化氢可轻易穿过疏密三氧化二铁层和磁性氧化铁层，对水冷壁高温区域造成严重腐蚀。但是如果可以控制水冷壁温度在300℃以下时，氢化硫腐蚀速度会很慢甚至可以忽略。

1.3 硫酸盐造成的腐蚀

由硫化氢与其他碱金属氧化物反应生成的硫酸盐也是造成锅炉高温腐蚀的因素之一，当壁温较高时无论是黄铁矿颗粒到達壁面还是附近有还原性气体都会发生硫化物腐蚀，由于碳燃烧消耗了大量的氧气并在还原性氛围中高温腐蚀的速度会大大加快。像氧化钠和氧化钾这样的碱金属氧化物会在高温下升华，加上三氧化铁的作用，易熔的硫酸钾和硫酸钠凝聚在受热面上，生成的硫酸钠和硫酸钾易融，且易沾附烟灰。当壁温高于650℃时，熔融状态下的硫酸钾和硫酸钠会侵蚀管壁，形成金属复合硫酸盐，形成高温腐蚀。当壁温低于650摄氏度时，熔融状态的硫酸钠和硫酸钾比气态硫酸盐具有更强的腐蚀性。温度差是促使三氧化铁和气态硫酸盐腐蚀的因素。

1.4 含硫烟气对高温管壁的腐蚀

导致水冷壁管高温腐蚀的最后一个因素就是含硫烟气，燃烧器周围的火焰温度达到1500℃左右，由于温度过高致使含硫气体中的矿物成分析出，加上还原性氛围，同时在高温管壁的作用下，根据腐蚀深度与壁温关系图：每50℃的提升会加倍腐蚀现象，加快灰质积沉，同时含硫烟气也存在对金属保护层的磨损和腐蚀剂的消耗。

2 对高硫煤造成的高温腐蚀现象的相应防控建议

根据以上对造成锅炉燃用高硫煤产生高温腐蚀分析，针对问题所在，不难发现要防控高温腐蚀，就是要从各个方面减少硫的含量，无论是硫酸盐还是硫化物都需要降低它们在锅炉燃烧中的不利影响，减弱它们对锅炉水冷壁的腐蚀性。

2.1 设计方面

（1）增加贴壁风设计，经研究发现，由于前后墙对冲燃烧的锅炉的燃烧器和燃尽风均布置在锅炉的前后墙，致使两侧墙氧浓度较低，出现还原性气氛，造成该区域的高温腐蚀。通过增加贴壁风，向炉膛侧墙区域通入空气，增加了侧墙区域的局部氧量，改变了该区域的还原性气氛，同时该技术有助于避免旋流燃烧器贴壁燃烧，贴壁燃烧也会造成管壁的高温腐蚀。

（2）增加烟气成分测点。在易产生高温腐蚀的区域可安装烟气成分测点，检测该区域烟气成分，方便指导运行人员监视调整。

2.2 设备维护方面

定期标定氧量值，定期标定一次风速，定期对磨煤机出口孔板进行检查，对磨损严重的应及时更换，保证煤粉浓度的均匀；定期进行风门的开度校验，定期检查磨煤机分离器工作状态，确保煤粉细度满足要求。优化燃烧器参数设置，适当削弱主燃烧器外二次风旋流，适当增强主燃烧器内二次风风量，减少燃尽风风量，这些手法都可以减弱水冷壁的还原性气氛。

2.3 运行调整方面

2.3.1 严格控制给水品质

给水品质对锅炉高温腐蚀的影响主要体现在水冷壁的管壁温度条件上。若给水品质控制不严，很容易造成水冷壁管内结垢，这样就会增加管壁的热阻，阻碍热量的传递，从而使管壁温度上升，加速高温腐蚀的进程。因此运行时应严格控制锅炉的给水品质。

2.3.2 保证煤粉细度

煤粉细度对高温腐蚀的影响也较为明显。一方面，若煤粉越粗，则燃尽越困难，因而火焰拖长，进一步燃烧时，由于缺氧而形成还原性气氛，造成高温腐蚀。另一方面，若煤粉越粗，其动量也越大，容易直接冲刷水冷壁，磨损将加速水冷壁保护膜的破坏，使腐蚀介质直接与管壁金属发生反应，从而加速水冷壁高温腐蚀的过程。因此，在运行中合理降低煤粉细度。

2.3.3 合理配风

配风不当对锅炉水冷壁高温腐蚀的影响有两方面：一方面是送风不足，使炉内缺氧，形成还原性气氛，影响水冷壁的高温腐蚀；另一方面是形成不良的炉内的空气动力场，造成一次风或切圆偏斜，从而使未燃尽的煤粉颗粒磨损水冷壁以及贴壁燃烧，加速高温腐蚀的进程。可适当增加燃烧器区域的供风量，降低上部供风量。

2.3.4 提高一次风速

一次风速提高高，推迟着火，燃烧远离燃烧器区域，避免了燃烧器区域超温，有助于减轻高温腐蚀。

3 结语

在锅炉燃用高硫煤的高温腐蚀问题下，由于煤中含硫成分无法避免，水冷壁壁温及其附近温度也不可能降温在600K以下，因而只有针对其它方面采取措施。从锅炉燃烧的内部机理、煤质的再处理和抗腐蚀材料的选择的三个方面来考虑，做好锅炉低温腐蚀和高温腐蚀的防护，是解决锅炉燃用高硫煤产生腐蚀的根本途径，同时我们也应该慎重对待二氧化硫的净化处理过程，防止其污染大气。

参考文献

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[2]董琨，宁国睿，王宝良.电站锅炉燃用高硫煤技术的探讨[J].洁净煤技术，2008，14（2）：76-79.