工业锅炉水冷壁高温腐蚀现象分析

胡红安

（山西诚正建设监理咨询有限公司， 山西 阳泉 045000）

引言

工业锅炉在工厂动力、采暖及人民生活生产中得到了广泛应用，根据相关数据，我国锅炉的总数已经超过了65万台，其中工业锅炉的占比在50%以上，工业锅炉俨然已经成为促进国民经济及人民生活生产水平提高的必不可少的设备[1-2]。山西某电厂采用单炉膛的汽包炉，采用π型布置，通风方式采用平衡通风，燃烧方式是四角切圆，采用无烟煤及烟煤各占50%的混合煤，在设备检修过程中，发现燃烧器的水冷壁存在高温腐蚀现象，具体腐蚀部位如图1所示。检修过程中对腐蚀部位进行了测量，水冷壁的原始设计厚度为8 mm，现厚度为6.7～7.0 mm，已经被腐蚀的厚度为1～1.3 mm，按照这样的腐蚀速度发展下去，几年时间之内，该锅炉就会出现水冷壁泄露或者爆破事故，因此，需要分析水冷壁腐蚀原因，并制定相应的改进措施。

图1 锅炉水冷壁高温腐蚀部位示意图

1 工业锅炉水冷壁高温腐蚀类型分析

工业锅炉水冷壁出现高温腐蚀的现象是一个复杂的物化过程，从腐蚀发生的机理分析，可以分为硫酸盐型腐蚀、氯化物型腐蚀及硫化物型腐蚀三种类型。

1.1 硫酸盐型腐蚀

出现硫酸盐型腐蚀的主要原因是锅炉燃烧的原煤中碱性物质通过化学反应生成硫酸盐以及焦硫酸盐等化合物对水冷壁等部位进行腐蚀，腐蚀过程中通常会有结渣或者结焦等现象发生。

1.2 氯化物型腐蚀

近些年来，众多学者开展了相关研究，并取得了丰硕的研究成果。研究结果表明，当燃料中氯化物的含量较高时，锅炉内会产生一定量的氯化氢，并对锅炉产生腐蚀作用[3-5]。该工业锅炉使用的原煤化验结果表明，氯化物的含量不到2/10 000，原煤燃烧生产的氯化物远远小于产生腐蚀的氯化物含量，因此，水冷壁高温腐蚀不是因为原煤中含有氯造成的。

1.3 硫化物型腐蚀

在炉膛内燃烧区范围内，当未燃尽的火焰冲刷到水冷壁时，由于化学作用，未燃烧的燃料会消耗大量的氧气，从而使得水冷壁的外表面出现硫化的腐蚀。工业锅炉水冷壁高温腐蚀后的蚀样的成分分析结果如表1所示。

表1 蚀样成分分析结果 %

从表1可知，腐蚀的蚀样中主要成分为氧化铁及硫化物，其他物质含量相对较低，因此可以断定该水冷壁高温腐蚀类型为硫化物型腐蚀。

2 工业锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析

2.1 原煤硫化物分析

根据相关统计资料可知，煤炭中硫化物赋存以无机硫为主，占到总硫含量的60%～70%，剩下的30%～40%为有机硫。无机硫中绝大多数以黄铁矿的形式赋存，硫酸盐只占到无机硫含量的一小部分，原煤中硫形态测定结果见表2。因黄铁矿对锅炉结渣及腐蚀产生较为严重的影响，因此在实践过程中受到人们重视，却往往忽视了硫酸盐对水冷壁的腐蚀作用。因此，在具体实践过程中有必要对燃烧的原煤中硫的形态进行测定。

2.2 煤质分析

表2 原煤中硫形态测定结果 %

该电厂采用的煤是50%的无烟煤及50%的烟煤，根据相关研究机构的煤质化验数据可知，该化工厂采用的原煤挥发分中，结晶水、CO2等不燃或者阻燃成分含量较高，CH4、H2等可燃物含量较低，挥发分的释放温度要求较高，释放较为缓慢，煤炭燃烧的时间长，燃烧产生的灰分含量高，容易造成水冷壁上出现还原性成分。

2.3 锅炉内切圆大小分析

锅炉在设计前期就考虑到使用混合动力煤，来达到增强燃烧的目的，故而锅炉的切圆设计较大，较大的切圆会引起煤炭燃烧后形成的煤粉气等物质出现高温腐蚀现象。相关实验研究结果也表明了，当锅炉的切圆直径在8～8.3 m范围内时，离开喷口后的一次风流在上下二次掺风混合作用及上浮气流共同作用下的偏转明显较其他切圆大。

2.4 风流及双通道燃烧器分析

锅炉设计时就考虑使用烟煤及无烟煤混合的动力煤，因此使用了较高二次风速，较低一次风速，大小分别为43.5 m/s、22.5 m/s，一、二次风速的较大差异造成了射流刚性的明显不同。由于受到邻角的上游气流及两侧补气条件差异的影响，当一、二次气流从燃烧器喷出后，气流会出现向背对火焰的水冷壁方向偏移，这时射流速度较小的一次风流较二次风流发生更为明显的偏移，使得一次、二次风流之间的分离现象明显。通过采用长飘带等相关试验分析可知，一次风流的下游部分明显贴着锅炉墙壁运动，因此这一部分风流偏离了二次风流方向，煤粉等可燃物在氧气供应不足的条件下燃烧，产生一定量的还原性气体成分。同时由于采用了双通道燃烧器设计，一、二次风流分离偏移现象加剧，一定程度上来说，当锅炉内的回流较强烈时，烟气的回流效果越好，燃料的燃烧效果越明显，但回流较强时也会导致一次风流的衰减加剧。双通道设计使得燃烧器的出口面积较传统单通道的出口面积大许多，但同样使得一次风流的出口速度大幅降低。综上分析，双通道设计及一、二次风流速度差异，使得一次风流的刚度降低明显，风流偏移现象严重，容易出现水冷壁的高温腐蚀。

2.5 原煤的粗细度分析

锅炉的原煤制粉系统是依据燃烧的原煤煤种及煤制而设计的，当采用质量较差的煤质时，制粉系统的负荷增加，分离效果降低，导致煤粉颗粒度增加，煤粉的粗细度对锅炉的高温腐蚀有明显影响，当煤粉的颗粒加大时，容易出现锅炉内燃烧的火炬长，降低煤粉的燃烧效果，未完全燃烧的粗颗粒煤粉在锅炉水冷壁附近黏结，使得高温腐蚀现象加剧。

3 改进措施

3.1 采用一次反风切技术

主要工作原理是通过偏移一次风流喷射口的喷射角度，形成一个与原喷流运动、旋转方向相反的、运行直径较小的切圆，由于反风切后的初始运动方向与炉膛内气流的主气流运转方向相反，喷射出的煤粉受到主气流及上游高温气流的阻碍时，煤粉喷射的速度降低很快，增强了煤粉在高温区域的停滞时间，提升了煤粉的燃烧效果。通过采用一次反风切可以有效地预防高温腐蚀现象，同时可以提升锅炉炉膛内的燃稳能力，降低锅炉结焦情况，如图2所示。

3.2 采用侧边风技术

图2 一次反风切示意图

侧边风技术主要是通过在高温腐蚀区水冷壁上或者高温腐蚀区域的上游安装喷射口，并向锅炉的炉膛内喷射空气。采用侧边风技术主要是可以控制高温腐蚀区域内的还原性气体，增强局部范围内的含氧量。

3.3 改进运行控制

采取增大过剩空气系数，多台原煤磨粉机不在同一时间投运，降低煤粉颗粒度，增加空预器堵漏设备及防止堵灰系统高温等运行控制措施，来杜绝高温腐蚀现象出现。

4 结论

引起锅炉水冷壁出现高温腐蚀的主要类型是硫化物型腐蚀，造成高温腐蚀出现的具体原因是炉膛内燃料燃烧不充分出现还原性气氛，通过采用一次反风切技术与侧边风技术、改进运行控制等措施可以有效地预防高温腐蚀现象的发生。