贫煤锅炉低氮燃烧改造后结焦防治研究

李明涛

华电青岛发电有限公司 山东 青岛 266031

引言

贫煤锅炉低氮燃烧改造后，大多发生了严重的锅炉结焦及水冷壁高温腐蚀问题，结掉焦对锅炉稳燃造成了很大威胁，甚至还会引发锅炉灭火，水冷壁高温腐蚀问题造成锅炉检修期间水冷壁换管量大幅增加，给锅炉专业防磨防爆工作带来较大被动，亦造成水冷壁泄漏次数呈现上升趋势[1]。本文围绕解决贫煤锅炉低氮燃烧改造后普遍存在的炉膛燃烧区域水冷壁严重结焦及高温腐蚀问题，开展了贫煤锅炉低氮燃烧改造后结焦及高温腐蚀防治方案研究，理清贫煤锅炉低氮燃烧改造后结焦及高温腐蚀加剧的原因，浅析贫煤锅炉结焦和高温腐蚀之间的相关性，提出贫煤锅炉低氮燃烧改造后结焦及高温腐蚀防治措施。

1 系统设备简介

某公司1、2号及3、4号锅炉分别为上海锅炉厂设计制造的SG1025/18.3-M833及SG1025/17.47-M878型亚临界、单汽包、一次中间再热、控制循环、固态排渣煤粉炉，呈∏形露天布置，设计燃料为山西晋中贫煤。1、2号锅炉采用四套中间储仓式钢球磨制粉系统，四角切圆燃烧，摆动式煤粉喷嘴；3、4号锅炉采用三套双进双出直吹式钢球磨制粉系统，四角切圆燃烧，摆动式煤粉喷嘴。结合环保要求，分别对四台锅炉燃烧器进行了低氮燃烧技术改造。

2 锅炉低氮燃烧改造后结焦加剧情况

当#1、2锅炉刚投产时，就发生了水冷壁高温腐蚀问题；通过采取结合机组大修每4年对锅炉水冷壁进行防高温腐蚀喷涂，以及对燃烧器进行水平浓淡粉形式改造这两种措施解决了此问题。

而在锅炉进行低氮燃烧改造之后，燃烧区域水冷壁防高温腐蚀喷涂材料投运约半年时间，就会出现大面积脱落情况，若不再及时重新喷涂，就会导致相应处水冷壁发生严重的高温腐蚀；同时结掉焦问题也伴之而来。

锅炉低氮燃烧改造后，均发生了严重的锅炉结掉焦问题，特别是2、4号炉由于锅炉严重结掉焦引发了锅炉灭火异常。2014年至2020年共发生掉焦灭火5次，期间还多次发生锅炉掉焦问题。2014年至今1-4号炉均发生结掉焦次数上百次。

目前4台锅炉普遍存在高温腐蚀现象，高温腐蚀部位主要发生在主燃烧器区域，近几年上层燃烧器和燃尽风之间区域也出现高温腐蚀现象。随着入炉煤硫份的升高，高温腐蚀速率不断增大，由约0.8mm/年增加到目前的约1.2mm/年。

3 贫煤锅炉低氮燃烧改造后结焦加剧原因分析

3.1 锅炉结焦的原因

锅炉结焦是个很复杂的物理化学过程，它涉及煤的燃烧、炉内传热、煤质的结焦特性、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的黏附等过程。结焦的原因大致有以下几个方面：

3.1.1 灰的成分。灰中的碱性物质的增加将使灰的熔点降低。当煤含有较多量硫化铁的时候，结焦最为严重。

3.1.2 煤粉细度不均匀。煤粉细度和粒度分布对锅炉结渣有一定影响，煤粉过细、过粗均可能引起结渣。

3.1.3 燃料与空气的混合比。燃烧过程中，若空气量不足，其燃烧时就不易达到完全燃烧，将导致灰熔点降低，形成结焦；火焰偏斜，使最高火焰层移到边侧，这样灰就得不到足够的冷却，而灼热的灰粒与水冷壁受热面接触的时候，就很快粘了上去，形成结焦。

3.1.4 漏风降低了燃烧室的温度水平，推迟燃烧进程。

3.2 锅炉受热面发生高温腐蚀的原因

燃煤锅炉的高温腐蚀通常有两种类型，即硫酸盐型高温腐蚀和硫化物型高温腐蚀。

3.2.1 锅炉在运行时，管壁中的铁与氧反应会生成一层很薄的氧化铁(Fe2O3)，该氧化铁对管壁具有很好的保护作用。但是，在过热器、再热器烟气侧产生硫酸盐型高温腐蚀时，会破坏这层稳定的氧化铁保护层，管壁会因腐蚀而变薄，严重时导致爆管事故。

当燃煤中含有碱金属氧化物Na2O、K2O(以下合用M2O表示)时，在高温下就挥发成气态，气态的碱金属氧化物碰到温度较低的管壁时，就凝结在管壁表面，并与烟气中的SO3反应形成碱金属硫酸盐。该碱金属硫酸盐的熔点很低，当它们以液态附着在管壁上时，会捕捉烟气中的飞灰颗粒而形成一层积灰。积灰中的氧化铁起着催化剂的作用，会形成复合硫酸盐M3Fe(SO4)3，由于复合硫酸盐M3Fe(SO4)3的熔点也很低，在550～710℃的范围内为液态而流走，这就破坏了管壁的氧化铁保护层，使管子遭到腐蚀。由于硫酸盐型高温腐蚀发生在550～710℃的温度范围内，所以该腐蚀大多发生在过热器和再热器的出口管段及其悬挂件上。

3.2.2 硫化物型高温腐蚀主要发生在火焰冲刷水冷壁的情况下。当煤中含有黄铁矿(即硫化铁FeS2)，火焰直接冲刷水冷壁时，部分未燃尽的煤粉颗粒会黏附在水冷壁上，当管壁温度达到350℃以上时，游离态的原子硫与铁反应生成硫化亚铁，使管壁受到腐蚀[2]。在炉膛内的还原气氛中，H2S气体可加快硫化物型高温腐蚀，并直接腐蚀金属管壁，另外，铁还会被氧化，形成磁性氧化铁Fe3O4和SO2，而生成的SO2在飞灰中催化剂的催化作用下，反应生成SO3，进一步加剧了硫酸盐型高温腐蚀。

由此看出，燃煤中含有较多的FeS2，火焰直接冲刷水冷壁和管壁附近为还原性气氛，是产生硫化物型高温腐蚀的条件。

3.3 锅炉低氮燃烧改造后，锅炉运行相关情况

3.3.1 查阅2016至今入炉煤化验报表可知，近几年入炉煤挥发份、灰分、含碳量及发热量满足锅炉原始设计要求。锅炉设计煤种硫份0.72%。统计2017、2018、2019、2020年入炉煤硫份超过1.5%的班次占比高达74%。

3.3.2 4 台锅炉设计煤种为山西晋中贫煤，由于贫煤资源紧张，采取次烟煤掺烧大量无烟煤方式，无烟煤燃尽性差，着火距离长，易造成煤粉冲墙，水冷壁壁面还原性气氛加剧。另外，掺烧无烟煤导致炉膛出口NOx升高，为控制NOx值，需进一步降低主燃烧区风量，炉膛还原性气氛也进一步加剧。

3.3.3 2019 年5月，通过抽取烟气方式对1号炉贴壁风H2S浓度进行了测量，在高温腐蚀区H2S浓度普遍偏高。

3.3.4 近几年亦能严格执行锅炉掺配掺烧制度，严控低灰熔点的煤种大量入炉。

3.3.5 调阅低氮燃烧改造后机组历次大修后动力场实验报告，动力场实验均合格。

3.4 综合分析

贫煤锅炉低氮燃烧改造后结焦及高温腐蚀加剧的原因为主燃区还原性气氛较强且H2S（入炉煤含硫量）含量较高。造成结焦主要因素是煤粉与空气混合不足，熔融状的煤粉颗粒与水冷壁接触造成黏结；导致高温腐蚀的主要因素硫化物型高温腐蚀，且两者具有很大关联性。

4 目前采取的结焦防治措施效果

目前，采用贫煤锅炉的电厂，普遍采取调小锅炉假想切圆及进行燃烧调整等主动防结焦措施来减轻锅炉结掉焦，但这些主动防护措施都存在致命的缺点：一些无法彻底解决锅炉低氮燃烧改造后的燃烧区域水冷壁高温腐蚀问题及兼顾锅炉稳燃问题；另一些可执行性不强。具体如下：

4.1 通过低氮燃烧器设备改进来减少锅炉结掉焦

主要是通过减小锅炉假想切圆直径来减轻煤粉气流贴壁而导致的结焦。

此方案可以在一定程度上减轻锅炉结焦，但无法解决水冷壁高温腐蚀问题。同时由于锅炉假想切圆直径减小，会降低锅炉稳燃能力；对贫煤锅炉而言，当煤质偏差且锅炉接带低负荷时会增大锅炉灭火风险，影响锅炉运行安全性。

4.2 通过运行燃烧调整来减少锅炉结掉焦

主要是采取增大主燃区域二次小风门开度同时减小SOFA风门开度的方式，也可以采取加大锅炉运行氧量的方式，来增大锅炉燃烧区域水冷壁处氧量，进而减小贴近水冷壁壁面的还原性气氛[3]。

此方案也可在一定程度上减轻锅炉结焦，但同时由于燃烧区域氧量增加，会严重影响锅炉低氮燃烧效果，降低锅炉的运行经济性（增大了喷氨量）和环保性。同时因目前没有有效的H2S在线实时检测手段，无法提供给运行调整人员一个定量数据，因此，此方案执行中也只能少量适当调整，可执行性不强。

4.3 通过限制采购煤源种类来减轻锅炉结掉焦

主要是采取不购进低灰熔点煤、无烟煤及高硫煤的方法。

此方案也可减轻锅炉结焦，但从目前的煤炭市场形势及煤炭价格因素来看，完全不采购低灰熔点煤、无烟煤及高硫煤是不可行的，只能是在煤价允许范围内尽可能减少以上煤种的采购量。因此，此方案可执行性不强。

5 防治锅炉结焦措施建议

由于以上主动防护措施不能解决水冷壁高温腐蚀问题，也就不能彻底解决锅炉结掉焦问题，因此建议采取改进水冷壁防腐喷涂材料性能的被动防护措施[4]：对现有防腐材料进行优选及改进，以确保其能保证在锅炉低氮运行情况下使用寿命达到3年以上的要求。

5.1 采用目前较成熟且适应性较好的45CT水冷壁防高温腐蚀喷涂材料，进行锅炉燃烧区域水冷壁防腐喷涂，从目前调研情况来看，其寿命约3年。但其缺点是价格太高。

5.2 进行研究开发，对目前采用的金属及非金属水冷壁防高温腐蚀材料进行改进，延长其使用寿命（使其寿命至少达到3年），同时降低其成本，提高其性价比。

5.3 为保证效果，无论采用哪种防高温腐蚀喷涂材料，都要严把材料及施工质量关，严格控制基材处理工艺过程，控制好喷砂过程质量；同时要把控好喷涂质量关，严格按工艺标准执行，以确保打砂喷涂质量。

5.4 为从运行调整上精确指导运行人员，需要在锅炉高温腐蚀及结焦现象严重区域加装H2S在线测量装置。

5.5 从降低燃烧中的煤粉颗粒靠近水冷壁的温度及改善近水冷壁侧还原性气氛入手，积极进行贴壁风加装改造研究，可以形成保护水冷壁和给烟气降温的气膜，同时降低锅炉高温腐蚀和结焦程度。

通过改进水冷壁防腐蚀喷涂材料同时加装贴壁风及H2S在线检测来防治锅炉结焦，其优点是方法简单，标本兼治，只需选对材料即可，可以保证小修周期内防住水冷壁高温腐蚀，就不会在锅炉运行中发生严重结掉焦问题。同时，此方案的执行，不会影响锅炉稳燃性能，不会影响锅炉低氮燃烧效果，也不会限制锅炉燃烧调整方式，进而确保了锅炉安全经济环保运行。

6 结束语

本文针对贫煤锅炉低氮燃烧改造以来出现的燃烧区域水冷壁结掉焦加剧问题，经理论分析及研究，找到了真正原因——低氮燃烧导致原有的水冷壁防高温腐蚀喷涂材料寿命大大降低，锅炉燃烧区域水冷壁在不到一个小修周期内由于其上喷涂材料脱落而发生高温腐蚀，进而产生了严重结掉焦问题。针对此原因，提出了合理的防范措施建议：由于防住了贫煤锅炉水冷壁高温腐蚀便防住了其结掉焦问题，因此要对水冷壁防高温腐蚀材料进行优选及改进，以提高其对防范贫煤锅炉低氮燃烧情况下水冷壁高温腐蚀的适应性。本文同时还明确了锅炉水冷壁结焦防治工作下一步的研究努力方向，对锅炉的安全经济环保运行有着重要的意义。