超临界四角切圆燃烧锅炉运行方式对水冷壁高温腐蚀影响的试验研究

超临界四角切圆燃烧锅炉运行方式对水冷壁高温腐蚀影响的试验研究

吴巴特尔王岩

吴巴特尔王岩

（内蒙古霍煤鸿骏铝电有限责任公司电力分公司C厂运行部内蒙古霍林郭勒市029200）

摘要：我国多数燃煤锅炉存在不同程度的高温腐蚀问题，发生高温腐蚀后的水冷壁管逐渐减薄．强度降低，在交变热应力作用下腐蚀产物还会加速横向裂纹的扩展。导致水冷壁发生爆管事故，严重影响燃煤锅炉运行的安全性。

关键词：超临界锅炉；四角切圆燃烧；水冷壁；高温腐蚀

高温腐蚀发生区域表现出明显的强还原性气氛；增大运行O2体积分数，同时保证风量沿炉膛高度方向上的合理分配可减弱水冷壁近壁面还原性气氛；煤粉细度对水冷壁近壁面还原性气氛的影响较小；随着入炉煤含硫量的增加，水冷壁近壁面H2S体积分数增大，O2和C0体积分数则变化不大；较小的CCOFA风量及适当的SOFA风量有利于减轻水冷壁高温腐蚀；周界风量对主燃烧区下部壁面区域还原性气氛的影响较大，运行时应适当减少周界风量。

一、设备概况

1.锅炉简介，试验锅炉为某630MW超临界参数变压运行的螺旋管圈直流炉．该锅炉采用单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、π型露天布置．制粉系统配置6台HP1003型中速磨煤机．燃烧系统采用低NOｘ同轴燃烧系统（LNCFS），设有6层煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有周界风．每相邻2层煤粉喷嘴之间布置1个组合喷嘴，其中包括上下2只预置水平偏角的辅助风喷嘴（CFS）和1只直吹风喷嘴．在紧邻上层煤粉燃烧器组顶部布置有２层紧凑燃尽风（CCOFA）喷嘴。在整个煤粉燃烧器组顶部布置有1组5层可水平摆动的分离燃尽风（SOFA）喷嘴。

2.测点布置。锅炉启动前，在高温腐蚀严重的炉膛水冷壁区域的鳍片上安装烟气成分试验测点，共安装４层．其中SOFA风箱上部46ｍ标高位置、SOFA风箱下部38ｍ标高位置以及A层燃烧器下沿23ｍ标高位置各安装12个测点，相同标高处每面墙均装3个测点．由于二次风箱布置在两侧墙，C层、D层燃烧器之间30ｍ标高位置仅安装6个测点，前后墙各装3个测点．测点的具体布置见图1。

图1燃烧器喷口及测点布置示意图

3.高温腐蚀状况。该锅炉自投运以来一直存在水冷壁高温腐蚀问题，近几年由于环保要求的提高，锅炉长期低氮燃烧后，水冷壁高温腐蚀问题更为严重．多次停炉检查发现，SOFA风箱下部区域（35～40ｍ标高）及A层燃烧器下沿区域（23ｍ标高）的水冷壁壁面高温腐蚀较为严重．在调整锅炉运行方式之前，在额定负荷下测试水冷壁近壁面烟气成分及炉膛烟气温度分布发现，A层燃烧器下沿前墙及右墙、SOFA风箱左墙区域的还原性气氛较强，尤其是SOFA风箱与CCOFA风箱之间区域，CO体积分数φ（CO）最高达到7.41％，H２S体积分数φ（H２S）最高达到255X10-6.02体积分数φ（O２）均小于１％，测试现场该区域有浓烈的臭鸡蛋味．同时该区域的烟气温度较高，为1260℃左右，数值模拟结论一致．另有研究表明，水冷壁近壁面还原性气氛与该区域φ（O２）有关，当φ（O２）＜2％时，较易发生高温腐蚀，可以认为检修发现的高温腐蚀区域表现出明显的缺氧及还原性气氛．

二、试验结果与分析

1.运行O２体积分数的影响。维持机组负荷为630MW，ABDEF5台磨煤机运行，入炉煤收到基硫质量分数（以下简称入炉煤含硫量）为0.5％左右．控制运行O２体积分数分别为2.9％、3.5％、3.8％和4.1％，保持蒸汽参数及其他参数稳定，测量不同工况下水冷壁近壁面的烟气成分．为全面分析运行方式对锅炉燃烧的影响，对不同工况下锅炉热效率及NOｘ排放质量浓度也进行了测量．其中NOｘ排放质量浓度是指将脱硝系统进口截面测得NOｘ体积分数平均值折算到O２体积分数为6％条件下的质量浓度．不同运行O２体积分数下水冷壁近壁面烟气成分测试结果，随着炉膛出口运行O２体积分数的增大，SOFA风箱上、下部区域还原性气氛明显减弱，当运行O２体积分数为3.8％左右时，该区域近壁面φ（H２S）均在200×10－６以下，当运行O２体积分数增大到4.1％时，由于大比例SOFA的稀释作用，该区域φ（H２S）基本都在100×10－６以下，大部分测点的φ（CO）均小于2％，但均在1％以上，运行O２体积分数从2.9％增大到3.8％时，主燃烧区还原性气氛略有减弱，但变化不是很明显．但当运行O２体积分数增大到4.1％时，该区域还原性气氛明显增强，尤其是A层燃烧器下沿区域，测量处基本无氧，多数测点的φ（CO）超过7％，φ（H２S）最高值超过200×10－６．究其原因，在高运行O２体积分数下SOFA风量占总二次风量的比例较大，在试验过程中，当运行Ｏ２体积分数增大至4.1％时，为保持炉膛风箱压差稳定，同时控制NOｘ生成量，５层SOFA风门全开，而主燃烧区辅助风门并没有同步开大，虽然炉内总风量增加，但相对于低运行Ｏ２体积分数工况（5层SOFA风门未全开），该工况试验过程中沿炉膛高度方向风量分配偏差进一步加大，因而造成主燃烧区下部缺氧及还原性气氛增强．增大运行Ｏ２体积分数可减弱炉膛水冷壁近壁面还原性气氛，但在高运行Ｏ２体积分数下运行时还需注意沿炉膛高度方向上的风量分配，分配不当可能会造成主燃烧区下部缺氧．锅炉热效率随运行Ｏ２体积分数的增大呈先升后降的趋势，4个工况下锅炉热效率分别为93.99％、94.11％、94.03％和94.02％．NOｘ排放质量浓度随运行Ｏ２体积分数的增大而升高，４个工况下ＮＯｘ排放质量浓度均较低，分别为178mg／ｍ３、183mg／ｍ３、192mg／ｍ３和201mg／ｍ３．综合考虑，在额定负荷下，建议运行o２体积分数控制在3.5％左右。

2.入炉煤含硫量的影响。为研究入炉煤含硫量对锅炉高温腐蚀的影响，进行了变煤种试验．试验过程中，入炉煤含硫量由0.5％增加至0.8％再增加至1.0％，保持锅炉运行方式基本不变．仅收到基硫质量分数逐渐增加，在变煤种试验过程中锅炉运行方式基本不变，炉内燃烧状况也无太大变化，因而水冷壁近壁面O２及CO体积分数的变化不大．

3.CCOFA风量的影响。CCOFA紧邻主燃烧区上部，影响煤粉燃尽及主燃烧区上下风量的分配，因而对水冷壁近壁面还原性气氛也有较大影响．维持机组负荷为630ＭＷ左右，锅炉运行方式基本不变，调整CCOFA风门开度分别为25％、60％和100％时，随着CCOFA风量的增加，主燃烧区水冷壁近壁面CO和H２S体积分数增大，Ｏ２体积分数减小，尤其是A层燃烧器下沿区域，当CCOFA风门开度由２５％到全开时，该区域φ（CO）最高值由不到1.56％增大到5.22％，φ（H２S）也显著增大，最高值达到162×10－６，多数测点位置无氧．而SOFA风箱上、下部区域近壁面还原性气氛则无明显变化．在LNCFS中，CCOFA位于主燃烧区上部，在总的二次风中所占比例较小且离SOFA喷口较远，CCOFA风量对主燃烧区下部风量的影响要远大于对SOFA风量的影响．CCOFA风量增加，SOFA风量有所减少，而主燃烧区下部风量减少则更为明显。因而锅炉热效率有所升高，分别为94.00％、94.11％和94.13％；NOｘ排放质量浓度则下降较为明显，分别为282mg／ｍ３、278mg／ｍ３和239mg／ｍ３．综合考虑，在额定负荷下建议CCOFA风门开度控制在30％～50％。

4.SOFA风量的影响维持机组负荷在630MW左右，ABDEF5台磨煤机运行，保持运行Ｏ２体积分数在3.8％左右，CCOFA风门开度为30％左右．调整5层SOFA风门开度分别为90％、70％和50％，需要说明的是，在SOFA风量调整过程中试验煤种有所变化，其中前2个工况燃用煤种2，而SOFA风门开度为50％时燃用煤种1，入炉煤含硫量有所减少．调整过程中，关小SOFA风门开度的同时开大主燃烧区辅助风门开度，以保持炉膛风箱压差．不同SOFA风量下水冷壁近壁面烟气成分分布．煤质变化对试验结果有一定的影响，但总体来说，SOFA风量减少后，A层燃烧器下沿区域还原性气氛明显减弱，SOFA风箱上部区域近壁面还原性气氛增强，而SOFA风箱下部区域近壁面还原性气氛无明显变化。

随着CCOFA风量的增加，水冷壁近壁面还原性气氛增强，在A层燃烧器下沿区域尤为明显；在满足NOｘ排放要求的前提下，较小比例的CCOFA风量有利于减轻炉膛水冷壁高温腐蚀。

参考文献：

[1]张斌，大型锅炉水冷壁高温腐蚀分析及改进措施．2016.

[2]李明，浅谈超临界四角切圆燃烧锅炉运行方式对水冷壁高温腐蚀影响的试验研究.2017.