350MW机组锅炉防止高温腐蚀燃烧优化调整试验

350MW机组锅炉防止高温腐蚀燃烧优化调整试验

单磊

河南省许昌市禹州市 许昌龙岗发电有限责任公司 邮编：461000

[摘要]目前受热面发生高温腐蚀已成为影响锅炉安全运行的主要危害因素｡针对某电厂超临界350MW机组四角切圆锅炉水冷壁高温腐蚀问题,在典型工况下对水冷壁氛围进行了测试,并依据测试结果得出水冷壁高温腐蚀主要发生在燃尽风层以下,腐蚀区域沿单侧炉墙中心线呈非均匀性分布,且炉墙中心线右侧H2S体积分数明显高于左侧等｡该研究结果可为同类型锅炉通过运行优化方式降低水冷壁高温腐蚀风险提供新思路｡

[关键词]高温腐蚀;超临界机组;锅炉;非均匀性分布;H2S气体;燃烧调整

本文针对国内某电厂超临界350MW机组四角切圆锅炉,根据其燃用高硫褐煤的运行状况,分析其锅炉燃烧器区域水冷壁发生高温腐蚀的原因,并进行了相应的试验研究,取得了较好效果｡

1高温腐蚀原因分析

高温腐蚀主要分硫酸盐型和硫化物型2种｡其中硫酸盐型的多发生于过热器､再热器中,硫化物型的多发生于锅炉水冷壁｡当炉内供风不足时,煤中的硫分除了生成SO2､SO3外,还会由于缺氧生成H2S｡H2S可直接与水冷壁中的Fe反应生成FeS,进而造成锅炉高温腐蚀｡

1.1锅炉设计因素分析

锅炉设计煤种挥发分为17.99%,着火温度为770℃,锅炉设计炉膛容积热负荷为120kW/m3,较锅炉选型导则推荐上限值高出20kW/m3,锅炉炉膛热负荷偏高,且设计煤种硫分偏高,存在高温腐蚀或结焦风险｡

1.2煤质因素分析

煤质不过关是造成锅炉高温腐蚀的主要原因之一｡调查表明,在山东已投运的300MW机组中,燃用贫煤且采用四角切圆燃烧方式的锅炉,都或多或少存在高温腐蚀现象｡同烟煤比,贫煤挥发分低,着火和燃烧困难､燃尽度差,表现在对高温腐蚀的影响上则是煤粉火焰拉长,大量未燃尽煤粉在水冷壁附近聚集,形成还原性气氛｡另外,煤中硫分对高温腐蚀的影响也呈正相关性｡

2设备概况

某电厂超临界350MW机组锅炉为HG-1116/25.4-HM2型､单炉膛四角切圆燃烧､平衡通风､固态排渣､全钢架悬吊､Π型布置锅炉,采用中速磨煤机､直吹式制粉系统,每台锅炉配置5台磨煤机,其中1台作为备用｡

3高温腐蚀情况

该机组于2017年投入生产,2019年5月经检查发现其燃烧器附近的水冷壁区域出现了大面积的高温腐蚀｡通过对腐蚀区域水冷壁管进行厚度测试发现,螺旋水冷壁标准壁厚为6.2mm,实测高温腐蚀后壁厚最薄处为5.6mm,腐蚀速度为0.3mm/a｡对单侧炉墙而言,水冷壁减薄并不是沿着炉墙中心线呈均匀分布的趋势,四墙中心线右侧部分比左侧部分减薄程度严重,表明中心线右侧部分高温腐蚀更加严重｡炉内燃烧切圆方向呈逆时针方向旋转,当一､二次风经燃烧器进入炉膛后,温度升高,气体体积快速膨胀,阻力增大,气流动能快速衰减,受逆时针切圆气流的影响,燃烧的煤粉射流会靠近A区域,造成该区域H2S体积分数升高,高温腐蚀情况加重,也符合水冷壁减薄的趋势｡

4水冷壁氛围测试及原因分析

4.1水冷壁氛围测点

该锅炉的水冷壁氛围测点布置为锅炉前后墙各布置3层测点,由于锅炉两侧墙布置有二次风风箱,因此左右侧墙各布置1层,每层4个测点,炉墙中心线左右两侧各布置2个测点｡试验过程中,使用硅胶管与带内置取样泵的便携式烟气分析仪测试H2S和CO体积分数,待测量参数稳定后,对烟气分析仪测量数据进行采集｡在进行燃烧优化调整试验期间,每个测点的测量数据均包含氧､CO和H2S的体积分数,由于烟气中H2S与CO的体积分数存在正相关性,而H2S与氧的体积分数存在负相关性｡因此,本文中仅对H2S的体积分数进行分析｡另外,烟气中H2S体积分数接近临界值时,将会造成高温腐蚀的问题,目前这个临界值仍无具体的结论｡但根据行业内的普遍共识,当烟气中H2S的体积分数高于0.02%时[8-10],水冷壁将存在较高的高温腐蚀风险,因此,本文以这一数值为临界值,分析研究高温腐蚀的原因,评判燃烧优化调整效果｡

4.2典型工况下水冷壁氛围测试结果分析

为了控制烟气中NOx生成质量浓度,常规运行控制方式为保持低氧量和小二次风门开度｡在320MW和220MW负荷下,未调整前各测点烟气中H2S体积分数测量结果分析如下:1)在320MW负荷下,水冷壁贴壁烟气中H2S体积分数超过0.02%的测点数量为17个,H2S体积分数平均值0.0226%;在220MW负荷下,水冷壁贴壁烟气中H2S体积分数超过0.02%的测点数量为9个,H2S体积分数平均值0.0168%｡由此可知,高负荷工况下H2S气体生成量明显高于低负荷工况,发生高温腐蚀的现象也更加严重｡因此,在燃烧优化调整试验中重点分析320MW负荷下的高温腐蚀状况｡2)根据各层测点位置及H2S体积分数的测试结果,H2S体积分数最高值主要分布于单侧炉墙中心线右侧部位,这与之前的管壁厚度测量结果相符｡

5燃烧优化调整

5.1氧量优化调整

为缓解水冷壁高温腐蚀状况,氧量优化调整是在一次风量保持不变的前提下,通过调整主燃区二次风率,使二次风刚性增强,阻隔携带煤粉的一次风气流向水冷壁扩散,促使燃烧生成高温烟气中H2S气体与二次风相遇并发生氧化反应｡AGC解除的情况下,保证负荷､煤量和一次风量不变,通过调整二次风量,将锅炉运行氧量控制在2.5%､3.0%､3.5%和4.0%,进行氧量优化调整试验｡随着锅炉运行氧量的逐渐升高,水冷壁贴壁烟气中H2S体积分数先较快下降,进一步提高氧量,H2S体积分数下降较慢｡主要原因为一､二次风在垂直方向上呈现一种错层关系,在一次风量不变的情况下,通过提高二次风量改变锅炉运行氧量,二次风量增加后其刚性增强,使二次风达到的距离更远,能够有效屏蔽高温烟气向水冷壁扩散,降低这部分区域的高温腐蚀｡

为了评价运行氧量对NOx排放质量浓度及锅炉效率的影响,在不同运行氧量下进行相关锅炉性能试验,根据《电站锅炉性能试验规程》(GB/T10184—2015)标准计算得到锅炉效率｡通过对锅炉效率和NOx生成质量浓度分析,设定优化后的锅炉运行氧量应控制在3.5%4.2周界风优化调整周界风在燃烧器喷口的布置在一次风口四周｡周界风属于二次风,其设计风量约占总二次风量的10%,设计风速为45~55m/s,风量和风速随大风箱的压力而变化｡通常周界风主要作用为冷却燃烧器喷口､托住煤粉并遏制其破碎以及增加燃烧所需的氧气｡为了控制烟气中NOx生成质量浓度,当前电厂运行人员通常会维持周界风门在一个较小的开度｡为此,在保持锅炉煤量､一次风量和锅炉运行氧量不变的情况下,进行周界风优化调整试验｡当增加周界风门开度时,为了保持锅炉运行氧量不变,适当关小二次风门｡位于燃烧器一次风口四周的周界风对一次风具有很强的包裹作用,此时提高周界风量,能够较好地约束一次风向四周的扩散,与此同时可以快速地补充氧量,与生成的H2S进行氧化反应[17-18]｡此外,周界风量约占二次风量的10%,占总风量的2%,增加周界风量对锅炉效率和NOx生成量影响较小｡因此在锅炉负荷为320MW时,调整周界风门开度至65%｡

5.2提高磨煤机出口风温

提高磨煤机出口风温,可实现煤粉着火提前,增加一次风前冲阻力,减小一次风前冲的距离,降低火焰热扩散到末端的可能[19-20]｡在320MW负荷下,保持周界风门开度为65%,锅炉运行氧量在3.5%,通过减小冷风门开度,将磨煤机出口风粉混合物温度由65℃提升至70℃｡通过提高磨煤机出口风粉温度试验,该锅炉水冷壁贴壁H2S体积分数进一步下降,各测点H2S体积分数的平均值降至0.0103%,超过0.02%的测点数量仅有2个,且H2S体积分数最高值由调整前0.0468%下降到0.0224%,极大地缓解了水冷壁高温腐蚀的风险｡

6结论

1)某超临界350MW机组锅炉高负荷工况下发生高温腐蚀的情况比低负荷工况严重,而且逆时针切圆燃烧锅炉四墙发生高温腐蚀的程度并非沿炉墙中心均匀分布,而是右侧比左侧更加严重｡2)根据锅炉四墙中心线水冷壁右侧高温腐蚀严重问题,提出增加周界风量和提高磨煤机出口风粉混合物温度,从而提高进入炉膛煤粉气流的刚性,缓解火焰对炉墙的扩散与冲刷｡3)通过适当地调整运行氧量､周界风量和磨煤机出口风粉混合物温度后,各贴壁测点H2S体积分数平均值由调整前0.0226%降至0.0103%,调整前后H2S体积分数超过0.02%的测点数量由17个降至2个,H2S体积分数最高值由调整前0.0468%降到0.0224%,有效地缓解了水冷壁的高温腐蚀｡

[参考文献]

[1]吕洪坤,童家麟,常毅君,等.超超临界锅炉低NOx燃烧优化对高温腐蚀的影响[J].热能动力工程,2017,32(9):109-114.

[2]邹磊,王健,岳峻峰,等.低氮燃烧方式下锅炉水冷壁高温腐蚀研究现状[J].电站系统工程,2018,34(2):6-10.

[3]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.