W型火焰锅炉腐蚀特性及防腐蚀措施研究.pdf

80VOL.43No.4W 型火焰锅炉腐蚀特性及防腐蚀措施研究王妮妮，杨靖，张斌，赵佰波（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）摘要：W 型火焰锅炉运行过程中存在炉膛水动力安全和腐蚀性的问题，针对以上技术难点，以某 660MW 超超临界 W型火焰锅炉为研究对象，从提高抗腐蚀能力方面对其进行研究，提出了相关防腐蚀措施以保证机组的稳定运行。结果表明，在不同温度及 SO2浓度下，随着温度升高和 SO2浓度增高，Super304、TP310 和 TP347 三种不锈钢材料的腐蚀速度均加快。合理布置燃烧器和受热面位置，并对易腐蚀部件采用喷涂技术等措施可以有效防止高温腐蚀。研究结论可为 660MW超超临界 W 型火焰锅炉的工程应用提供技术指导。关键词：W 型火焰锅炉；腐蚀特性；防腐蚀措施；受热面材料中图分类号：TK224.9文献标识码：ADOI：10.16189/j.nygc.2023.04.012Investigation on the corrosion characteristics and anti-corrosion measures of W-Flame boilerWANG Nini,YANG Jing,ZHANG Bin,ZHAO Baibo(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institue Corp.LTD.,Jinan 250013,china)Abstract:The hydrodynamic safety and corrosivity problems in the furnace affect the operation of W-flame boiler.To improve these problems,taking a 660 MW ultra-supercritical W-flame boiler as the subject,the anti-corrosion measures was proposed to improve the corrosion resistance of the boiler and ensure the operation safety and stability of the unit.The results show that under different temperature and SO2 concentrations,with the increase in temperature and SO2 concentrations,the corrosion rates of Super304,TP310 and TP347 stainless steel materials are accelerated.In addition,the proper arrangement of combustor and heating surface,and the application of spraying on corrosive parts can effectively prevent high-temperature corrosion.The research can provide technical guidance for the engineering application of 660MW ultra-supercritical W-flame boiler.Key words:W-flame boiler;corrosion performance;anti-corrosion measures;material of heating surface收稿日期：2023-03-09作者简介：王妮妮（1978-），女，山东济南人，硕士，从事火电厂热机设计工作。运行维护0引言近年来，超超临界锅炉技术发展迅速，锅炉蒸汽温度、压力进一步提高1。无烟煤作为锅炉的主要燃料，储量丰富、分布广泛，随着我国晋东南及川南、黔西无烟煤的进一步开发利用，电站锅炉燃用无烟煤和低挥发分贫煤的数量大幅增加2。由于无烟煤具有挥发分含量低且挥发分析出温度高等特点，挥发分的析出和燃烧不足以维持煤粉的着火，导致着火速度慢且时间长、煤粉不易着火和燃尽等问题，因此国际上倾向采用 W型火焰锅炉燃烧3。W 型火焰锅炉在锅炉着火、稳燃及燃尽方面具有一定优势，主要适用于燃烧挥发物含量低，着火及稳燃性较差、燃尽困难的无烟煤机组。然而由于 W 型火焰锅炉燃烧方式和结构的特殊性，以及运行当中出现的高温腐蚀4、拉裂等诸多问题，使得高效参数 W 型火焰锅炉发展滞后5。张锋等6分析得出在 W 型火焰锅炉VOL.43No.4Aug.2023第 43 卷第 4 期2023 年 8 月能 源 工 程ENERGY ENGINEERING81第 43 卷第 4 期能 源 工 程中引起高温腐蚀的主要原因是经过低氮燃烧改造使得下炉膛区域由过氧燃烧转变为欠氧燃烧。高建强等7研究了二次配风比对炉内高温腐蚀的影响。陈杰等8讨论了煤质变化、炉膛缺氧燃烧和火焰偏斜对水冷壁高温腐蚀的影响。龚超9等研究了燃高硫无烟煤超超临界 W 型火焰锅炉受热面高温腐蚀的机理并提出了应对措施，发现通过抑制水冷壁区域还原性气氛、防止火焰刷墙及水冷壁喷涂可有效减缓水冷壁高温腐蚀。此外，当 W型火焰锅炉的蒸汽参数由常规的超临界提高到更高参数的超超临界水平时，由于汽机热耗的降低与回热级数的调整，导致超超临界机组出口蒸汽参数以及省煤器出口水温提高，炉膛水冷壁的进口工质温度和水冷壁出口的分离器温度等也随之增加，使炉膛水冷壁的壁温会有一定程度地上升，最终导致水冷壁开裂10。王良伟11发现造成超临界 W 型火焰锅炉水冷壁出现变形及拉裂主要原因是水冷壁超温、水冷壁管间热偏差较大以及膨胀受阻。杨希锐等12研究了超超临界锅炉吹灰器附近水冷壁管的横向裂纹，结果表明吹灰器附近密封板及浇注料损坏是水冷壁管背火面产生热疲劳裂纹的主要原因。李烨等13通过有限元分析了超超临界锅炉水冷壁横向裂纹的产生原因，发现温差梯度产生较大的轴向拉应力是裂纹产生和扩展的主要原因。目前现有的燃用无烟煤超临界 W 型火焰锅炉在运行中炉膛水冷壁和高温受热面并没有出现严重的高温腐蚀情况，而对于超超临界 W 型火焰锅炉，温度参数的升高会使受热面受到严重的腐蚀14。当蒸汽温度提高到 600 以上时，高温级受热面的壁温达到 630-650 以上，使得高温腐蚀急剧恶化，因此必须采取相应的抗高温腐蚀措施。本文针对超超临界 W 型火焰锅炉研发中的高温腐蚀性问题开展研究，以某 660MW 超超临界 W 型锅炉为研究对象，分析锅炉高温受热面腐蚀特性，并提出锅炉抗腐蚀策略，从而为保障机组的经济稳定运行提供指导。1锅炉高温受热面硫腐蚀性研究1.1高温腐蚀机理硫化物腐蚀的管道附近存在还原性气氛和H2S 气体，其腐蚀过程如下：燃煤中的黄铁矿（FeS2）随着未燃尽煤粉到达管壁上，受热面解放出来自由原子硫和硫化亚铁：FeS2 FeS+S(1)当管道附近有一定浓度的 H2S 和 SO2时，也可生成自由原子硫：2H2S+SO2 2H2O+3S(2)在还原性气氛中，无过剩的氧原子，使单独的原子硫在壁面温度达到 350时，即可发生硫化作用：Fe+S FeS (3)H2S 还可通过疏松的 Fe2O3与较致密的磁性氧化铁层（Fe3O4)中复合的 FeO 发生反应：FeO+H2S FeS+H2O(4)FeS 缓慢氧化成黑色的磁性氧化铁：3FeS+5O2 Fe3O4+3SO3(5)锅炉高温受热面主要以硫酸盐腐蚀为主。硫酸盐腐蚀过程主要有以下两种途径：第一种是在附着层中碱性硫酸盐参与作用下的气体腐蚀，即受热面上熔融的硫酸盐吸收烟气中的 SO3，并在烟气中的 Fe2O3与 Al2O3的作用下，生成复合硫酸盐(Na,K)(Fe,Al)(SO4)3：3Na2SO4+Fe2O3+3SO3 2Na3Fe(SO4)3(6)3K2SO4+Fe2O3+3SO3 2K3Fe(SO4)3(7)K2SO4+Al2O3+3SO3 2KAl(SO4)3 (8)当 K3Fe(SO4)2/Na2Fe(SO4)3混合物中的钾与钠的摩尔比值在 1:1 与 1:4 之间时，熔点降至 550 左右。此时，当硫酸盐沉积厚度增加，表面温度升高至熔点温度时，金属表面氧化膜被复合硫酸盐溶解破坏，使管壁继续腐蚀。第二种途径为碱金属的焦硫酸盐腐蚀，即：3Na2S2O7+Fe2O3 2Na3Fe(SO4)3(9)82VOL.43No.43K2S2O7+Fe2O3 2K3Fe(SO4)3(10)在附着层中有碱焦硫酸盐生成时，由于其熔点低（约 400），在通常壁温下成熔融态流淌，形成反应速度更快的熔融盐腐蚀。随 SO3的增多，焦硫酸盐增多，腐蚀更加严重。不过焦硫酸盐在高温条件下不稳定，极易与 Fe2O3化合成复合硫酸盐。1.2SO2气氛条件下的材料腐蚀锅炉受热面的高温腐蚀与受热面温度、燃煤硫含量、灰分沾污和结焦特性密切相关。当锅炉的蒸汽参数达到 600 以上时，锅炉高温受热面采用奥氏体不锈钢，通过采取一系列蒸汽侧及烟气侧防止热量和流量偏差的措施，可在很大程度上保证各管屏温度的均匀性。然而，由于热量和流量偏差不可能完全消除，高温级受热面炉内管的金属表面壁温一般仍可达到 620 至 680。大量的实践及试验表明，在此温度范围内受热面外表面受烟气中硫腐蚀最为严重（见图 1）。图 1壁温及烟温对管壁腐蚀的影响表 1 列举了 660MW 机组不同工况下主要锅炉参数，两种不同工况的主要变化包括主汽压力提高，主汽温度由超临界的 571 提高到 605，以及再热器出口汽温由 569 提高到 613。工况 2 的参数在对冲燃烧和切圆燃烧都已有大量的成功投运项目，但针对 W 型火焰燃烧方式暂无投运经验。W 炉由于布置和煤质特点导致锅炉在结构布置上存在一些特殊性，使炉膛在宽度和炉膛容积上不能太小，挥发分较低就需集中燃烧解决燃尽问题。因此 W 炉的炉膛周界尺寸相对于其他燃烧方式的锅炉更大，同时由于锅炉采用拱式燃烧方式，限制了水冷壁结构。此外，低挥发分煤质一般含硫量较高，高温腐蚀会对受热面的安全性造成不良影响。因此参数提升对 W 炉的影响主要是分析炉膛的适应性和高温腐蚀的影响程度，下面依据已投运超临界 W 炉的情况，分析 W 炉对各参数的适应性。表 1锅炉参数项目单位工况 1工况 2过热器流量 th-1 20602016.29过热器出口压力MPa26.2528.35过热器出口温度571605再热器流量th-1 1736.261677.1再热器进口压力MPa5.966.5再热器出口压力MPa5.766.3再热器进口温度371376再热器出口温度569613给水温度294295图 2、图 3 和图 4 分别为 Super304、TP310和 TP347 三种不锈钢在 600、650和 700下的腐蚀动力学曲线。从腐蚀动力学上看，在 90O2+10%SO2气氛中以 Super304 腐蚀最为严重，换算后腐蚀速率约为 0.033 mm/a，但由于动力学曲线较为平缓，实际腐蚀速率应低于 0.033 mm/a。从动力学曲线可发现三种不同不锈钢的腐蚀并不严重，在实验测试时间内所有增重和失重均未超过 1 mg/cm2。图 2Super304、TP310 和 TP347 不锈钢在 600 时的腐蚀动力学曲线王妮妮等：W 型火焰锅炉腐蚀特性及防腐蚀措施研究83第 43 卷第 4 期能 源 工 程图 3 Super304、TP310 和 TP347 不锈钢在 650 时的腐蚀动力学曲线图 4Super304、TP310 和 TP347 不锈钢在 700 时的腐蚀动力学曲线2防腐蚀措施2.1防止水冷壁发生高温腐蚀措施影响水冷壁外部腐蚀的最主要因素是水冷壁附近的烟气成分和管壁温度。一方面由于燃烧器附近火焰温度可达 1400 1600 左右，因此煤中的矿物成分挥发出来，该区域烟气中 NaOH、SO2、H2S 等腐蚀性气体成分较多，同时水冷壁附近的烟气处于还原性气氛，从而极易引起硫化物型高温腐蚀；另一方面，在 300 500 范围内，管壁外表面温度每升高 50，将使烟侧的腐蚀程度增加一倍，由于燃烧器区域附近的水冷壁热流密度较大，温度梯度也较大，管壁温度常在350450 左右，也加剧了高温腐蚀速度。因此，在燃烧器区域，温度和煤粉浓度最高，最易出现还原性气氛，导致该区域腐蚀最为严重，因此必须对燃烧器附近区域的水冷壁管进行防护处理。根据煤质的结焦特性，在下炉膛区域合理布置卫燃带，卫燃带材料采用致密的微膨胀耐火可塑料，防止卫燃带区域水冷壁的高温腐蚀；加大燃烧器至侧水冷壁的距离，避免火焰直接冲刷侧墙，防止炉膛水冷壁结渣和产生高温腐蚀，控制屏底烟温在较低水平，避免管屏高温腐蚀；优化螺纹管的参数，增强工质侧的传热，降低水冷壁管表面温度，防止高温腐蚀发生；边部风口采用旋转气流，在水冷壁面形成氧化性气氛，防止煤粉粒子冲刷水冷壁；燃尽风口采用优化的双气流结构和布置形式，使燃尽风沿炉宽方向覆盖整个一次风，防止出现煤粉颗粒逃逸现象，进而避免燃烧器区域靠近两侧墙处产生高温腐蚀。上述措施对减轻水冷壁高温腐蚀有一定效果，并结合水冷壁向火面喷涂技术，可有效防止高温腐蚀。2.2防止对流受热面发生高温腐蚀措施对于含硫煤，煤粉燃烧后煤质中的硫以各种方式存在于烟气中，使锅炉受热面受到腐蚀。一般沉积在过热器管壁上的灰中含有硫及碱性物，会形成复合硫酸盐。复合硫酸盐在 550 700 范围内处于熔化状态，和管壁发生反应，造成腐蚀现象。由此可见，在燃用高硫煤时，受热面管的壁温峰值越高，管壁高温腐蚀倾向越严重。因此，为降低管壁壁温峰值，从而达到防止或减轻高温腐蚀的倾向，同时减少蒸汽侧氧化，本研究提出以下措施：1）控制和减小烟气侧温度偏差。对冲燃烧方式有利于减小烟气侧的烟温偏差，通常对冲燃烧方式可以使得炉膛出口烟温偏差控制在 20 50 之间，均匀的烟气温度场有利于减小高温受热面的受热不均匀性。此外，在系统布置上采用蒸汽管道左右交叉的布置方式，减小烟气偏差的影响，从而避免管组中局部管壁出现极端高温，可有效地降低管壁壁温峰值。2）控制和减小蒸汽侧流量偏差。蒸汽侧的流量偏差可通过各种技术手段加以控制，如采用84VOL.43No.4合理的进出口集箱管径，能有效控制管屏间的流量不均衡；管屏内管道采用跳管布置方式，减小不同管道流程长度的差异，使管道间的流量均衡。这些技术手段的采用，可使蒸汽侧的流量偏差得到有效控制，并使每根管道的温度偏差大大降低。对于布置在炉膛上方处于强辐射热区的屏式过热器，采用发卡式结构，每根管道的长度基本相同，可最大程度避免流量偏差，以保证每根管道的温度均匀。同时，对于末级过热器和高温再热器受热面，采用跳管结构，可有效控制末级受热面的温度偏差，降低壁温峰值。3）高温受热面管选材采用抗腐蚀性能良好的钢材。屏式过热器、后屏过热器、末级过热器和高温再热器管材可采用 SA-213T91、SA-213T92、S30432 和 SA-213TP310HCbN 不锈钢。4）优化受热面壁温控制方式。采用两级四点的减温水系统配置，防止各种运行条件下高温受热面超温。当运行工况发生变化、受热面温度迅速升高的情况下，可通过喷水快速并准确地控制汽温，从而有效避免受热面超温，减小受热面的氧化。对于再热器系统，可采用尾部调节挡板进行温度调节，并在低温再热器出口布置事故喷水减温器，当负荷变化时，可通过事故喷水迅速对再热汽温进行控制以保护受热面。2.3防止锅炉尾部低温受热面的低温腐蚀煤质的含硫量越高，锅炉尾部空预器、空预器后烟道、除尘器及锅炉引风机等会面临较严重的低温腐蚀倾向。因此提出以下措施以防止锅炉尾部低温受热面的低温腐蚀：1）选取合适的空预器冷段平均温度。按照空气预热器设计的平均温度曲线，并结合燃料参数，保证预热器冷段留有足够的安全裕度。采用回转式空预器串联管式空预器，当回转式空预器冷端进风经过管式空预器加热后，综合温度较常规单级空预器高，从而避免回转式空预器冷端腐蚀。2）回转式空预器选取合理的冷段蓄热元件板型及材料。预热器冷段板型及材料的选取也需充分考虑预热器的防结露、抗腐蚀以及堵灰性，冷段蓄热元件采用便于吹灰的防堵板型，使蓄热元件不易积灰；同时，冷端采用涂搪瓷传热元件，对防止低温腐蚀和堵灰都将有积极作用。3）管式空预器采用三维内外肋片管作为换热元件。三维肋管可通过调节管内、外肋片密度（变密度三维肋管），从而调节管内外对流换热系数大小，再辅以合理肋片参数设计，使管内对流换热系数大幅度高于管外对流换热系数，可保证壁温显著提高，从而减轻积灰腐蚀。4）空气预热器冷端设置有效的双介质吹灰器。当空预器烟气阻力上升到 50%左右时，需对预热器进行在线高压水清洗，打开冷端高压水系统对冷端传热元件进行清洗，同时投运蒸汽吹灰，保证及时吹干元件表面。通过及时投入双介质吹灰器，能将冷端的积灰有效地清除，确保锅炉的安全、稳定和经济运行。4结论本文针对超超临界 W 型火焰锅炉腐蚀问题开展研究，分析了锅炉受热面的硫腐蚀特性，并提出不同措施以减轻锅炉不同部件的腐蚀问题，所得结论如下：1）在 600、650和 700三种不同温度下，Super304、TP310 和 TP347 三种不锈钢材料在90O2+10%SO2气氛中，Super304腐蚀最严重，腐蚀速率约为 0.033 mm/a。2）合理布置燃烧器和受热面位置，并对易腐蚀部件采用喷涂技术等措施可以有效防止高温腐蚀。参考文献1 王婷,郭馨,殷亚宁,等.浅析 700超超临界锅炉关键技术 J.电站系统工程,2021,37(6)：15-17.2 裴西平.中国无烟煤生产、消费及进出口分析 J.中国煤炭,2009,35(6)：14-19.3 袁伟.高硫高灰无烟煤超临界 W 火焰锅炉高效清洁燃烧技术研究及应用.R.杭州：华电电力科学研究院有限公司,2017.4 李广伟,蒙毅,宁新宇,等.燃用高硫煤 W 火焰锅炉王妮妮等：W 型火焰锅炉腐蚀特性及防腐蚀措施研究85第 43 卷第 4 期能 源 工 程纳米陶瓷涂层技术 J.热力发电,2018,47(3)：88-93.5 刘大猛,石践.两种超临界 W 火焰锅炉燃烧特性及运行特性分析 J.锅炉技术,2017,48(2)：45-49.6 张锋,宋立斌,严俊山,等.W 火焰锅炉高温腐蚀问题分析及调整策略 J.洁净煤技术,2016,22(5)：41-47.7 高建强,仝国兴.二次风配比对炉内高温腐蚀影响的研究 J.能源与节能,2021,192(9)：161-162+164.8 陈杰,姜波,丁杨.1000 MW 超超临界锅炉高温腐蚀原因分析及防治对策 J.山东电力技术,2012,189(5)：55-57.9 龚超,刘宇钢,易泽中,等.燃高硫无烟煤超超临界W 火焰锅炉受热面高温腐蚀应对措施 J.山东电力技术,2022,49(1)：65-69.10 周晓韡,陈辉,戴维葆.基于水动力分析的锅炉水冷壁壁温控制研究 J.电站系统工程,2022,38(1)：17-20+24.11 王良伟.超临界 W 火焰锅炉水冷壁变形、拉裂问题及对策 J.中国设备工程,2021,463(1)：104-105.12 杨希锐.超超临界锅炉内螺旋水冷壁管横向开裂原因分析 J.材料保护,2021,54(11)：192-196.13 李烨,杨贤彪,陈骞,等.超超临界锅炉水冷壁横向裂纹产生原因的有限元分析 J.机械设计,2020,37(S2)：119-124.14 蔡勇,张兴龙,孙金龙.超超临界锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析与防治 J.山东电力技术,2021,48(7)：64-69.（责任编辑罗海华）