水冷壁高温腐蚀原因及对策

水冷壁高温腐蚀原因及对策

张金奎

（华电漯河发电有限公司，河南 漯河 462003）

摘 要：针对大型电站锅炉的水冷壁高温腐蚀问题，以某电厂为例，通过测量燃烧器区的水冷壁近壁 CO、CO2、O2 的成份，分析水冷壁高温腐蚀的原因，从而找到针对高温腐蚀的一些防治措施。 关键词：锅炉 水冷壁 高温腐蚀 一次风反切 侧边风

中图分类号：TK224.9 文献标识码：B 文章编号：X（2014）01-058-04

The Causes and Countermeasures of Water Wall High-temperature Corrosion

Zhang Jin-kui

（Huadian Luohe Power Generation Co. Ltd，Luohe 462603，China）

Abstract：For large power plant boiler water wall high-temperature corrosion problems，for example of a

power plant，through measuring the area of the water wall near the burner wall CO，CO2，O2 ingredients， analysis of water-wall high-temperature corrosion reasons，in order to find some of corrosion control

measures for high temperatures. Key words：boiler；water wall；high-temperature corrosion；a wind tangential；side of the wind

概述

近年来， 1

有多台 300MW 级机组锅炉发生水冷 壁高温腐蚀，腐蚀位置一般在燃烧器射流的下游区 域，腐蚀速度约 1~3 mm/104h，有个别锅炉水冷壁厚

度被腐蚀减薄至 1.5 毫米左右， 严重影响了锅炉机 组的安全运行。 因此，研究高温腐蚀发生的机理，分

析造成高温腐蚀的原因并寻求解决高温腐蚀的 途 径，是当前电力科研工作者的紧迫任务。 下面结合 某电厂进行的有关改造、试验研究工作，就该厂 #1

炉的高温腐蚀问题进行简要论述。

2 设备概况及高温腐蚀情况

漯河电厂 #1 锅炉是由上海锅炉厂设计制造的 SG1120/17.5-M732 亚临界压力控制循环汽包炉，设

计燃料为平煤集团的烟煤。 锅炉采用四角切 圆燃 烧，每角燃烧器分成上下两组 ，共有 5 层一次风喷 口和 6 层二次风喷口，一、二次风间隔布置，燃烧器

上层是三层分离燃尽风。 四角燃烧器在炉膛中心形

成 700 和 500 两个假想切圆。 图 1 高温腐油区域 该炉于 2009 年 12 月投入运行， 在其两年的大、小

修中均发现存在水冷壁高温腐蚀现象，腐蚀严重区 域在燃烧器出口气流下游水冷壁上，标高为燃烧器

区的中上部 ， 如图 1 所示， 估算腐蚀速度约 1.5～ 3mm/104h。 在 2010 年的小修中，为了提高低负荷稳

燃性能，对燃烧设备进行了改造，将燃烧器底部两 层一次风燃烧器改为双通道煤粉燃烧器。 设备改造

后锅炉运行约半年时间，再次检查发现高温腐蚀区 域发生变化，腐蚀最严重区域的标高降至底层燃烧

器处，腐蚀速度有所加快。

高温腐蚀原因分析

造成水冷壁 高温腐蚀的 原因可以分 成两大方 3 53 2014 年第 1 期 张金奎：水冷壁高温腐蚀原因及对策

面，即烟气侧的影响和汽水侧的影响。 烟气侧的影响进行分析。 下面主要就 次风分离， 也即一次风气流并没有完 全混入二次 风，至少有一部分一次风气流偏离了二次风并在低

氧状况下燃烧，形成还原性气氛。 造成一二次风分 离的原因如下：在该炉设计中 ，为了达到集束着火

的目的，选用了较高的二次风速（43.2m/s）和较低的

一次风速（21.9m/s），从而使一 、 二次风的射 流刚性

相差较大。 一、二次风射流喷出燃烧器后由于受到 上游邻角气流的挤压作用及左右两侧不同补气 条 件的影响 ，使气流向背火侧水冷壁偏转，此时刚性

较弱的一次风射流将比二次风偏转更大的角度，从

而使一、二次风分离。 一、二次风的刚性相差越大， 这种分离现象越明显。 这一点在炉内冷态空气动力

场试验中也得到验证。 图 3 所示是冷态试验中用飘

带测得的一、二次风出口射流轨迹。 一次风射流中 下游明显向水冷壁偏转。 由于一部分一次风射流偏

离了二次风 ，煤粉在缺氧状态下燃烧 ，在射流下游

形成局部还原性气氛，这是引发高温腐蚀的一个重 要原因。

3.2 双通道煤粉燃烧器的影响 一、二次风射流分离 从燃烧器布置方式来看，该炉采用的是集束射

流着火方案，一、二次风射流以同一角度平行射向 炉内。 理想的着火过程应该是一次风喷出后不久既

被动量较大的二次风所卷吸，射流轨迹变弯，形成

一转弯的扇形面，并卷吸周围高温烟气，形成着火 区， 着火后的一次风被卷入二次风射流中燃烧，由

于一次风射流混入动量大的二次风中，使火炬射流 刚性加强，不易受干扰，从而维持稳定燃烧。 另外由

于一二次风采用间隔布置，均等配风 ，因此沿燃烧

器高度方向的氧量分配是基本均匀的，这样就在整 个燃烧器区域内形成一个燃料与氧强烈混合的，稳

定燃烧的旋转火炬。

但实际情况并非如此。 我们对 #1 炉燃烧器区 的水冷壁近壁气氛进行了测量点如图 2 所示，结果

如表 1（以炉膛后墙为例）。 3.1

图 3 冷态一、二次风出口射流轨 为提高低负荷稳燃能力 ，#1 炉在 2011 年大修 中进行了燃烧设备改造，将最下面两层一次风喷口

改为双通道煤粉燃烧器。 这种燃烧器的工作原理是 将一次风分成上下两股射流，通过两股射流的卷吸

作用在中间形成一个强烈的回流区，回流高温烟气

加热一次风粉气流，保证稳定燃烧。 在一定程度上， 回流越强烈，烟气回流量越大，稳燃效果越好。 但强

烈的回流区也使一次风速度急剧衰减（在冷炉试验

中可明显观察到这一现象）， 另外由于双通道燃烧 器预燃室出口面积比原一次风喷口面积 增加一倍 左右，也使一次风出口速度大大降低。 因此一次风

射流刚性减弱，易受到干扰发生偏转。 这是双通道 燃烧器对高温腐蚀不利的一面。 另一方面，由于双

通道燃烧器良好的着火性能，使一次风气流被快速

加热，煤粉着火提前，燃烧过程缩短，有利于防止水 冷壁面还原性气氛的产生。 因此，对于双通道燃烧 图 2 炉膛后墙水冷壁各点近壁 气体成分测点分布

表 1 炉膛后墙水冷壁各点近壁气体成分

很明显， 沿炉膛宽度方向气体成分差别很大， 在一、二次风射流中下游（N-2、N-3 区域）存在明显 的还原性气氛，该处的氧含量几乎为零，而 CO 的含 量却很高。 我们认为产生这种现象的原因是一、二 位置 CO% CO2% O2% 1-1 0.16 15.0 4.5 1-2 0.54 18.7 0.1 1-3 2.20 17.4 0.3 2-1 0.01 9.7 10.3 2-2 1.5 18.3 0.2 2-3 4.3 16.4 0.1 3-1 0.01 11.0 9.8 3-2 1.3 17.8 0.2 3-3 3.6 18.1 0.1 54 河 南 电 力 2014 年第 1 期

器对高温腐蚀的影响必须具体分析。 3.3 煤种的影响

在我省已投用的 300MW 机组中， 气流旋转方向相反，因而受到上游高温气流的阻滞 和扰动，使煤粉射流速度迅速衰减，从而延长了煤

粉颗粒在高温烟气中的停留时间，有助于着火和稳 燃。 一次风射流在速度衰减过程中，由于受到主气

流的挤压作用， 其运动方向将逐渐转 向主气流 方

向， 而射流中的空气由于惯性小先于煤粉转向，从

而使大量煤粉颗粒被分离在靠近炉膛中心区域，形

成“风包煤”的燃烧方式，防止高温腐蚀的发生。 锅炉大多采

用四角切圆燃烧方式，都或多或少存在前面分析的 一、二次风分离现象，而这些锅炉中，所有燃用贫煤

的锅炉无一例外都发生了高温腐蚀，而燃用烟煤及 褐煤的锅炉高温腐蚀现象则较少发生。 这说明煤种

与高温腐蚀也有很大关系，一、二次风分离是引发

高温腐蚀的必要条件。 近年来，随着煤炭市场煤价 持续走高，各厂均在探索烟煤掺烧贫煤、贫瘦煤。 漯

河电厂 #1 炉设计燃用平顶山烟煤， 但实际自投产

以来即开始掺烧贫煤、贫瘦煤，且掺烧比例不断增 大。 同烟煤相比，贫煤具有着火温度高、燃烬时间

长、燃烧速度慢等特点。 表现在对高温腐蚀的影响

上则是煤粉火炬拖长，大量未燃尽煤粉颗粒聚集在

水冷壁附近，形成还原性气氛。 另外，煤中含硫量的 侧边风技术 对于某些自稳燃能力较差的锅炉，仅采用一次

风反切技术是不够的，因为这种锅炉为了保证低负 荷稳燃能力， 大多安装了一到两层预燃室型 燃烧

器。 对于预燃室型燃烧器，由于其出口射流刚性弱，

即使采用了反切技术，仍难以避免煤粉气流冲刷水 冷壁，这时就需要采用侧边风技术。

所谓侧边风 就是在高温 腐蚀区域的 上游水冷 壁或在高温腐蚀区域水冷壁上安装喷口，向炉膛内 通入空气。 采用侧边风的主要目的是改变水冷壁高

温腐蚀区域的还原性气氛，增加局部含氧量。 一般

情况下以二次风作为侧边风的风源。 根据侧边风的

结构及布置方式又可分为贴壁型和射流型两种。

贴壁型侧边 风一般采用 在水冷壁管 鳍片上开 孔的方式，开孔位置在高温腐蚀区域内，依据腐蚀

面积的大小决定开孔数目的多少。 二次风由小孔进

入炉膛后，受炉内烟气运动的影响，很快偏转附着

于水冷壁上，在高温腐蚀区域水冷壁表面形成一层

空气保护膜。 贴壁型侧边风的优点是结构简单，不 用改动水冷壁管。

射流型侧边 风是在高温 腐蚀区域上 游位置安 装侧边风喷口。 喷口的大小形式、射流的速度及射

流的出口角度等决定了射流的刚性及与炉内 烟气 的混合程度。 当射流刚性较强时，其初始流动阶段

保持原有方向，与上游高温烟气相遇产生强烈混合 扰动，使烟气中还原性气体成分氧化 ，同时有助于

煤粉颗粒的燃烧。 随后由于炉内烟气运动的影响，

混合气体（侧边风与烟气）的下游偏向水冷壁，但此

时已呈弱氧化性或中性状态，不会造成水冷壁高温

腐蚀。 当射流刚性较弱时，在初始阶段即受烟气运

动的影响发生偏转，在其下游区域形成一层覆盖水 冷壁表面的空气膜，防止高温腐蚀产生。

侧边风技术 是防止水冷 壁高温腐蚀 的最有效 措施之一，同时该技术对炉内燃烧过程没有任何副 4.2

高低对高温腐蚀有显著影响， 文不再赘述。

3.4 煤粉细度 这一点已有定论，本

煤粉细度对高温腐蚀的影响非常大。 煤粉颗粒

太粗将导致火炬拖长，同时影响煤粉的燃尽，使大 量未燃尽煤粉颗粒聚集在水冷壁附近，加剧高温腐

蚀。 贫煤的煤粉细度应控制在 R90=8～12%范围内，

才能保证良好的燃烧经济性及减缓高温腐蚀的发 生。 长期统计结果表明，#1 炉的煤粉细度 R90 最低

为 6～7%，最高为 25～30%，平均为 16～20%。 在这种 煤粉细度下燃烧，无疑将使炉内运行工况恶化。