锅炉水冷壁高温腐蚀综合防治技术

背景介绍01采用低NOx燃烧技术后，高温腐蚀问题成为大型燃煤电厂锅炉频繁出现的一个共性问题，在短期内呈急剧爆发趋势。高温腐蚀不仅严重影响锅炉的安全运行，同时造成巨大的经济损失。通过锅炉高温腐蚀防治技术的实施，可以综合解决在保证燃煤机组锅炉低NOx排放的同时，确保水冷壁不发生高温腐蚀。高温腐蚀成因02 烟台龙源公司进行了600余台低氮燃烧器（四角、旋流、W炉和循环流化床）改造，有成熟的改造经验。国电科学技术研究院对多家水冷壁高温腐蚀电厂进行了调研和现场测试，分析了各机组NOx排放现状和存在的问题，对锅炉水冷壁高温腐蚀问题进行了深入研究。原国电集团内部机组高温腐蚀情况调研结果减薄水冷壁管向火侧表面有减薄水冷壁管向火侧表面有灰黑色灰黑色沉积物，质地脆而硬，极沉积物，质地脆而硬，极易脱落易脱落。脱落的沉淀物经水冲洗，表面呈黄褐色，表面脱落的沉淀物经水冲洗，表面呈黄褐色，表面有微坑有微坑。沉积物经硬物敲击或手掰，极易剥落，剥落后的沉积物内侧呈沉积物经硬物敲击或手掰，极易剥落，剥落后的沉积物内侧呈黑蓝色（孔雀蓝）黑蓝色（孔雀蓝）。1-11-21-31-42-12-22-32-43-13-23-33-43-53-64-14-24-34-44-55-15-25-35-4-012345 左墙测点后墙测点炉膛高度方向上测点编号前墙测点-1-21-3-2-12-22-32-43-1-3-53-64-14-24-34-44-55-15-25-35-4012345 水冷壁近壁区CO浓度（%）-3-13-23-3-4-2-5-15-2-5-4-012345 -4-14-24-3-5-15-25-3-012345 右墙测点1-11-21-31-42-12-22-32-43-13-23-33-43-54-14-24-34-45-15-25-35-40100200300 左墙测点后墙测点炉膛高度方向上测点编号前墙测点-1-21-3-2-1-3-1-3-54-14-2-5-1-5-40100200300 水冷壁近壁区H2S浓度（ppm）-4-2-5-2-0100200300 -4-2-5-2-0100200300 右墙测点贴壁烟气组分腐蚀产物分析碱金属（焦）硫酸盐型碱金属（焦）硫酸盐型碱金属硫酸盐与SO3/金属氧化物形成复合型（焦）硫酸盐，破坏管壁表面保护膜还原性气体型还原性气体型炉内缺氧燃烧，产生大量CO，与Fe2O3反应形成FeO，破坏保护膜，有利于H2S形成，加剧硫化物型硫化物型硫化物型烟气中游离态S及H2S，破坏管表面保护膜，形成FeS，或与金属Fe直接反应生成FeS1 243高温腐蚀高温腐蚀氯化物型氯化物型煤中NaCl含量较高时，会形成HCl，与Fe2O3形成易挥发的FeCl2，破坏保护膜硫化物腐蚀途径（1）氧化气氛下）氧化气氛下（2）还原性气氛下）还原性气氛下 硫化物硫化物腐蚀腐蚀途径途径途径途径I途径途径II途径途径I:S可以直接穿透管壁金属表面保护膜可以直接穿透管壁金属表面保护膜途径途径II（煤粉刷壁）（煤粉刷壁）:S产生产生途径途径关关键键影影响响因因素素 硫化物型高温腐蚀发生的条件硫化物型高温腐蚀发生的条件1、黄铁矿颗粒能够到达壁面；2、近壁区域为还原性气氛；3、受热面温度应大于大于350（发生在水冷壁）。其中，条件其中，条件1和和2只需满足一个，但只需满足一个，但3必须满足。必须满足。燃烧过程中燃烧过程中S的迁移途径的迁移途径2I+H S+受热分解有机硫222FeS+2HFe+2H S 还原性气氛222324FeS+11O2Fe O+8SO 氧化性气氛无机硫2FeSS+还原性气氛4RxSO 灰渣低氮改造前高温腐蚀成因：主要发生在切圆燃烧锅炉上；切圆变形、旋流锅炉配风、煤质差、燃煤含S量高和煤粉颗粒较粗是水冷壁近壁区出现未燃尽颗粒的主要原因；旋流锅炉前墙布置锅炉；通过燃烧优化调整、更换煤质或燃烧器改造基本可以解决高温腐蚀问题。腐蚀历史追溯低氮燃烧技术关系上个世纪上个世纪9090年代年代20042004年前后年前后20082008年前后年前后20142014年前后年前后低氮燃烧器紧凑型OFAOFA风率：1020%NOx水平：650mg/m3第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段低氮燃烧器分离型OFAOFA风率：2030%NOx水平：450mg/m3低氮燃烧器分离型OFAOFA风率：3040%NOx水平：250300mg/m3低氮燃烧器分离型OFAOFA风率：3050%NOx水平：200mg/m3影响NOx生成的主要因素：炉膛温度+氧浓度；低氮燃烧技术：低氮燃烧器+空气分级燃烧；深度空气分级导致主燃区极度缺氧，过量空气系数达到0.75，甚至更低。1234影响因素煤中含硫量低氮燃烧组织异常制粉系统高温腐蚀综合防治技术路线03烟台龙源公司在深入调研、综合分析、充分论证的基础上，开发出“治+防+调”三位一体的锅炉高温腐蚀综合防治技术，在兼顾低NOx排放的同时可从根本上解决水冷壁高温腐蚀的问题。以贴壁风技术为主以贴壁风技术为主，即增设射流型贴壁风即增设射流型贴壁风&侧墙膜式贴壁风侧墙膜式贴壁风，必要时辅之以燃烧设备改必要时辅之以燃烧设备改造造，优化炉内流场组织优化炉内流场组织。治防新型高温腐蚀及结渣防护涂层技术新型高温腐蚀及结渣防护涂层技术，致密的致密的防护涂层可将水冷壁基材与腐蚀性气氛防护涂层可将水冷壁基材与腐蚀性气氛、含含硫熔渣隔绝开来硫熔渣隔绝开来。调针对性的燃烧调整的燃烧调整，充分发挥贴壁风作用充分发挥贴壁风作用，以调促治以调促治。锅炉高温腐蚀综合防治技术基于仿真预测软件开发的结渣预测模型为了更好的利用数值模拟与仿真开展研发及工程项目，烟台龙源公司于2018年成立了数值模拟与仿真计算中心，逐步开发新的数学模型，有针对性地开展项目及研发工作。数值模拟技术模型烟台龙源以通用CFD软件平台为基础，针对工程实际问题，开发出一系列燃煤锅炉煤粉燃烧与传热过程的专有子模型。04 锅炉NOx生成模型06 受热面结渣沾污模型01 煤粒热解模型03锅炉传热计算模型05 受热面高温腐蚀模型02碳粒燃烧模型炉膛内流场仿真计算高温腐蚀仿真计算炉膛结焦仿真计算三防一节立体保护防高温腐蚀防高温腐蚀防结焦防结焦黑体节能黑体节能防磨损防磨损 涂层使用寿命三年以上 管基材基本无腐蚀减薄 管表面沉积物为浮灰 无大面积结渣 吹灰器投入率降低30%以上 涂层耐磨性为基材4-6倍 降低排烟温度 减少减温水量30%以上 提升锅炉效率，降低煤耗小提示：黑体是一个理想化的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射，吸收系数为1，而涂层的吸收系数大于0.9，接近与黑体。技术原理耐高温氧化物、氮化物、碳化物类陶瓷骨料；改性三维网状无机粘结剂纳米复合纳米复合陶瓷涂层陶瓷涂层氧化物、氮化物、碳化物类陶瓷骨料氧化物、碳化物类陶瓷骨料氮化物、碳化物类陶瓷骨料稀土/过渡金属氧化物类陶瓷骨料氮化物、氟化物、石墨类润滑骨料高导热涂层减薄量 20 微米/年，水冷壁和屏过表面无结渣（覆盖一薄层浮灰），使用效果优异新疆天能化工，燃用准东地区高碱煤，喷涂区域无明显结焦运行1年以后燃烧器喷口结构及炉内运行状况检查炉内空气动力场烟花示踪试验一次风速测量与调平（标定）二次风风门挡板特性及风量分配试验燃烧器出口空气动力场测绘贴壁风系统制粉系统冷态调试热态调试燃烧系统、配煤掺烧高温腐蚀综合防治技术案例04前后墙射流型贴壁风侧墙膜式贴壁风 示范项目示范项目-国电福州电厂贴壁风改造项目国电福州电厂贴壁风改造项目 前墙 后墙 右墙(B 侧)左墙(A 侧)侧墙贴壁风 侧墙贴壁风 前后墙贴壁风 前后墙贴壁风 贴壁风改造后，近壁区域H2S浓度在贴壁风全开时从500ppm降低至200ppm以下，水冷壁管减薄速率大幅降低，运行一年时间侧墙水冷壁减薄厚度不足0.5mm。改造前后对比改造前改造后设计煤质设计煤质运行煤质运行煤质Mar（%）8.510.31Aar（%）29.7420Vdaf（%）13.0222.09St,d（%）1.212.8Qar,net（kj/kg）2030023090造成影响造成影响 运行煤质硫份高，高温腐蚀风险大。运行煤质硫份高，高温腐蚀风险大。低氮改造后，近低氮改造后，近壁区还原性气氛很强，壁区还原性气氛很强，大量的煤粉颗粒集中在水冷壁表大量的煤粉颗粒集中在水冷壁表面附近面附近国电宝庆电厂国电宝庆电厂案例案例每1-2年就需要对冷灰斗至OFA上部侧墙水冷壁管大部分进行更换，仅换水冷壁管的费用就高达1000万元。2019年#2锅炉检修期间，更换水冷壁管道超过20000米，焊口达到18000道；锅炉水冷壁腐蚀量：1 1-2mm/62mm/6个月个月不仅对电厂效益产生较大影响，同时严重危及锅炉的安全运行。高温腐蚀状况贴壁风改造改造方案H2SO2CO壁面颗粒物浓度数值模拟结果改造效果改前换管区域示意图改造一年后换管区域示意图改造一年后换管区域实拍图经调试后，多个工况测试的侧墙近壁气氛平均值：H2S为183ppm，O2为3.4%，远低于改造前。运行一年后停炉检查，水冷壁减薄量大幅度下降，远低于改造前的2mm/年，贴壁风改造取得明显效果贴壁风改造取得明显效果。改造业绩05国电福州电厂国电宝庆电厂国电荆门电厂国电聊城电厂国电泉州电厂汇报结束，不妥不当之处敬请各位指正！