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摘要 ............................................................................ 1 弓I言 .......................................................................... 1 1 .水冷壁高温腐蚀机理 .......................................................... 2 2 .水冷壁高温腐蚀的原因分析 .................................................... 3 1. 1.煤质特性 ................................................................ 3 2. 2.燃烧设备及方式 .......................................................... 3 2.2.1.直流燃烧器四角切圆燃烧 ............................................... 3 2.2.2.旋流燃烧器水平燃烧 ................................................... 4 2.2.3.W型火焰燃烧方式 ...................................................... 4 1.3. 其他影响因素 ............................................................ 4 3 .水冷壁高温腐蚀的减防措施 .................................................... 5 3.1. 水平浓淡风煤粉燃烧技术 .................................................. 5 3.2. 侧边风燃烧技术 .......................................................... 6 4 .发电厂锅炉水冷壁高温腐蚀处理经验 ............................................ 7 4.1. 设备概况 ................................................................ 7 4.2. 投产以来水冷壁高温腐蚀换管情况 .......................................... 7 4.3. 3.高温腐蚀原因分析 ...................................................... 8 1. 3.1.原煤硫份较高 ........................................................ 8 4. 3.2.燃烧器CFS风门开度不合理 ............................................ 9 4.3.3.燃烧区域局部挟氧燃烧 ................................................ 10 4.3.4.燃烬风量设计较大 .................................................... 10 4.4.减轻高温腐蚀的措施 ...................................................... 11 4.5.小结 .................................................................... 11
摘要
分析了锅炉水冷壁高温腐蚀的机理和原因，指出采用的燃烧方式不同，腐蚀发生的原因和腐蚀部位也不相同，并针对性地提出侧边风技术等减防措施。
关键词：水冷壁；高温腐蚀；侧边风技术；处理措施
引言
近年来，我国的许多电站锅炉相继出现了严重的水冷壁高温腐蚀问题，很大程度上影响了电厂的安全经济运行。分析其原因主要包括三个方面：
(1)我国电站锅炉机组的大容量、高参数化，使水冷壁管壁温度相应提高； (2)我国的煤炭资源短缺，根据能源政策，动力用煤应使用劣质煤，加之现在供煤和配煤系统有许多不善之处，电站锅炉燃用煤质往往难以得到保障；
(3)随着社会的发展，环境保护意识也越来越强，电站锅炉广泛采用低NOX燃烧技术，导致燃烧器区域形成还原性气氛。
1 .水冷壁高温腐蚀机理
一般认为，水冷壁管壁上的沾污积灰是发生高温腐蚀的前提条件。致腐物质或直接渗透通过积灰前沿和管壁表面氧化膜发生腐蚀反应；
或通过与积灰层里的某些组分发生反应，并在温度与浓度梯度的驱使下被输送到管壁表面，这个过程是连续不断的，因而使管壁不断遭受腐蚀。
根据高温腐蚀发生的原因及腐蚀产物成分的分析，水冷壁高温腐蚀一般可以分为：硫酸盐型、硫化物型、氯化物型。水冷壁高温腐蚀通常是由这几种类型腐蚀复合作用的结果，其中尤以硫化物型腐蚀为主。
当燃煤含硫大于1.0%〜1∙5%时，黄铁矿含量多，硬度高，难以破碎，颗粒偏粗，容易从其它矿物中分离出来而甩在水冷壁上，若此时炉管壁温高达350℃以上时，FeSz受热分解生成自由硫原子[S],它在还原性气氛下会与管壁Fe反应生成FeS,而使管壁腐蚀，被称为硫化物型腐蚀。FeS还进一步氧化成黑色Fe3θ4°FeS和Fe3O4都比较疏松，起不到保护作用，因而使腐蚀继续进行下去。
其反应过程如下：
(1)燃料中的黄铁矿硫粉末随灰粒和未燃尽煤粉一起冲到管壁上受热分解出自由原子硫和硫化亚铁，即：
FeS2-FeS+[S]
此外当管壁附近存在一定浓度的H2S和SO?时，有如下反应，即： 2H2S+SO2→2H2O+3[S]
(2)在还原性气氛中，由于缺氧自由硫原子可以存在。当水冷壁管壁温度达350℃时，会有硫化反应，同时还有硫化亚铁和氧化亚铁的反应，即：
Fe[S]fFeS
FeO+H2S→FeS+H2O
(3)硫化亚铁(FeS)的熔点为1195C,在温度较低的时候可以稳定存在。在温度比较高的时候，FeS将被氧化成Fe3Oa使管壁腐蚀，即：
3FeS+5θ2-*kFe3O4+3SO2
2 .水冷壁高温腐蚀的原因分析
2.1. 煤质特性
煤质是造成高温腐蚀的主要原因之一，在我国发生高温腐蚀的锅炉大多燃用贫煤，而燃用烟煤的锅炉则极少发现高温腐蚀。这说明煤质与高温腐蚀有很大关系。燃煤中硫、碱金属及其氧化物含量越大，腐蚀性介质浓度越大，出现高温腐蚀的可能性就越大。
煤的燃烧特性则直接影响近壁还原性气氛的形成。贫煤和低挥发分烟煤的着火温度高，燃烧速度低，易产生燃烧不完全和火焰拖长，大量未燃尽煤粉颗粒聚集在水冷壁附近，形成还原性气氛，造成高温腐蚀。同时，为改善低挥发分煤的着火，常常对一次风喷口采用各种稳燃装置，它们在一定程度上影响一次风气流的刚性，从而在二次风的挤压作用下煤粉火焰刷墙。另外这种贫煤炉型往往采用大切圆、瘦高型炉膛，燃烧器区域热负荷很高，故水冷管壁温高。
2.2.燃烧设备及方式
大型锅炉一般采用直流燃烧器四角切圆燃烧、旋流燃烧器水平燃烧和拱顶燃烧器W型火焰燃烧方式。采用不同燃烧方式炉膛内部腐蚀部位不同，形成的原因也有较大差异。
2.2.1.直流燃烧器四角切圆燃烧
四角切圆是我国电站锅炉采用较多的一种燃烧方式，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
而在整个燃烧器区域内形成一个燃料与空气强烈混合的稳定燃烧的旋转火炬。但是炉内实际燃烧过程却并非如此。为了保证稳定燃烧，一次风出口风速通常控制得较低（贫煤锅炉一般在20~25m∕s）,而二次风速一般在40~50m∕s之间，从而一、二次风的射流刚性相差较大。一次风射流受上游旋转气流挤压，炉内切圆增大，当燃烧器高宽比大，假想切圆大以及二次风动量大（相对于一次风动量而言）时，煤粉火焰很容易刷墙，导致水冷壁高温腐蚀，其腐蚀部位与一次风刷墙区域重合，所以燃烧器下游邻角炉墙的管子腐蚀最严重，而且四面炉墙都可能会腐蚀。
2.2.2.旋流燃烧器水平燃烧
大型贫煤锅炉旋流燃烧器通常是带一次风回流稳燃或煤粉局部浓集的低NOX双调风轴流式，采用前墙布置或前后墙布置。这种燃烧方式的各层燃烧器常常采用不同的过剩空气系数，其值随层数而异，在实际运行是很难准确掌握每层的配风量，将不可避免的在炉膛内出现局部缺氧燃烧。另外，该燃烧器的各种挡板较多，这些挡板在实际操作中很难准确到位，影响了燃烧器的合理配风。当采用前后墙对冲布置时，如果一次风速度较大，往往会造成前后墙的一次风碰撞后煤粉气流冲向两侧水冷壁，尤其是靠近两侧的旋流燃烧器出口煤粉气流，并随着燃烧器出口气流旋流强度的增加，这种情况愈严重，因而两侧墙附近易形成还原性气氛。同时，靠近两侧墙的旋流燃烧器出口煤粉本身也容易发生气流偏向，冲刷两侧墙。因此，对于这种燃烧方式，水冷壁的腐蚀部位通常在两侧墙，如陕西蒲城电厂#1炉。
2.2.3.W型火焰燃烧方式
W型火焰燃烧形式下，由于拱顶煤粉气流在二次风引射下都基本上与前后墙平行向下流动，然后转折向上形成W型火焰，因此，无论采用哪种燃烧器结构与布置，煤粉不会冲刷墙壁，并在前后墙上有氧化性气氛。仅当一次风喷口与炉膛中心线之间倾角不够或一次风动量和射流扩展角偏大的情况下，煤粉才有冲刷前后墙上部的可能。w型火焰的炉膛水冷壁易腐蚀部位主要在前后墙上部区域，特别是卫燃带脱落部位。在燃煤含硫较高，空气预热器腐蚀堵灰严重的情况下，因炉内缺氧，导致CO、H2S浓度较高，在前后墙上就容易发生腐蚀，如珞璜电厂360MW锅炉。
2.3.其他影响因素
氧化和腐蚀能使管壁形成一层保护膜，能够在一定程度上延缓高温腐蚀，对
水冷壁起到一定保护作用。但高速煤粉气流及吹灰器中高温蒸汽的冲刷，会造成水冷壁管的保护膜磨损，从而使腐蚀产物不断脱落，使腐蚀得以不断进行，产生周期性破坏。由于目前电网峰谷差大，大机组亦参与频繁热态启停与变负荷调峰在启停调峰时，水冷壁热胀冷缩，管壁氧化膜容易脱落，使腐蚀过程反复进行下去。在实际运行中腐蚀和磨损交替出现，促进了水冷壁的高温腐蚀，使管壁厚度不断减少，最终将导致水冷壁爆管事故。
锅炉机组在运行时，水冷壁管壁内外会出现结垢和积灰现象，这将导致水冷壁管壁温度升高，加剧腐蚀速度。同时，在变负荷调峰时，若负荷增减太快影响水循环，也会导致水冷壁局部壁温增高，而且低负荷时一般炉内氧浓度较高，火焰端部温度降低，使S03迅速增加，加快腐蚀速率。
3.水冷壁高温腐蚀的减防措施
目前认为水冷壁高温腐蚀的减防措施，主要包括两种手段：
(1)在运行过程中采取有效的减防措施，即通过合理配风、均匀送粉以组织合理的燃烧两相流场，优化锅炉的燃烧
(2)对锅炉进行技术改造。目前的防高温腐蚀改造技术，主要是通过对燃烧系统进行改进，因此锅炉的燃烧方式不同，所应采取的改造方法也不相同。
3.1. 水平浓淡风煤粉燃烧技术
水平浓淡风煤粉燃烧技术主要应用于四角切圆燃烧方式的锅炉，它不仅可以防止水冷壁高温腐蚀，同时还具有稳燃、防结渣、低NOX排放和高燃烧效率的性能。其燃烧原理如图1所示，煤粉经百叶窗煤粉浓缩器后分为水平浓淡两股，并将这两股水平浓淡煤粉气流在喷嘴处按一定的夹角送入炉膛。其中，浓一次风煤粉气流在向火侧切向喷入炉膛，形成内侧假想切圆；
部分二次风作为侧二次风，在背火侧切向喷入炉膛，形成外侧假想切圆；淡一次风煤粉气流处于两者。
图1水平浓淡风煤粉燃烧技术的燃烧原理
水平浓淡风煤粉燃烧技术主要是通过在炉膛燃烧器区域水平截面上形成分级燃烧，即“风包粉”的燃烧两相流场，以防止未燃尽煤粉颗粒冲墙及水冷壁附近的还原性气氛的出现，避免水冷壁发生高温腐蚀。
3. 2.侧边风燃烧技术
侧边风可以简单易行地改变水冷壁高温腐蚀区域的还原性气氛，适合w型火焰燃烧方式、旋流燃烧器水平燃烧等多种燃烧方式。所谓侧边风就是在高温腐蚀区域的上游或在腐蚀区域水冷壁上安装二次风喷口，向炉膛内喷人空气，改变水冷壁高温腐蚀区域的还原性气氛，增加局部含氧量，以此达到防止水冷壁高温腐蚀的目的。
对于旋流燃烧器水平燃烧方式的锅炉，水冷壁高温腐蚀发生的部位通常在两侧墙，为了防止高温腐蚀，可以采用侧边风技术。侧边风由二次风箱引入，布置在两侧墙或前后墙上，使两侧墙水冷壁的附近有一层气流流过，减轻水冷壁附近受高温的影响，避免煤粉的冲刷和还原性气氛的形成，以此防止水冷壁的高温腐蚀和磨损。图2为国内某电厂300MW锅炉侧边风改造示意图。
图2某电厂300My钠Z,的边风改道东富国
图2某电厂侧边风燃烧技术
W型火焰燃烧方式的锅炉，水冷壁易腐蚀部位主要在前后墙上部区域，特别是卫燃带脱落部位。因此，对于W型火焰锅炉，应及时更换脱落的卫燃带，同时进行燃烧调整，保证炉内一定的过量空气系数（注意空气预热器防漏防堵），合理配风，保证二次风与一次风之间合适的动量流率比，引射煤粉气流既要有一定的向下引射深度，又要在前后墙上有一定的氧化性气氛，必要时可以对燃烧系统进行侧边风改造，即将一部分二次风引人一次风喷口和前后墙之间，使前后墙上形成氧化性气膜，避免水冷壁高温腐蚀的发生。
4.发电厂锅炉水冷壁高温腐蚀处理经验
4.1. 设备概况
该电厂3号锅炉为武汉股份有限公司生产的WGZU65/17.5-2型亚临界压力、自然循环、汽包锅炉。燃烧器四角布置、切向燃烧，每台燃烧器配有22个喷口，其中一次风喷口5层（最下层为微油点火燃烧器），17层二次风喷口，SOFA燃烧器每角分为两组，每组设置3层二次风喷口。除布置了周界风外，每角还布置了8层CFS喷口。
锅炉采用中速磨煤机正压直吹式制粉系统，配5套北京电力设备总厂生产的ZGM95GJI型中速磨煤机，制粉系统设计为四台运行一台备用，燃用设计煤种时，实际燃料消耗141.09t∕h°
4.2. 投产以来水冷壁高温腐蚀换管情况
该电厂3号炉于2015年06月移交生产，2016年06月、09月两次停炉
水冷壁共换管221根（最低壁厚3.5mm,换管壁厚6.0mm）；2017年11月3号炉停炉水冷壁共换管135根（最低壁厚4.7mm,换管壁厚5.8mm）。上次高温腐蚀区域更换直管管壁减薄速率均小于0.5mm∕a°
从数据可看出，3号炉水冷壁换管数量由2016年221根减少至2017年135根同比减少了86根，减少了38.9%。如果考虑本次换管壁厚为5∙8mm,上次换管壁厚为6.0mm以及本次有78根水冷壁管为未更换原始管的话，则本次换管数量将大大减少，说明分厂在前期煤质、燃烧调整及制粉系统精细化调整方面管控较好。
4. 3.高温腐蚀原因分析 4. 3.1.原煤硫份较高
2015年06月〜2016年06月煤中硫份平均值2.36%,2016年10月 ~2017年10月煤中硫份平均值1.69%,硫份呈下降趋势，说明分厂燃煤硫份
管控有成效，但燃煤硫份仍超过设计值0.98%,约72%。
众所周知，煤种含硫量较高是发生锅炉水冷壁高温腐蚀的重要因素，上锅设计处高工张翔认为，水冷壁外壁高温腐蚀主要判断依据是：
a.燃料硫份Sare1%； b,煤粉气流冲刷水冷壁管； C.水冷壁管壁温度＞350C; d,水冷壁附近O2≤2%;
从我公司现场测量来看，水冷壁壁面气氛均处于强还原性气氛中，Co含量均＞0.5%（仪表满量程），需要指出的是CO并不直接参与水冷壁高温腐蚀，而仅是还原性气氛的指示剂。300MW等级亚临界锅炉蒸汽饱和温度可达到350℃,水冷壁管壁外部温度至少在400℃以上；从上述依据来看，该电厂3号炉水冷壁完全具备发生高温腐蚀的条件。
从多个现场实际来看，在保证锅炉正常燃烧状况下，维持水冷壁壁面附近一定氧气，达到破坏还原性气氛，就可有效减缓甚至避免水冷壁发生高温腐蚀。
4.3.2.燃烧器CFS风门开度不合理
机组投产后，燃烧器CFS风门开度和主二次风风门开度，机组投产后一直维持同步开度在30〜45%之间，一次风速维持在30m∕s左右，这种配风方式容易导致火焰偏斜，因为四角燃烧器均设计有8个CFS喷口，该喷口设计角度为沿水冷壁方向与主气流正切22。，设计意图为风包粉保护水冷壁；但从实际来看，当该风门开度较大时，容易造成煤粉气流贴壁，这点从冷态空气动力工况测量可以得到验证。也就是说锅炉热态运行时，CFS开度较大起不到应有设计意图，反而可能会导致煤粉气流刷墙，引起炉膛水冷壁结渣及高温腐蚀。上述观点，从2016年停炉检查发现炉膛四壁挂焦严重，尤其是炉右墙挂焦较多，且右墙水冷壁换管207根，即可得到证实。
鉴于3号炉高温腐蚀严重情况，科室会同运管科进行了分析，改变辅助风和CFS风门均等开度为CFS风门不大于25%,辅助风根据负荷为30〜45%开度的调整思路，以改善煤粉气流贴壁现象；并专门下发了No：TSYC2016002派遣单，要求分厂重点进行制粉系统精细化调整，同样是为了起到改善一次风煤
粉气流和二次风良好混合、燃烧充分，改善火焰偏斜现象。
该电厂3号炉燃烧调整后，于2017年11月停炉检查发现炉膛结焦情况得到了明显减轻，同时换管数量大大减少也定量验证了前期调整思路的正确性。
4. 3.3.燃烧区域局部缺氧燃烧
受各粉管阻力不一和煤粉分配器分离特性影响，即使风量调平也存在粉量不平情况。一般来说，采用良好性能动态分离器的煤粉管道粉量偏差可在10%左右，但采用静态分离器的煤粉管道粉量偏差，最高甚至高达30%以上；而二次风量一般保持同层一致，这样在总风量不变情况下，部分燃烧器出现缺氧燃烧，另一部分燃烧器出现富氧燃烧，这样以来部分水冷壁区域会处于还原性气氛中，在导致结渣的同时也往往伴随着高温腐蚀的出现。2016年06、09月份停炉检查发现右墙水冷壁结渣较多、换管数量较多，也说明粉量偏差大，存在火焰偏斜冲刷水冷壁现象。
从2016年06月冷态空气动力场和2016年08月制粉热态测量数据来看，3号炉部分磨煤机出口一次风管冷态、热态均存在风速不平现象，且一般前墙风速高于后墙。当前墙两角风速高于后墙，往往会导致火焰中心偏向右墙，从而引起水冷壁管高温腐蚀，在2016年07月底08月初利用西安热工院在2号炉做热力试验机会，借用该院设备进行了制粉热态测量并进行四角粉管热态调整，尽管有个别粉管缩孔卡涩，但从2017年11月停炉检查结果来看，该调整对减缓水冷壁高温腐蚀也取得了积极效果。
5. 3.4.燃烬风量设计较大
该电厂3号炉设计有6层燃烬风，燃烬风率远远超出锅炉低氮燃烧实际需要。BMCR工况燃烬风率该电厂3号炉设计值40%,而同类型机组另一A电厂东锅燃烬风率设计值28%,B电厂华西能源锅炉燃烬风率设计值24%,可见该电厂锅炉燃烬风率设计值明显偏大，主燃烧区过量空气系数仅为0.65,很容易导致主燃烧区缺风、燃烬风富氧燃烧，直接后果就是加剧了主燃烧区水冷壁还原性气氛；众所周知，该工况恰恰为水冷壁高温腐蚀创造了良好的内部条件，很容易导致水冷壁区域发生大面积高温腐蚀。针对燃烬风设计偏大状况，解决的总体思路为在保证NOX达标排放情况下，尽量少开上三层SOFA风，适当提高辅助风刚性，维持良好的炉膛火焰切圆，减少火焰贴壁概率。
6. 4.减轻高温腐蚀的措施
1）继续执行“制粉系统精细化调整派遣单”要求内容，做到勤、细调整，并继续加强原煤硫份管控。
2）保持合理的辅助风和CFS风配比，CFS风门开度建议不超过30%o 3）维持一次风速在30m∕s以下，适当开大周界风，减轻水冷壁面还原性气氛。
4）定期校验DCS一次风速值，偏差较大时进行制粉热态调整，尽量保证四角风粉平衡。
5）机组正常运行中二次风箱/炉膛压差不允许低于0.2kPa,以保证燃烧器良好的空气动力工况。
6）锅炉运行中高负荷氧量维持应不低于3.0%,适当提高主燃烧区氧量，控制燃烬风率小于设计值。
7）提高水冷壁管喷涂质量，同时修补发生腐蚀的耐磨涂层。
8）鉴于现场经常出现一次风缩孔卡涩现象，建议每次大修均对缩孔进行治理，确保灵活好用。
4.5,小结
SOFA、辅助风和CFS风门开度不合理、燃烧配风不佳以及煤质硫份较高是导致水冷壁高温腐蚀的主要原因，水冷壁喷涂质量差也是导致高温腐蚀的一个重要原因。
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