超临界四角切圆燃烧锅炉运行方式对水冷壁高温腐蚀影响的试验研究

邹 磊， 岳峻峰， 管诗骈， 张恩先， 丁建良

(江苏方天电力技术有限公司，南京 211102)

超临界四角切圆燃烧锅炉运行方式对水冷壁高温腐蚀影响的试验研究

邹 磊， 岳峻峰， 管诗骈， 张恩先， 丁建良

(江苏方天电力技术有限公司，南京 211102)

针对某630 MW超临界四角切圆燃烧锅炉水冷壁存在的高温腐蚀问题，对水冷壁近壁面烟气成分(O2、CO及H2S)进行了测试，分析了运行O2体积分数、煤粉细度、入炉煤含硫量、紧凑燃尽风(CCOFA)风量、分离燃尽风(SOFA)风量及周界风量等因素对水冷壁高温腐蚀及NOx排放特性的影响.结果表明：高温腐蚀发生区域表现出明显的强还原性气氛；增大运行O2体积分数，同时保证风量沿炉膛高度方向上的合理分配可减弱水冷壁近壁面还原性气氛；煤粉细度对水冷壁近壁面还原性气氛的影响较小；随着入炉煤含硫量的增加，水冷壁近壁面H2S体积分数增大，O2和CO体积分数则变化不大；较小的CCOFA风量及适当的SOFA风量有利于减轻水冷壁高温腐蚀；周界风量对主燃烧区下部壁面区域还原性气氛的影响较大，运行时应适当减少周界风量.

超临界锅炉； 四角切圆燃烧; 水冷壁； 运行方式； 高温腐蚀； 还原性气氛； NOx排放

我国多数燃煤锅炉存在不同程度的高温腐蚀问题，发生高温腐蚀后的水冷壁管逐渐减薄，强度降低，在交变热应力作用下腐蚀产物还会加速横向裂纹的扩展，导致水冷壁发生爆管事故，严重影响燃煤锅炉运行的安全性[1-2].大量研究结果表明，锅炉水冷壁近壁面存在还原性气氛是造成水冷壁高温腐蚀的重要原因[3-4].近年来为控制NOx的排放，国内锅炉广泛采用低NOx燃烧器和空气分级燃烧技术，在有效降低NOx生成的同时导致水冷壁近壁面产生大量的还原性气体，高温腐蚀问题更加普遍和严重.为缓解这一问题，国内外学者进行了多方面的研究，如高温腐蚀机理、加装侧边风技术及数值模拟等，取得了大量的成果[5-10].而在不改造燃烧系统且煤种基本稳定的前提下，对炉膛水冷壁近壁面还原性气氛影响最大的就是锅炉运行方式.笔者针对某630 MW超临界四角切圆燃烧锅炉水冷壁存在高温腐蚀问题开展现场试验研究，得到不同运行方式下水冷壁近壁面还原性气氛的分布特性及NOx排放特性，重点分析了运行方式对水冷壁近壁面还原性气氛分布的影响，为低NOx燃烧方式下减轻该类型锅炉水冷壁高温腐蚀提供了运行参考.

1 设备概况

1.1锅炉简介

试验锅炉为某630 MW超临界参数变压运行的螺旋管圈直流炉.该锅炉采用单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、π型露天布置.制粉系统配置6台HP1003型中速磨煤机. 燃烧系统采用低NOx同轴燃烧系统(LNCFS)，其燃烧器喷口布置方式见图1．设有6层煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有周界风．每相邻2层煤粉喷嘴之间布置1个组合喷嘴，其中包括上下2只预置水平偏角的辅助风喷嘴(CFS)和1只直吹风喷嘴．在紧邻上层煤粉燃烧器组顶部布置有2层紧凑燃尽风(CCOFA)喷嘴．在整个煤粉燃烧器组顶部布置有1组5层可水平摆动的分离燃尽风(SOFA)喷嘴．

1.2测点布置

锅炉启动前，在高温腐蚀严重的炉膛水冷壁区域的鳍片上安装烟气成分试验测点，共安装4层.其中SOFA风箱上部46 m标高位置、SOFA风箱下部38 m标高位置以及A层燃烧器下沿23 m标高位置各安装12个测点，相同标高处每面墙均装3个测点.由于二次风箱布置在两侧墙，C层、D层燃烧器之间30 m标高位置仅安装6个测点，前后墙各装3个测点.测点的具体布置见图1.

图1 燃烧器喷口及测点布置示意图Fig.1 Arrangement of burner nozzles and measuring points

1.3试验煤种特性

该锅炉燃用煤种特性如表1所示.其中列出的3种煤收到基硫质量分数呈递增趋势，收到基水分、灰分质量分数适中，低位发热量及干燥无灰基挥发分质量分数较高，均属于易燃煤种.

表1 试验煤种特性分析

1.4高温腐蚀状况

该锅炉自投运以来一直存在水冷壁高温腐蚀问题，近几年由于环保要求的提高，锅炉长期低氮燃烧后，水冷壁高温腐蚀问题更为严重.多次停炉检查发现，SOFA风箱下部区域(35～40 m标高)及A层燃烧器下沿区域(23 m标高)的水冷壁壁面高温腐蚀较为严重.在调整锅炉运行方式之前，在额定负荷下测试水冷壁近壁面烟气成分及炉膛烟气温度分布发现，A层燃烧器下沿前墙及右墙、SOFA风箱左墙区域的还原性气氛较强，尤其是SOFA风箱与CCOFA风箱之间区域，CO体积分数φ(CO)最高达到7.41%，H2S体积分数φ(H2S)最高达到255×10-6，O2体积分数φ(O2)均小于1%，测试现场该区域有浓烈的臭鸡蛋味.同时该区域的烟气温度较高，为1 260 ℃左右(见图2)，这与文献[9]中的数值模拟结论一致.另有研究[11]表明，水冷壁近壁面还原性气氛与该区域φ(O2)有关，当φ(O2)lt;2%时，较易发生高温腐蚀，可以认为检修发现的高温腐蚀区域表现出明显的缺氧及还原性气氛.

图2 炉内不同炉膛高度的平均烟气温度分布Fig.2 Distribution of average gas temperature along vertical direction of the furnace

2 试验结果与分析

2.1运行O2体积分数的影响

维持机组负荷为630 MW，ABDEF 5台磨煤机运行，入炉煤收到基硫质量分数(以下简称入炉煤含硫量)为0.5%左右.控制运行O2体积分数分别为2.9%、3.5%、3.8%和4.1%，保持蒸汽参数及其他参数稳定,测量不同工况下水冷壁近壁面的烟气成分.为全面分析运行方式对锅炉燃烧的影响，对不同工况下锅炉热效率及NOx排放质量浓度也进行了测量.其中NOx排放质量浓度是指将脱硝系统进口截面测得NOx体积分数平均值折算到O2体积分数为6%条件下的质量浓度.

图3给出了不同运行O2体积分数下水冷壁近壁面烟气成分测试结果，其中每个小图中各测点处第一行数字为运行O2体积分数为2.9%、3.5%、3.8%和4.1%时该区域近壁面O2体积分数的实测数值，单位为%；第二行数字为不同运行O2体积分数下该区域近壁面CO体积分数的实测数值，单位为%；第三行数字×10-6为不同运行O2体积分数下该区域近壁面H2S体积分数的实测数值，下同.

从图3可以看出，随着炉膛出口运行O2体积分数的增大，SOFA风箱上、下部区域还原性气氛明显减弱，当运行O2体积分数为3.8%左右时，该区域近壁面φ(H2S)均在200×10-6以下，当运行O2体积分数增大到4.1%时，由于大比例SOFA的稀释作用，该区域φ(H2S)基本都在100×10-6以下，大部分测点的φ(CO)均小于2%，但均在1%以上.同时从图3还可以看出，运行O2体积分数从2.9%增大到3.8%时，主燃烧区还原性气氛略有减弱，但变化不是很明显.但当运行O2体积分数增大到4.1%时，该区域还原性气氛明显增强，尤其是A层燃烧器下沿区域，测量处基本无氧，多数测点的φ(CO)超过7%，φ(H2S)最高值超过200×10-6.究其原因，在高运行O2体积分数下SOFA风量占总二次风量的比例较大，在试验过程中，当运行O2体积分数增大至4.1%时，为保持炉膛风箱压差稳定，同时控制NOx生成量，5层SOFA风门全开，而主燃烧区辅助风门并没有同步开大，虽然炉内总风量增加，但相对于低运行O2体积分数工况(5层SOFA风门未全开)，该工况试验过程中沿炉膛高度方向风量分配偏差进一步加大，因而造成主燃烧区下部缺氧及还原性气氛增强.增大运行O2体积分数可减弱炉膛水冷壁近壁面还原性气氛，但在高运行O2体积分数下运行时还需注意沿炉膛高度方向上的风量分配，分配不当可能会造成主燃烧区下部缺氧.

锅炉热效率随运行O2体积分数的增大呈先升后降的趋势，4个工况下锅炉热效率分别为93.99%、94.11%、94.03%和94.02%. NOx排放质量浓度随运行O2体积分数的增大而升高，4个工况下NOx排放质量浓度均较低，分别为178 mg/m3、183 mg/m3、192 mg/m3和201 mg/m3.综合考虑，在额定负荷下，建议运行O2体积分数控制在3.8%左右.

2.2煤粉细度的影响

煤粉细度通过磨煤机出口折向挡板开度进行调节.保持机组负荷在630 MW左右，炉膛出口O2体积分数为3.8%左右，ABDEF 5台磨煤机运行.将运行磨煤机出口折向挡板开度分别调整为5格、7格和9格来改变煤粉细度.图4给出了改变煤粉细度R90后水冷壁近壁面烟气成分的分布,其中每组中3个数字分别对应较粗、适中、较细煤粉细度工况,下同.

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(d)图3 运行O2体积分数对水冷壁近壁面烟气成分分布的影响Fig.3 Influence of oxygen concentration on distribution of different gas components near water wall

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(d)图4 煤粉细度对水冷壁近壁面烟气成分分布的影响Fig.4 Influence of coal fineness on distribution of different gas components near water wall

从图4可以看出，改变煤粉细度后水冷壁近壁面还原性气氛变化不明显，这可能有2方面的原因.首先，当前磨煤机研磨能力较好，燃用煤种也都较易磨制；煤粉细度随磨煤机出口折向挡板开度的变化情况如图5所示.由图5可知，3个工况下煤粉细度均不超过23%，煤粉均较细.即使磨煤机出口折向挡板开度在5格位置，煤粉依然较细.微小的焦炭粒子所受惯性力作用较小而不易被分离出来冲刷水冷壁.其次，与锅炉燃烧器特性有关，从图1燃烧器喷口布置形式可以看出，一次风粉气流被偏置二次风气流裹在炉膛中央，形成富燃料区，而在四周水冷壁附近则形成富氧区，同时二次风刚度明显强于一次风刚度，一次风粉气流的偏转角度由携带其偏置的二次风刚性决定.因此，改变煤粉细度对水冷壁近壁面还原性气氛的影响有限.

图5 磨煤机出口折向挡板开度对煤粉细度的影响Fig.5 Influence of opening degree of deflector baffle on coal fineness

煤粉变细后，煤粉燃尽率提高，锅炉热效率升高，NOx排放质量浓度变化则并不明显.当磨煤机出口折向挡板开度分别在5格、7格和9格位置时，锅炉热效率分别为93.93%、94.03%和94.20%，NOx排放质量浓度分别为194 mg/m3、192 mg/m3和195 mg/m3.

2.3入炉煤含硫量的影响

为研究入炉煤含硫量对锅炉高温腐蚀的影响，进行了变煤种试验.试验过程中，入炉煤含硫量由0.5%增加至0.8%再增加至1.0%，保持锅炉运行方式基本不变. 不同入炉煤含硫量下水冷壁近壁面烟气成分测试结果如图6所示.

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(d)图6 入炉煤含硫量对水冷壁近壁面烟气成分分布的影响Fig.6 Influence of sulfur content in fuel on distribution of different gas components near water wall

从图6可以看出，随着入炉煤含硫量的增加，水冷壁近壁面H2S体积分数有所增大，尤其是在SOFA风箱上、下部区域；而A层燃烧器下沿区域H2S体积分数则没有明显的变化.同时从图6还可以看出，水冷壁近壁面O2及CO体积分数并没有明显的变化.从表1可以看出，3种煤的低位发热量、干燥无灰基挥发分质量分数比较接近，均属于易燃烟煤，仅收到基硫质量分数逐渐增加，在变煤种试验过程中锅炉运行方式基本不变，炉内燃烧状况也无太大变化，因而水冷壁近壁面O2及CO体积分数的变化不大.

2.4CCOFA风量的影响

CCOFA紧邻主燃烧区上部，影响煤粉燃尽及主燃烧区上下风量的分配，因而对水冷壁近壁面还原性气氛也有较大影响. 维持机组负荷为630 MW左右，锅炉运行方式基本不变，调整CCOFA风门开度分别为25%、60%和100%时，水冷壁近壁面烟气成分分布如图7所示.

从图7可以看出，随着CCOFA风量的增加，主燃烧区水冷壁近壁面CO和H2S体积分数增大，O2体积分数减小，尤其是A层燃烧器下沿区域，当CCOFA风门开度由25%到全开时，该区域φ(CO)最高值由不到1.56%增大到5.22%，φ(H2S)也显著增大，最高值达到162×10-6，多数测点位置无氧.而SOFA风箱上、下部区域近壁面还原性气氛则无明显变化.正如文献[12]中所述，在LNCFS中，CCOFA位于主燃烧区上部，在总的二次风中所占比例较小且离SOFA喷口较远，CCOFA风量对主燃烧区下部风量的影响要远大于对SOFA风量的影响.CCOFA风量增加，SOFA风量有所减少，而主燃烧区下部风量减少则更为明显.因而，主燃烧区水冷壁近壁面还原性气氛增强，A层燃烧器下沿区域尤为明显.较小比例的CCOFA风量有利于减轻炉膛水冷壁高温腐蚀.

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(d)图7 CCOFA风量对水冷壁近壁面烟气成分分布的影响Fig.7 Influence of CCOFA volume on distribution of different gas components near water wall

CCOFA风量对锅炉热效率及NOx生成量有较大影响.随着CCOFA风门开度的增大，主燃烧区上部燃烧加强，同时该区域分级燃烧效果得到强化.因而锅炉热效率有所升高，分别为94.00%、94.11%和94.13%；NOx排放质量浓度则下降较为明显，分别为282 mg/m3、278 mg/m3和239 mg/m3. 综合考虑，在额定负荷下建议CCOFA风门开度控制在30%～50%.

2.5SOFA风量的影响

维持机组负荷在630 MW左右，ABDEF 5台磨煤机运行，保持运行O2体积分数在3.8%左右，CCOFA风门开度为30%左右.调整5层SOFA风门开度分别为90%、70%和50%，需要说明的是，在SOFA风量调整过程中试验煤种有所变化，其中前2个工况燃用煤种2，而SOFA风门开度为50%时燃用煤种1，入炉煤含硫量有所减少.调整过程中，关小SOFA风门开度的同时开大主燃烧区辅助风门开度，以保持炉膛风箱压差.图8给出了不同SOFA风量下水冷壁近壁面烟气成分分布.

从图8可以看出，煤质变化对试验结果有一定的影响，但总体来说，SOFA风量减少后，A层燃烧器下沿区域还原性气氛明显减弱，SOFA风箱上部区域近壁面还原性气氛增强，而SOFA风箱下部区域近壁面还原性气氛无明显变化.如前所述，SOFA风量占总二次风量比例较大，在总风量一定的条件下，改变SOFA风量会严重影响沿炉膛高度方向风量的分配，进而影响不同区域的还原性气氛.从图8还可以看出，SOFA风量减少后，C层、D层燃烧器之间区域CO和H2S体积分数增大，这可能是因为SOFA风门开度关小后，虽然同步开大了层间辅助风门开度，但也造成了偏置风量的增加，主燃烧区切圆燃烧半径增大，从而加大了煤粉刷墙的可能.因此，过大或过小的SOFA风量均会造成炉膛不同区域局部还原性气氛增强.

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(d)图8 SOFA风量对水冷壁近壁面烟气成分分布的影响Fig.8 Influence of SOFA volume on distribution of different gas components near water wall

同样SOFA风量对锅炉燃烧的影响也较大.随着SOFA风量的减少， NOx排放质量浓度明显上升，分别为186 mg/m3、229 mg/m3和233 mg/m3；由于煤质变化，锅炉热效率呈先降后升的趋势，分别为93.79%、93.69%和93.86%.

2.6周界风量的影响

在实际运行过程中，周界风量因其改变一次风粉气流的刚性而对炉膛水冷壁近壁面还原性气氛的影响较大.维持机组负荷在630 MW左右，ABDEF 5台磨煤机运行，分别调整周界风门开度为100%、75%和55%时进行试验. 不同周界风量下水冷壁近壁面烟气成分的分布如图9所示.

从图9可以看出，周界风量减少后，水冷壁近壁面还原性气氛减弱，尤其是A层燃烧器下沿区域.周界风门开度从100%关小至55%后，A层燃烧器下沿区域φ(CO)最高值由2.11%减小至0.12%，φ(H2S)也减小至10×10-6以下，φ(O2)基本都在3%以上，这可能有2方面的原因.首先，周界风量减少后，一次风粉气流刚性减弱，穿透性变差，增强了偏置风“风包粉”的效果，煤粉不易刷墙，从而极大地改善了水冷壁近壁面还原性气氛；另一方面，一次风粉气流更易与周围的高温烟气掺混，煤粉着火提前，炉膛烟气温度升高，煤粉燃尽率提高，从而抑制了主燃烧区和SOFA风箱上、下部区域近壁面还原性气氛的生成.从图9还可以看出，周界风门开度从100%关小至75%时，水冷壁近壁面还原性气氛明显减弱，而当周界风门开度进一步关小至55%时，水冷壁近壁面还原性气氛整体仍有所减弱，但减弱趋势并不明显，部分测点的还原性气氛还有所增强.这是因为试验煤种为易燃烟煤，周界风门开度从75%关小至55%时，周界风量的改变对炉内烟气掺混的影响有限，只有较大比例的周界风量才能阻碍高温烟气与一次风粉气流的掺混. 而过小的周界风量也会导致一次风粉气流刚性太差致使切圆偏斜，影响煤粉燃尽[13].

随着周界风门开度的增大，一次风粉气流刚性增强，煤粉颗粒着火推迟，因而NOx排放质量浓度和锅炉热效率均降低. 当周界风门开度为55%、75%和100%时，NOx排放质量浓度分别为258 mg/m3、255 mg/m3和239 mg/m3，锅炉热效率分别为94.07%、93.93%和93.79%.对于当前煤种，在额定负荷下建议周界风门开度控制在70%左右.

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(d)图9 周界风量对水冷壁近壁面烟气成分分布的影响Fig.9 Influence of circumferential air volume on distribution of different gas components near water wall

3 结 论

(1)该类型锅炉炉膛SOFA风箱下部区域及A层燃烧器下沿区域水冷壁高温腐蚀较为严重，这些区域表现出明显的缺氧及还原性气氛.

(2)增大运行O2体积分数可减弱水冷壁近壁面还原性气氛，但在增大运行O2体积分数的同时保证风量沿炉膛高度方向上的合理分配才是改善水冷壁近壁面还原性气氛的关键.

(3)改变煤粉细度对水冷壁近壁面还原性气氛的影响有限，一次风粉气流的偏转角度由携带其偏转的二次风刚性决定.

(4)随着入炉煤含硫量的增加，水冷壁近壁面H2S体积分数增大，O2和CO体积分数则变化不大.

(5)随着CCOFA风量的增加，水冷壁近壁面还原性气氛增强，在A层燃烧器下沿区域尤为明显；在满足NOx排放要求的前提下，较小比例的CCOFA风量有利于减轻炉膛水冷壁高温腐蚀.

(6)SOFA风量减少后，A层燃烧器下沿区域还原性气氛明显减弱；SOFA风箱上部区域近壁面还原性气氛增强，下部区域近壁面还原性气氛则变化不明显，C层、D层燃烧器之间区域CO和H2S体积分数增大.

(7)周界风量减少，一次风粉气流刚性减弱，穿透性变差，偏置风“风包粉”的效果加强，同时一次风粉气流更易与高温烟气掺混，煤粉燃尽率提高，从而使水冷壁近壁面还原性气氛减弱.

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EffectsofOperationModeonHighTemperatureCorrosionoftheWaterWallinaSupercriticalTangentialFiringBoiler

ZOULei,YUEJunfeng,GUANShipian,ZHANGEnxian,DINGJianliang

(Jiangsu Frontier Electric Technology Co., Ltd., Nanjing 211102, China)

To deal with the high temperature corrosion of the water wall in a 630 MW supercritical tangential firing boiler, experimental tests were carried out for the distribution characteristics of gas components (O2, CO and H2S) near water wall, and subsequently the effects of following factors on the high temperature corrosion and NOxemission were analyzed, such as the oxygen concentration, fineness of pulverized coal, sulfur content in fuel, and the flow rate of close coupled over-fire air (CCOFA), separated over-fire air (SOFA) and circumferential air, etc. Results show that high temperature corrosion mainly occurs in areas under strong reducing atmosphere; the reducing atmosphere near water wall could be decreased by increasing the oxygen concentration and reasonably setting the air distribution along vertical direction of the furnace; the fineness of pulverized coal has little effect on the reducing atmosphere near water wall; with the rise of sulfur content in fuel, the H2S concentration increases near water wall, while the O2and CO concentration remain basically unchanged; smaller CCOFA and proper SOFA flow rate are helpful to reduce the high temperature corrosion of water wall; the flow rate of circumferential air has great influence on the reducing atmosphere near water wall at the bottom of main burners, and it is proposed to appropriately reduce the flow rate of circumferential air in the process of operation.

supercritical boiler; tangential firing; water wall; operation mode; high temperature corrosion; reducing atmosphere; NOxemission

2016-10-08

2016-10-31

邹 磊(1985-)，男，湖北黄冈人，高级工程师，硕士，主要从事电站锅炉燃烧优化、性能试验和计算机数值模拟方面的研究．

电话(Tel.):15905166943；E-mail：zoulei0128@163.com．

1674-7607(2017)11-0861-09

TK227

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