高硫煤对燃煤机组的影响分析

江苏电机工程第3卷第5期702014年9月Jiangsu Electrical Engineering高硫煤对燃煤机组的影响分析宋金琳'，张光2(1.江苏省电机工程学会,江苏南京20020:2.江苏南热发电有限责任公司,江苏南京20035)摘要:通过对南热2*600 MW机组锅炉水冷壁的高温腐蚀.空预器的低温腐蚀及积灰堵塞和脱硫系统的情况分析,对锅炉高温腐蚀和低温腐蚀机理进行了阐述，论迷了燃用高硫谋对机组运行带来的危害及应对措施。关键词:高硫堞;高温腐蚀;空预器;堵塞;脱硫中图分类号:TK224.9文献标志码:B文章编号:1009 0665<2014)05- 0070-03随着电厂煤炭市场的放开,锅炉设计煤种很难保表1 1号锅炉燃烧器区域水冷壁测厚mm证,大量的高硫煤进人炉内燃烧,造成炉内高温燃烧序号A层C层D层 F层区域的水冷壁大面积腐蚀和空预器冷端的低温腐蚀、6.2.6.4 6.7,6.5 6.3.6.6 6.4.6.1积灰堵塞,严重影响火电机组的安全运行。文中以江6.4.6.5 6.4.6.6 6.6.6.3 6.2.6.5苏南热发电有限责任公司(以下简称南热)2x 6006.8.6.4 6.3.6.5 6.6.6.2 6.6,6.5Mw燃煤机组为例,分析水冷壁高温腐蚀的机理,并6.1.6.5 6.3.6.5 6.1.6.5 6.6.6.1就燃用高硫煤带来水冷壁高温腐蚀、空预器积灰堵56.7.6.3 6.3,6.2 6.5.6.4 6.5.6.2平均6.436.43 6.416.37塞脱硫系统的危害和采取的对策进行了介绍。抽样测厚,高温腐蚀减薄量最大1.1mm,最小0.1mm,1水冷壁高温腐蚀平均约0.6 mm。南热2x600MW超临界机组锅炉型号为通过上述检查、测厚发现,2台锅炉才运行2年左HG- 1965/25.4 YM5,为一次中间再热.超临界压力变右,水冷璧区域的高温腐蚀已经相当严重,为此在机组压运行带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉,单炉检修期间，对1号2号锅炉的水冷壁进行了大面积的膛平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π型布防腐喷涂,以期适当减缓高温腐蚀的发生。2012年3月置。锅炉岛为露天布置。锅炉同步安装选择性催化还.1号机组102B级检修对水冷壁腐蚀严重区域进行了防原法(SCR)脱硝装置。脱硫系统采用石灰石一石膏湿腐喷涂。(1)前后墙:上自中间层燃烧器(A .D层燃烧法脱硫工艺。锅炉设计煤种为神府煤,校核煤种为淮器)上部1.5m处(标高27.7m),下至水冷壁拐角下1南煤。m处(标高17.2m)以上区域,喷涂面积约为500m;南热1号.2号机组分别于2010年1月和8月(2)两侧墙:上自燃烬风燃烧器喷口中心下1.5m处通过168h试运行。由于煤炭市场变化.燃用煤种偏(标高34.7m)，下至水冷壁拐角下1m处(标高17.2离设计煤种较多,尤其在2012年大量高硫煤的燃用m)以上区域,喷涂面积约为550m2。2013年2月I号机导致锅炉水冷壁高温腐蚀严重。2012年3月1号机组103C级检修期间对上述喷涂区域进行了检查,总体组102B和2月2号机组临检期间发现2台锅炉水效果较好,未发现喷涂层大面积脱落及高温腐蚀情况，冷壁燃烧器区域及两侧墙均发生大面积高温腐蚀，面局部由于喷砂除锈不彻底,小范围出现喷涂层脱落,在积均高达1600m2,腐蚀减薄严重处高达1.2mm。此次103C级检修中进行了二次处理。1号锅炉高温腐蚀主要集中在前墙A层(中层)1.1高温腐蚀的机理燃烧器、后墙D层(中层)燃烧器下方及周围区域以锅炉水冷壁的高温腐蚀是--个及其复杂的物理化及两侧墙区域,对上述区域分别在燃烧器喷口下方学过程,研究表明:水冷壁的高温腐蚀大多属于硫化物500mm处和相邻燃烧器区域抽取2点进行测厚,结.型腐蚀,其腐蚀产物主要是铁的硫化物和氧化物。引起果见表1。该处水冷壁管设计为D38*7.3 mm,由表1硫化物型高温腐蚀的主要原因是煤粉在缺氧条件下燃可以看出高温腐蚀减薄量最大1.2mm,最小0.5mm,烧产生了HS以及游离态硫,其与管壁基体金属铁以及平均约0.9 mm。铁的氧化物发中国煤化工2号锅炉高温腐蚀同样主要集中在前后墙燃烧1.1.1硫化氢THCNMHG器区域及两侧墙热负荷较高区域,对上述区域进行了研究表明: M胜rI辽里工(示数a<1.00以及当水冷壁附近因煤粉浓度过高,空气量不够而出现还原性收稿日期:2014-03- -20;修回日期:2014- 05-12宋金琳等:高硫煤对燃煤机组的影响分析7气氛时，原煤中的硫以H2S的形式释放出来的比例在2空预器低温腐蚀和积灰堵塞.75%以上甲，通常当CO/(CO+CO2)由8%上升到24%时,H2S则由0.02%上升到0.07%,从而引起水冷壁的2.1空预器低温腐蚀强烈腐蚀。在H2S浓度不变时，若管壁温度低于300锅炉燃料中或多或少都含有硫。当燃用含硫量较C,则水冷壁不腐蚀或腐蚀很慢;若壁温在300~500高的燃料时，燃料中的硫份燃烧后除了部分硫酸盐留C范围内,则腐蚀速度与壁温呈指数关系，即壁温每升在灰中外，大部分变成SO2,其中约有0.5%~5%的高50 C,腐蚀速度增加一倍[2]。H2S 气体具有渗透作SO2在烟气中过剩氧量及积灰中Fe2O3的催化作用下用，它可穿过疏松的Fe2O3层和致密的磁性氧化铁层生成SO, SO,与烟气中的水蒸汽形成硫酸蒸气。硫酸(Fe2O,+FeO)与其中复合的FeO以及管壁Fe发生反蒸气的含量越高,酸露点越高,可以达到110~160 C,应,腐蚀速率与烟气中H2S的浓度几乎成正比,其反应甚至更高。这就导致硫酸蒸气凝结在低于烟气露点的如下:低温受热面上,引起腐蚀,称之为低温腐蚀。锅炉低温H2S+Fe-→FeS + H2(1)腐蚀最严重的部位是空气预热器的冷端。H2S+ FeO + FeS+ HO(2)烟气的酸露点与燃料含硫量和单位时间送人炉内1.1.2 单质硫腐蚀的总硫量有关,而后者是随燃料发热量降低而增加的。煤粉在燃烧过程中会产生一定量的单质硫，其在显然,燃料中的含硫量较高,发热量较低,燃烧生成的350~400 C时很容易与碳钢直接反应生成硫化亚铁SO2就越多,进而SO,也将增加，致使烟气酸露点升形成高温硫腐蚀,并且从450C开始,其对炉管的破坏高。酸露点越高,腐蚀范围越广,腐蚀也越严重。作用相当严重。单质硫的生成途径主要有以下几种:对空预器冷端加装防护措施，并尽量降低燃煤硫(1) 煤中的黄铁矿FeS2受热分解:含量,是减少低温腐蚀的有效途径,南热在机组建设期FeS,- +FeS +S(3)间同步安装了SCR脱硝装置,空预器冷端传热元件采(2)HS和SO2反应分解出单质硫:用搪瓷钢板,有效避免了冷端低温腐蚀的发生。2H2S + SO2-→2H2O+ 3S(4)2.2空预器积灰堵塞(3) H2S 与O2反应:烟气中的SO;与烟气中的水蒸汽形成硫酸蒸气;2HS +02-→2H20+2S .(5)而南热2x600MW机组为了满足环保要求,同步安装(4)FeS2与碳的混合物在有限的空气中燃烧[3):的SCR脱硝装置,有时喷氨量较大,因而造成氨逃逸3FeS2+ 12C+8O2-→Fe;O4+ 12CO + 6S(6)率增加。这样，氨气与硫酸蒸气反应,生成硫酸氢氨,硫(5) 在高温下H2S分解也可以产生单质硫[4):酸氢氨在180~200C的环境中呈鼻涕状的黏性物,因H2S-→S+H2.(7)此在空预器高温段和低温段处，烟气中的灰尘容易和生成的单质硫可以直接穿透管壁金属表面保护硫酸氢氨~块极易粘附于空预器换热面上,造成积灰、膜,并沿金属晶界渗透,进一步腐蚀锅炉水冷壁并同时堵塞,使得空预器压差变大,排烟温度升高,锅炉效率使氧化膜疏松,剥裂甚至脱落。降低,送、引风机电流增加,引风机失速,影响机组带负金属硫化腐蚀产物层相对基体金属的体积比很:荷等一系列问题。大,一-般在2.5~4.0之间,因此,层内会产生很大的应1号锅炉 2012年3~5月进行了102B修,期间空力,腐蚀层易破裂。其熔点温度较高为1195 C ,性质非预器进行了冲洗，冲洗后空预器压差降低,2012年5常稳定,即使在1000 C高温下,其与氢气还原反应也月1号A空预器烟气侧进出口压差平均约0.88kPa,非常低,在还原气体中能保持稳定。当温度超过其熔点最高时约1.1kPa;1号B空预器烟气侧进、出口压差温度,烟气中的氧化性气体达到--定分压时,则缓慢氧平均约0.87 kPa,最高时约1.2 kPa。因大量高硫煤的燃化转变成Fe;O4:用,尤其11月份,人厂煤平均含硫量高达1.02% ,导致3FeS + 502→Fe;O4+ 3SO2(8)空预器进出口压差急剧增加。2012年11月份1号A生成的SO2又可以提高单质硫的活性并加速硫酸空预器进、出口压差平均约2.3 kPa,最高时约3.12盐型腐蚀,使腐蚀不断恶化。在2775 C以后其会发生kPa;1号B空预器进、出口压差平均约2.29kPa,最高分解,生成硫和自由铁。时约3.07kPa。和5月份相比,空预器进出口压差大幅通过上述高温腐蚀的机理分析，可以看出原煤中增加,如图1所示。的含硫量越高,发生高温腐蚀的几率和速率就越快,国目前多中国煤化工制喷氨解决空预外的研究表明:燃用含硫量低于0.8%的煤种时,高温器的积灰及圳:MHCNMHC顷器冷端堵塞，这腐蚀的速率较低。时,将冷端蒸汽吹灰压力提高至2.0MPa,连续吹灰,72江苏电机工程3p浆液密度控制发生问题，正常情况下浆液密度11月B侧压差.51150 kg/m'时开始脱水,但为了满足排放要求,加大供马11月A鍘压差广W^浆量，浆液密度边脱水边升高,1180 kg/m',1200 kg/m'1.S-成为常态,造成搅拌器超负荷运行,电机过热跳闸。5月B侧压兼_为应对“石膏雨"问题,治理结束后,规定了不同负荷、不同SO2浓度下运行参数的控制规定,高硫分导致5月A侧压差oL这些规定得不到执行，除雾器压差上升,“石膏雨"现象10 15 2025抬头,影响公司正常的生产秩序。日期3.4对设备的影响不断显现图1空预器进出口压差高硫分造成的氧化、密度控制等问题，对脱硫设备可使空预器压差降低。SCR脱硝机组的空预器吹灰器造成的影响十分严重,供浆泵、搅拌器电机过热,除雾一般采用蒸汽和高压水双介质吹灰器，当空预器堵塞器压差上升,系统设备、管道.阀门磨损加剧,设备缺陷严重时,可以在线实施高压水冲洗,亦可以降低空预器大幅度上升,急剧减少这些设备的使用寿命。压差。同时在机组检修期间,采用高压水对冷、热端传4燃用高硫煤带来的主要经济损失热元件进行彻底的清洗;还可通过低氮燃烧器改造和燃烧调整来降低SCR入口NO,含量,减少喷氨量,控4.1 空预器压差增加造成电量损失制氨逃逸,减少硫酸氢氨的生成,防止空预器堵塞。空预器压差增大导致送.引风机电流大幅增加,1号机组2012年5月份送风机平均电流66A,11月份3高硫煤对脱硫系统的影响送风机平均电流75A,空预器堵塞导致送风机平均电.南热脱硫设计收到基硫分为1%,对应系统进口流增加9A。2012年5月份引风机平均电流227A,11SO2浓度2432.5 mgm'。实际运行中,因入厂煤硫分搭月份引风机平均电流285A,空预器堵塞导致引风机配问题，例如:2012年11月份入厂煤平均硫分为平均电流增加58A。单台引风机增加电耗500kw.1.02% ,月平均硫分看似仅超设计值- -点点,但是因为h/h,单台送风机增加电耗76.7 kW.h/h,则1号机组增来煤硫分波动较大,一段时间只来高硫煤,.-段时间又加电耗1 153.4 kW.h/h, 按0.456元/(kW.h)计,平均全是低硫煤,再加上南热单圆型煤场造成的配煤困难,每天用电增加电量费用1.26万元,按年利用小时7500脱硫系统入口SO2浓度一段时间内远超设计值，人o .h计,每年用电增加电量费用约为395万元。3800 mg /m' ,4000 mg/ m'的SO2浓度成为常态,这么4.2水冷壁高温腐蚀增加防腐喷涂费用高的SO2浓度对脱硫系统运行的影响十分严重,主要1号锅炉102B、103C修水冷壁喷涂面积约1600有以下几方面。m',2号锅炉临检水冷壁喷涂面积1600 m?,共计喷涂3.1 排放超标费用约200万元。因水冷壁仍存在高温腐蚀,后续仍将脱硫系统目前执行200mg/m)的排放标准，因高进行防腐喷涂,费用还将增加。硫煤问题造成脱硫系统出口排放超标,为了避免环保5结束语处罚并获得脱硫电价，只能以降负荷应对。经统计,2012年11月2日~12月10日,为保证so,排放数据燃用高硫煤(含硫量≥1%)时,对于燃煤锅炉,尤共降负荷31次,时间长达16.67h,严重影响公司月度其是带有SCR脱硝装置的燃煤锅炉的影响非常大。主电量计划的完成。要体现在水冷壁的高温腐蚀、空预器堵塞以及排放超3.2脱硫系统物料平衡发生问题标等方面。燃煤发电企业为了满足日益严格的环保要高硫分导致石灰石粉的用量增加，原有的有序供求,不得不投用脱硝和脱硫装置。为了保证NO,达标.粉被打破,粉仓粉位最低时仅有0.5 m,协调供粉人员排放,要求脱硝人口的NO,含量尽可能的低,这就导频繁忙于救急,严重影响脱硫系统运行安全。致在燃烧器区域要求低氧燃烧,形成还原性氛围，如燃高硫分导致供浆量大增,为保证排放,供浆泵出口用高硫煤将加剧该处区域水冷壁管的高温腐蚀。减缓调门开度至最大,多次造成供浆泵超负荷跳闸。水冷壁高温腐蚀的主要措施主要是通过低氮燃烧器改高硫分导致石膏产量大幅增加,因供浆量增大,浆.造和燃烧调整,有效降低炉膛出口NO,含量,同时控液氧化不足现象相当明显,脱水系统24h运行,有时制燃烧区中国煤化工SCR脱硝装置所还不能满足运行要求,不得不外排部分浆液。造成的氨0HCNMH G,附着在空预器传热元件上，但成工顶研饮庆、咱基,争致空预器压差增3.3运行控制困难(下转第75页)卞康麟:1000MW机组塔式锅炉NO,排放的试验研究75锅炉NO,排放浓度随氧量的上升而呈上升趋势。为保影响的试验研究[J]热能动力工程.2010,25(2):221 225.证锅炉高效低NO,运行,建议该锅炉在机组负荷为[3]高小涛.电站锅炉燃用混煤的煤质特性分析[J].江苏电机工1000MW负荷下燃用试验煤种相近煤种时，控制DCS[4]高小涛,章名耀.SG-1036/17.5-M871锅炉NO,排放特性的试程.2009 ,28(1):63-66.中炉膛出口氧量为2.5%左右。(2)在机组负荷为验研究[J].锅炉技术.2007 ,38(2):77-80.1000MW负荷下,为进一步降低该塔式锅炉的NO,排[5] ASME PTC4.1 (Steam Generating Units)蒸汽锅炉性能试验规放浓度，建议二次风方式采用均等配风方式或倒塔配程[S].美国机械工程师协会. 1964.风方式运行;锅炉煤层二次风开度控制为40% ;油层[6]环境保护局,国家质量监督检验检疫总局.GB13223-2011火二次风风门开度控制为20%左右;CCOFA风风门保电厂大气污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社,持全开状态;并保持6层SOFA风风门全开。2011.参考文献:[1]江哲生.董卫国,毛国光.国产1000MW超超临界机组技术综作者简介:卞康麟(1967),男,江苏扬州人,高级T.程师,从事电力工程技术管述[].电力建设,2007 ,28(8):6-13.[2]高小涛,黄磊,张恩先,等.1000MW机组锅炉氮氧化物排放理和技术培训等工作。Testing Research on NOx Emission Characteristics of a 1000 MWUltra-supercritical Tower BoilerBIAN Kanglin(Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210008, China)Abstract: In large scale coal-fired power plants, through reasonably organizing the in-fumace combustion processes, all theboilers are designed to achieve low NOx emission. The combustion debugging and tests on NOx emission characteristic of one1000 MW ultra-supercritical tower boiler were carried out by optimizing the combustion technology. Based on the test results,the effects of various boiler operating parameters on the NOX emission were analyzed. The obtained conclusions can guidethe similar boilers to achieve low NOx emission.Key words: ultra-supercritical tower boiler; combustion debugging; NO, emission characteristic; boiler efficiency(上接第72页)大的危害，目前主要采用低氮燃烧器改造和燃烧调整来降低SCR人口NO,含量,减少喷氨量,控制氨逃逸。[1]刘 青,吕俊复,张建胜. 等.还原态下流化床煤热解硫的释放当空预器发生冷端堵塞时，将冷端蒸汽吹灰压力提高[J].中国矿业大学学报.2003 ,32(4):367-370.至2.0MPa,连续吹灰,可使空预器压差降低。SCR脱[2]岑可法.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算[M].北京:科学出版社, 1995:25.硝机组的空预器吹灰器一般采用蒸汽和高压水双介质[3]赵虹,魏勇.燃煤锅炉水冷壁烟侧高温腐蚀的机理及影响因吹灰器,当空预器堵塞严重时,可以在线实施高压水冲素[J].动力工程,2002 ,22(2): 1700-1704.洗,亦可以降低空预器压差。[4]杨波,田松柏.不同形态硫化合物腐蚀行为的研究[J].腐蚀科虽然通过水冷壁的防腐喷涂,可以减缓高温腐蚀学与防护技术,2004. 16(6):385-388.的发生;加强空预器吹灰、控制氨气逃逸率,可以减缓空预器的堵塞,但都不能从根源上消除隐患。只有控制宋金琳(1963),男,河南平顶山人,工程师,从事电厂锅炉检修管理人炉煤的含硫量,方可消除高硫煤带来的不利因素,确工作和科企合作管理工作:保机组安全、经济、稳定、可靠运行。张光(1980),男, 江苏南京人.T程师.从事锅炉技术管理工作。Influence of High Sulfur Coal on Coal-fired Power UnitsSONG Jinin', ZHANG Guang?(1. Jiangsu Society of Electrical Engineering, Nanjing 210024,China;2. Jiangsu Nanre Power Generation Co. Ltd., Nanjing 210035,China)Abstract: The high temperature corrosion of water wall, the low-temperature corrosion and the deposition of air preheater,and the operating condition of the gas desulfurization system in Nanre 2x 600M中国煤化工thepaper.Italso elaborates the principles of both the high-temperature and lowtemperaturefYHCNMHGSsociated withbuming high sulfur coal and the solution measures are presented.Key words: high sulfur coal; high temperature corrosion; air preheater; occlusion; desulfuration万方.