摘 要：采用浓淡分离技术抑制氮氧化物，在还原性气氛较强的情况下，采用金属热喷涂技术防止高温腐蚀，兼顾环保排放及高硫分煤质下防高温腐蚀需求。采用金属热喷涂防高温腐蚀，通常采用进口材料，投资较大，文章通过分析炉内气氛工况，对喷涂面积进行优化，在保障锅炉安全可靠运行的前提下，节约投资，达到技术经济统一的目的。
关键词：高温腐蚀；喷涂；过量空气系数
1 背景介绍
某新建工程地处西南，燃煤含硫量高，校核煤种全硫含量可达6.2%，且燃煤灰分较高，水冷壁区域在燃烧过程中通过复杂的化学反应将产生大量 SO2、SO3、H2S、HCL、碱金属盐等腐蚀物质，造成严重的高温腐蚀危险。高温腐蚀将带来严重的危害：使水冷壁管壁减薄，形成安全运行的严重隐患，增加检修工作量，增加检修费用。造成爆管事故，紧急停炉抢修直接带来电量损失和额外的检修费用，直接影响企业效益。
在燃煤锅炉中，高温腐蚀分为三种类型：硫酸盐型、氯化物型和硫化物型。锅炉受热面区域的高温腐蚀通常是由这三种类型腐蚀复合作用的结果。而高温腐蚀和还原性气氛存在着密切的关系，在较强的还原性气氛下，灰熔点温度的下降将导致更多的灰渣附着在受热面管壁上，造成灰沉积物的加快，加剧对管壁的腐蚀。同时还原性介质（如 H2S）更具有腐蚀性，并且温度越高，腐蚀越严重。某工程为抑制氮氧化物的生成，采用浓淡分离燃烧技术，在燃烧器区域欠氧燃烧，再补充燃尽风，完成煤粉燃尽，这就在燃烧器区域造成了还原性气氛。如果通过加大过量空气系数等手段减轻还原性气氛以抑制高温腐蚀，会造成氮氧化物生成量的增多，不利于机组达标排放。且减轻还原性气氛的作用有限，煤质较差时，高温腐蚀的风险依然很大。综合考虑抑制氮氧化物生成和防止高温腐蚀，本工程将采用浓淡分离技术抑制氮氧化物，在还原性气氛较强的情况下，采用金属热喷涂技术防止高温腐蚀。
2 金属热喷涂优势
金属热喷涂技术具有如下优点：喷涂材料为高铬镍基合金，材料自身化学性质稳定，不参与高温腐蚀反应，属于隔绝性材料，将水冷壁管壁与高温腐蚀反应区域隔离。材料自身物理性质优良，热膨胀率、热阻与母材相近，不会出现因热冷膨胀量差而出现的脱落现象，不影响炉内传热。采用高速喷涂工艺，采用自动电脑全程控制自动喷涂，喷涂层厚度、均匀度一致，保证喷涂质量。喷涂作业在水冷壁安装现场同步进行，自动电脑控制喷涂用时短，保证工期节点可控。涂层硬度大、结合强度高、孔隙率小，可保证锅炉在一个大修周期内不出现涂层脱落现象。
3 喷涂区域原方案
将锅炉受热面区域依高温腐蚀风险程度化为7 个区域：
区域 A：主燃烧器区及最上层燃烧器至燃尽风区域，喷涂面积为 1272m2（喷涂面积为前墙、后墙、两侧墙向火面合计）。
区域 B：燃尽风区域上界至螺旋水冷壁终止线区域，喷涂面积为 891m2（喷涂面积为前墙、后墙、两侧墙向火面合计）。
区域 C：螺旋
水冷壁终止线至折焰角下部折角高度区域，喷涂面积为 224m2（喷涂面积为前墙、后墙、两侧墙向火面合计）。
区域 D：折焰角下部折角高度至折焰角中心线高度区域，喷涂面积为 148m2（喷涂面积为前墙、后墙、两侧墙向火面合计）。
区域 E：屏式过热器炉内管区域，喷涂面积为 1800m2（喷涂面积为炉内管外表面面积）。
区域 F：高温过热器炉内管区域；喷涂面积为 1400m2（喷涂面积为炉内管外表面面积）。
区域 G：高温再热器炉内管区域；喷涂面积为 1800m2（喷涂面积为炉内管外表面面积）。
以上面积仅为理论面积，未考虑原材料、制造、安装等偏差及工艺余量。
原喷涂方案计划对上述 7 个区域全部进行喷涂。喷涂面积总计7535m2（单台炉）。如此大的喷涂面积将会带来庞大的投资，在保证锅炉安全可靠运行的前提下，将对本工程防止高温腐蚀喷涂面积进行优化。
4 喷涂区域优化
A 区为主燃烧器区，在此区域，为降低氮氧化物的生成，按配风要求为欠氧区，正常情况下，该区域内的过量空气系数约为 α=0.85，即送入的空气量仅为理论实际完全燃烧所需空气量的 85%的左右，即欠氧燃烧，还原性气氛比较强烈。同时该区域温度水平很高（约为1300℃~1400℃左右），受热面壁温很高，高温腐蚀几率很大。煤粉在主燃烧区域组织欠氧燃烧后，在最上层燃烧器至燃尽风区域通过燃尽风的补充，确保煤粉的燃尽。此时，考虑后期 OFA 喷入的二次风可能尚未与炉内烟气流充分混合，过量空气系数为微过氧状态，即α=1.05。炉内烟气温度可达到 1350℃~1500℃，烟温水平仍然很高，高温腐蚀的风险很高。所以 A 区为必须喷涂区域。
B 区烟气刚刚完成燃尽风与高温烟气的混合，煤粉基本燃烧完成，过量空气系数开始提高至 1.14-1.15，还原性气氛较大地减弱，还原性气氛因素对高温腐蚀的影响较大减弱，烟气温度降低，但仍处在较高水平。由于螺旋管圈易积灰，沉淀附着在管壁上的灰份会促成高温腐蚀的发生，所以在此区域中仍然存在较大的高温腐蚀风险，并且考虑到煤质变动及运行调整等因素带来的影响，所以 B 区为必须喷涂区域。
C 区煤粉已经完全燃烧，烟气温度进一步降低，并开始处于富氧区，还原性气氛消失。至螺旋管圈以上的垂直水冷壁材质为15CrMoG，管壁温度最高达 550℃，低于高温腐蚀发生指数型增长的温度拐点。在还原性气氛及管壁温度两因素的共同影响下，此区域的高温腐蚀风险已经大大地降低了。
D 区情况与 C 区类似，同是处于富氧区，烟气温度更低，发生高温腐蚀的风险也不高。考虑到煤质变动及运行调整等因素带来的影响，所以 C、D 区也应进行喷涂。
上部水冷壁及顶棚区域的烟气温度进一步降低（其温度云图如下），达到炉膛出口处时烟气温度仅有 1038℃。虽然屏过底部壁温可达 650℃，不过 E 区、F 区、G 区受热面属于对流换热受热面，烟气流速较快，灰渣不易附着于受热面壁面，由于处于富氧区，还原性气氛基本消失，高温腐蚀威胁基本消失。
综合投资经济性的考虑，对超过折焰角中心线高度区域不进行喷涂，待运行一段时间后视情况而定。
（工况为设计煤种，燃烧器前 3 后 2 布置，等层间距＋单层燃尽风）经过优化后，保持对高温腐蚀高风险区域及较低风险但受煤质变化影响的区域进行喷涂，对高温腐蚀风险大大降低的区域视运行情况决定是否喷涂，锅炉运行的安全可靠性没有受到影响，且有一定的防高温腐蚀的裕度。
5 优化收益
目前国内高温防腐喷涂的价格受工艺、材料的影响而呈现高低不一的情况，现就以单台炉电弧喷涂厚度为 0.5mm 的 45CT 材料为例做经济性比较，见表 1经过优化后，单台炉可节省 2500 万元的投入，在保证锅炉安全可靠运行的前提下，降低了工程造价。
参考文献略
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