四角切圓鍋爐H2S 生成特性的研究

段志飛

（江蘇國信蘇晉保德煤電有限公司，山西忻州 036604）

0 引言

燃煤電廠發電過程中會產生氮氧化物，為了降低對環境污染，新型火電機組采用了低NOx燃燒器。雖然燃燒器在生產過程中可以降低氮氧化物的排放量，但是會導致水冷壁附近出現還原反應，導致煙氣中的H2S 含量明顯升高。并且水冷壁出現了高溫腐蝕加重的情況，會破壞水冷壁的結構，嚴重威脅電廠的安全運行。為保證燃煤電廠發電的安全性，需要結合實際生產情況調整氧氣含量和配風方式，結合不同因素對H2S 生成所產生的影響，通過調整參數，在有效控制煙氣中氮氧化物含量的同時控制H2S的生成，避免出現高溫腐蝕問題，保證機組的安全運行。

1 爐內H2S 釋放特性

某電廠為超超臨界直流、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、緊身封閉的π 形鍋爐。鍋爐配有內置式汽水分離器，無循環水泵啟動系統。鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統，每臺爐配6 臺中速磨，四角切圓燃燒方式，24 只低NOx燃燒器分6層布置在爐膛四角，最下層兩層燃燒器（A、B 磨），布置等離子體點火及穩燃功能的等離子體燃燒器。鍋爐不設置燃油系統，點火和助燃均采用等離子。供風系統采用了大風箱，在燃燒器上設置燃盡風噴口，在全爐膛實現分級燃燒[1]。由于采用低NOx燃燒器，上層燃燒器和水冷壁同時受到還原性氣氛、氧化性氣氛、高溫煙氣沖刷的影響，水冷壁管道出現了更為嚴重的腐蝕，在水冷壁附近煙氣中存在較高濃度的H2S 氣體，不利于水冷壁的運行安全，所以需要調整生產過程中的環境，有效控制H2S 氣體含量。

1.1 硫化物反應機理

硫化物的生成會經過多個反應過程，而且在生產過程中會有很多不同反應同時進行，通過對其簡化分析，整個反應的步驟為：

通過分析發現，在還原性氣氛更強的環境下有利于H2S 生成，煙氣中的氧氣含量將會直接影響H2S 的生成量。一般情況下，所使用燃煤的含硫量超過0.6%就會導致高溫腐蝕出現，而且在爐膛水冷壁區域H2S 濃度很高，所以爐內具有較高的高溫腐蝕風險[2]。

1.2 高溫腐蝕機理

H2S 氣體會產生高溫燃燒腐蝕，在爐內反應的過程中，在一定條件下會導致H2S 氣體分解生成硫，硫能夠和水冷壁產生反應，腐蝕鐵元素生成硫化鐵，導致水冷壁管道受到嚴重腐蝕，由于H2S 氣體的存在，會造成水冷壁受到容易在高溫環境下受到腐蝕。

1.2.1 高溫腐蝕

如果接近水冷壁空間內的煙氣中SO2或H2S 的含量很高，就很容易反應生成硫離子：

水冷壁附近也有一定濃度的氧氣，同樣可能和H2S 發生反應：

通過上述反應后得到［S］，在高溫情況下，將會與水冷壁中的鐵元素反應生成硫化亞鐵，即發生高溫腐蝕：

FeS 的強度很低，受到腐蝕后必然造成水冷壁性能下降。生產環節中，會對水冷壁進行特殊處理以抵御外界腐蝕作用，例如會專門給水冷壁表面進行氧化處理，形成由Fe3O4、Fe2O3、FeO 組成的氧化膜。但是硫元素具有一定的穿透性，可以直接進入氧化膜內部腐蝕水冷壁基體，使水冷壁結構硫化[3]。硫化后的水冷壁結構不再緊密，保護膜結構也不再致密，會導致保護膜出現裂紋和脫落，最終造成水冷壁失去保護作用，后水冷壁受到的腐蝕作用會更加強烈。

1.2.2 高溫腐蝕機理

由于煤粉中含有一定的硫元素，產生的H2S 氣體和氧化膜反應直接破壞了水冷壁的表層氧化膜，H2S 氣體會進入局部裂縫，并腐蝕保護膜，化學反應式為：

H2S 氣體在高溫下也能進一步滲入到基體中，與鐵直接發生反應，對水冷壁造成進一步的腐蝕，化學反應式為：

1.3 研究方法

結合上文對硫化物反應出現機理，和在高溫狀態下對水冷壁的腐蝕機理，能夠確定水冷壁附近煙氣所具有的還原性環境對生成H2S 氣體帶來了很大影響。在對煤粉直流爐的研究中，分析硫化物在生產中的釋放特性，研究在高溫腐蝕過程中，水冷壁存在的硫分離行為[4]。為了進一步了解高溫腐蝕對生冷比的影響，還需要開展熱力試驗，研究不同因素影響下，膛口煙氣的含氧量變化、機組不同負荷模式、配風方式對H2S 的最終生成所產生的影響。

2 H2S 釋放特性試驗

對鍋爐根據標高設置3 層測點，根據最下排燃燒器、燃燒器中間、最上排燃燒器設置測點高度，煤層測點數量為6 個，測點的位置分別在左右兩墻平均分布（圖1）。

圖1 測點分布

2.1 氧氣含量

氧氣會影響H2S 的生成，該機組在額定負荷狀態下使用了均等配風的方式，通過改變爐膛出口煙氣含氧量，并對鍋爐水冷壁附近的煙氣中H2S 生成量進行了測量。根據測試結果發現，對H2S 生成量影響最大的因素是煙氣的含氧量，含氧量和H2S 的生成量負相關，在含氧量高的情況下H2S 濃度明顯降低。根據不同測試點的結果，H2S 含量最高的位置為中心區域，并且同層內各角位置的煙氣中H2S 的含量比較高。經過分析，隨著煙氣中氧氣含量增加，煙氣的還原性下降，阻礙H2S 氣體的生成。

因此，含氧量升高能控制水冷壁的高溫腐蝕問題，對于煙氣中的硫元素，氧氣含量比較高時，氧氣會優先氧化［S］生成SO2或SO3，減少［S］和水冷壁基鐵的反應，有效控制由于［S］所導致的高溫腐蝕[5]。但是在燃燒器中心區域氧氣含量較大，導致H2S 的濃度很大，但是各個角落位置的氧氣含量較低，所以H2S 的濃度也比較低。

2.2 機組變負荷

機組的負荷情況也會對H2S 的生成直接造成影響，實驗中使用了均等配方的方式，并在最高負荷的100%和80%測量煙氣鍋爐水冷壁附近的H2S 生成量。測試結果表明，機組在100%負荷水平下相比80%負荷水平在水冷壁附近生成的H2S 含量更高。另一方面，在機組增加負荷的情況等下，對氧氣的消耗也比較高，所以爐內的氧氣會呈下降趨勢，導致氧化氣氛降低，還原氣氛增加，H2S 生成量增加；低含氧量也給H2S 腐蝕帶來了良好的基礎條件，導致水冷壁更容易被腐蝕。

2.3 配風方式

配風方式也會改變水冷壁的環境，在機組負荷處于額定狀態下，爐膛出口位置的煙氣含氧量在3%左右。改變配風方式可以改變空氣流通方式，進而會對煙氣含氧量造成影響，因此通過設置合適的配風方式也能控制H2S 生成。測試后發現，水冷壁附近的煙氣H2S 生成量，在不同位置對配風方式的需求不同。例如生曾測試點使用縮腰配風方式H2S 生成量最少，中層測點、生曾測點的結果為均等配風方式和倒塔配風方式的H2S 生成量最低。所以在實際生產中，應該根據需要選擇配風方式。

2.4 優化調整方案

額定負荷條件下，必須將爐膛出口位置含氧量控制在3%以上，并將燃盡風風門開度降低到60%，周界風風門開度提升到40%，并且都采用均等配風的方式，控制二次風風向和爐膛的壓差在0.8 kPa。通過使用該方法進行優化，能夠讓爐內含氧量更高，通過加快氣體流動避免爐膛內部出現局部還原性過強的情況，尤其可以避免爐膛水冷壁附近還原性氣氛過強，能抑制水冷壁周圍區域H2S 的生成，從而達到控制腐蝕問題的目的。

另一方面也要調整布置方式和噴口形狀，例如使用等效截面積下鼻源性噴口縱向覆蓋面積范圍更大的矩形噴口，覆蓋燃燒爐的重點區域，可以在鍋爐處在低負荷狀態下有效控制H2S的生成量，提升生產過程的安全性并提升經濟性。

3 實驗結果分析

煙氣的含氧量增加將會降低煙氣環境的還原性、提升氧化性，直接改變環境條件，降低硫化氫的生成量，所以在燃燒區域含氧量升高時，煙氣中硫化氫會明顯減少。對不同測點煙氣的H2S 含量進行統計，發現硫化氫一般集中在燃燒的中心區域，和同層其他測點項目相比，轉角位置由于通風效果比較差，導致該位置的含氧量比較低，給H2S 的生成創造了條件。如果機組負荷比較高，將會提升爐膛內的溫度，會加速爐膛內的分子運動，并促進化學反應進行，也會提升H2S 的生成量。

在靠近水冷壁的位置，由于情況比較復雜，不同的配風方式對水冷壁附近的環境影響較大，其中下層測點的倒塔配風方式產生H2S 含量最高，中層測點使用縮腰配風方式H2S 含量最高，上層測點使用均等配風方式H2S 含量最高。

4 結束語

該廠的燃煤機組采用低氮燃燒器后，由于燃燒環境改變導致了水冷壁高溫腐蝕問題，對電廠的安全產生巨大的威脅。為了有效調節電廠的發電環境，有效控制H2S 物質生成量，通過試驗分析發現煙氣含氧量、變負荷和配風方式對H2S 的生成量產生影響比較大。通過調整配風方案，可以優化煙氣中各種物質的組成，有效控制煙氣中硫化氫的生成，可以控制水冷壁的高溫腐蝕，保證機組的運行安全。