周 亮

（國(guó)電長(zhǎng)源荊州熱電有限公司,湖北 荊州 434000）

貼壁風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)四角切圓鍋爐高溫腐蝕的影響

周 亮

（國(guó)電長(zhǎng)源荊州熱電有限公司,湖北 荊州 434000）

利用FLUENT軟件對(duì)某電廠300 MW四角切圓鍋爐不同貼壁風(fēng)配風(fēng)方式(CD∶EE=1∶1.5,1∶1,1.5∶1)對(duì)水冷壁高溫腐蝕的影響展開(kāi)數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合比較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：文中3種不同的貼壁風(fēng)配風(fēng)方式中，CD∶EE=1∶1.5的配風(fēng)方式(即增加爐膛下層貼壁風(fēng)風(fēng)量，減小上層貼壁風(fēng)風(fēng)量)在降低高溫腐蝕對(duì)水冷壁的危害的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)較高的燃燒效率以及較低的NOx排放。

四角切圓鍋爐；貼壁風(fēng)配風(fēng)方式；高溫腐蝕；數(shù)值模擬

0 引言

隨著火電機(jī)組不斷向大容量、高參數(shù)發(fā)展，燃煤鍋爐水冷壁溫度也相應(yīng)提高，導(dǎo)致水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象頻繁發(fā)生。近年來(lái)，隨著燃煤機(jī)組環(huán)保要求的不斷提升，為實(shí)現(xiàn)NOx達(dá)標(biāo)排放，燃煤電站鍋爐普遍采用了分級(jí)配風(fēng)等低氮燃燒方式，進(jìn)一步加劇了水冷壁的高溫腐蝕。由水冷壁高溫腐蝕引發(fā)的鍋爐水冷壁爆管事故嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1-3]。

貼壁風(fēng)是一種解決水冷壁高溫腐蝕行之有效的方法，它在水冷壁表面形成一層空氣膜，破壞了形成高溫腐蝕所必須具備的還原性氣氛。另外貼壁風(fēng)來(lái)源于二次風(fēng)，相對(duì)于爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔鈦?lái)說(shuō)屬于冷風(fēng)，能夠降低水冷壁附近的溫度，有利于防止高溫腐蝕。貼壁風(fēng)技術(shù)以其簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)在工程實(shí)際中受到廣泛應(yīng)用[4-6]。

李敏等[4]對(duì)某電廠300 MW前后墻對(duì)沖燃煤鍋爐側(cè)墻布置3層貼壁風(fēng)噴口的改造方案進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：在貼壁風(fēng)風(fēng)率為4%時(shí)，該方案可以有效改善水冷壁的高溫腐蝕問(wèn)題。杜智華等[5]在某墻式對(duì)沖燃燒鍋爐主燃燒區(qū)加裝“非對(duì)稱矩形高速直流貼壁風(fēng)”系統(tǒng)，并進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明：優(yōu)化后的貼壁風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)測(cè)水冷壁貼壁氣氛大幅改善，爐膛前后墻貼壁煙溫呈下降趨勢(shì)，有效降低了水冷壁高溫爆管風(fēng)險(xiǎn)。程天杰等[6]則針對(duì)某電廠660 MW前后墻對(duì)沖燃煤鍋爐側(cè)墻水冷壁出現(xiàn)的高溫腐蝕問(wèn)題，提出了前后墻開(kāi)孔、側(cè)墻開(kāi)槽以及二者組合這3種貼壁風(fēng)布置方案，并對(duì)各方案的防腐蝕效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，第三種方案吸收了前2類方案優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地解決高溫腐蝕問(wèn)題。

由以上分析可知，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)貼壁風(fēng)對(duì)高溫腐蝕影響的研究大都基于前后墻對(duì)沖燃燒鍋爐。而四角切圓鍋爐貼壁風(fēng)對(duì)高溫腐蝕影響的相關(guān)研究則很少見(jiàn)諸報(bào)道。相對(duì)于前后墻對(duì)沖燃燒方式來(lái)說(shuō)，四角切圓燃燒方式有著完全不同的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及組分分布特征。針對(duì)四角切圓鍋爐貼壁風(fēng)對(duì)高溫腐蝕的影響展開(kāi)研究非常有必要。本文利用FLUENT15.0軟件，模擬研究了某電廠300 MW四角切圓鍋爐變貼壁風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)水冷壁高溫腐蝕的影響。

1 鍋爐概況

某300 MW四角切圓鍋爐為亞臨界、自然循環(huán)、一次中間再熱、擺動(dòng)燃燒器調(diào)溫、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、Π型布置汽包鍋爐。燃燒器采用雙尺度低氮燃燒器，滿足低NOx的要求。圖1給出了鍋爐的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和主燃區(qū)燃燒器噴口布置簡(jiǎn)圖，鍋爐CD和EE層的所有二次風(fēng)噴口兩側(cè)均各安裝一個(gè)貼壁風(fēng)噴口，貼壁風(fēng)射流方向見(jiàn)圖2。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of boiler

鍋爐燃煤的煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。分析表1可知，燃煤為中硫煤。鍋爐運(yùn)行中采用了雙尺度低NOx燃燒技術(shù)，在主燃區(qū)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的還原性氣氛，造成中硫煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的H2S氣體，從而形成對(duì)水冷壁的高溫腐蝕。

圖2 貼壁風(fēng)射流示意圖Fig.2 Schematic diagram of closing-to-wall air

表1 煤質(zhì)分析Tab.1 Coal quality analysis

由于鍋爐安裝了兩層燃燒器噴口，本文根據(jù)CD層貼壁風(fēng)量和EE層貼壁風(fēng)量之間的分配關(guān)系設(shè)置了3組工況，以此來(lái)研究貼壁風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)四角切圓鍋爐水冷壁高溫腐蝕的影響，從而確立一種相對(duì)合理的貼壁風(fēng)配風(fēng)方案。具體工況設(shè)置見(jiàn)表2。其中，工況1的CD層貼壁風(fēng)量和EE層貼壁風(fēng)量比為1∶1.5，工況2為基本工況，其CD層貼壁風(fēng)量和EE層貼壁風(fēng)量比為1∶1，工況3的CD層貼壁風(fēng)量和EE層貼壁風(fēng)量比為1.5∶1。

表2 貼壁風(fēng)配風(fēng)方式工況（單位：%）Tab.2 Cases setting under air volume proportion between closing-to-wall air（unit:%）

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

鍋爐爐膛內(nèi)的煤粉燃燒過(guò)程由多個(gè)子過(guò)程互相耦合而成，主要包含：湍流過(guò)程，顆粒相的輸運(yùn)，煤粉顆粒的熱解和燃燒，氣相反應(yīng)物參與的均相燃燒反應(yīng)，輻射和對(duì)流傳熱過(guò)程，氮氧化物等生成和還原過(guò)程等。本文針對(duì)四角切圓鍋爐的具體特點(diǎn)，確定了模擬該煤粉鍋爐燃燒過(guò)程的三維數(shù)學(xué)模型:采用Euler方法描述爐內(nèi)氣相湍流流動(dòng)，湍流模型選擇了帶旋流修正的κ-ε模型;由于煤粉顆粒占?xì)庀嗟捏w積分?jǐn)?shù)小于10%，因此選用離散相模型來(lái)描述顆粒相的運(yùn)動(dòng);煤粉在流動(dòng)的同時(shí)還伴隨著揮發(fā)份析出和燃燒過(guò)程，因此采用雙平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型模擬煤粉揮發(fā)份的析出，應(yīng)用動(dòng)力/擴(kuò)散控制燃燒模型模擬焦炭燃燒，基于混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模型模擬氣相湍流燃燒;氣相與固相之問(wèn)的耦合計(jì)算采用計(jì)算單元內(nèi)顆粒源項(xiàng)算法；選用P-1輻射模型來(lái)模擬爐內(nèi)輻射換熱過(guò)程。各模型的具體描述見(jiàn)文獻(xiàn)[7-10]。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方法，使用六面體網(wǎng)格。為了減少計(jì)算過(guò)程中的偽擴(kuò)散，通過(guò)合適的網(wǎng)格劃分使得燃燒器出口區(qū)域的網(wǎng)格線與流體流動(dòng)方向基本一致，并將該區(qū)域網(wǎng)格加密，以準(zhǔn)確模擬此區(qū)域物理量的大梯度特性[11-12]。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示，X軸為深度方向，Y軸為寬度方向，Z軸為高度方向。

2.3 邊界條件與數(shù)值求解

在數(shù)值模擬計(jì)算中，入口邊界條件采用速度入口條件，出口邊界條件采用壓力出口,方程的求解采用逐線迭代法和低松弛因子，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，壓力項(xiàng)離散采用PRESTO格式，其他項(xiàng)的離散格式為一階迎風(fēng)格式[13]。獲得收斂解的判斷標(biāo)準(zhǔn)為:能量方程、輻射傳熱計(jì)算的殘差小于1×10-6，其他方程殘差小于1×10-3。

圖3 爐膛網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of meshing

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

由于研究對(duì)象為某機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，故可以與熱態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合來(lái)對(duì)數(shù)值模擬準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)表3的數(shù)據(jù)對(duì)比，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果(工況2)符合性較好，說(shuō)明本文所建立的幾何模型、網(wǎng)格劃分和數(shù)學(xué)模型能夠合理地模擬爐膛內(nèi)的流動(dòng)、傳熱以及燃燒過(guò)程，可用于對(duì)實(shí)際鍋爐運(yùn)行過(guò)程中高溫腐蝕狀況的模擬。

表3 模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的對(duì)比Tab.3 Comparison of the experimental and numerical results

3.2 水冷壁附近溫度和速度場(chǎng)

水冷壁的高溫腐蝕與水冷壁附近煙氣的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、煙氣組份分布以及煤粉顆粒沖擊水冷壁的情況有著密切聯(lián)系。本文設(shè)置的貼壁風(fēng)沿著平行于壁面的方向進(jìn)入爐膛，直接影響水冷壁附近的相關(guān)分布。為了具體考察不同的貼壁風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)水冷壁高溫腐蝕的影響，選取了爐膛內(nèi)平行且距離后墻0.1 m處的截面A，對(duì)該截面上的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析比較。由于在主燃區(qū)，四角切圓鍋爐4張墻面上的相關(guān)分布狀況成中心對(duì)稱的規(guī)律，所以截面A能夠代表其他面上的相關(guān)分布狀況。

圖4給出了截面A上的速度和溫度分布。鍋爐運(yùn)行中，爐膛內(nèi)氣流沿著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)上升，所以截面A上氣流都是從左下角流向右上角。隨著CD層貼壁風(fēng)風(fēng)量增加，貼壁風(fēng)沿壁面方向的穿透力增強(qiáng)，A截面上CD層燃燒器及其以下區(qū)域高流速區(qū)域的面積逐漸擴(kuò)大，但是增加的幅度不大。這說(shuō)明貼壁風(fēng)在水冷壁上形成的氣膜覆蓋面積得到一定的增加。然而，CD層貼壁風(fēng)風(fēng)量增加的同時(shí)，EE層貼壁風(fēng)的風(fēng)量卻在減小。CD層燃燒器及其以上區(qū)域氣流的高流速區(qū)域面積有較大的縮小，貼壁風(fēng)對(duì)水冷壁的覆蓋能力被削弱。對(duì)比不同工況下截面A上的溫度分布情況，可發(fā)現(xiàn)工況2水冷壁附近高溫區(qū)域的面積最小，工況1次之，工況3最大。觀察圖4(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，雖然貼壁風(fēng)能夠冷卻煙氣，但并不是氣流速度較高區(qū)域?qū)?yīng)的溫度就越小。

圖4 水冷壁附近速度和溫度分布Fig.4 Velocity and temperature distributions near the water wall

3.3 水冷壁附近CO濃度分布

在低氧狀態(tài)下，CO含量的高低反應(yīng)了煙氣還原性氣氛的強(qiáng)弱，同時(shí)CO與H2S之間也存在直接關(guān)系。當(dāng)近壁煙氣中CO含量較低(如小于0.03 mol/L)時(shí)，可以認(rèn)為煙氣處于弱還原性或接近中性氣氛狀態(tài)，此時(shí)H2S的含量也相應(yīng)較低，雖然氧量不足，但水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的可能性非常小；當(dāng)近壁煙氣中CO含量較高時(shí)，煙氣處于強(qiáng)還原性氣氛，同時(shí)存在大量的H2S等氣體，極易造成水冷壁高溫腐蝕。此外，相對(duì)于H2S和O2，CO濃度的變化范圍更大，用CO濃度考察高溫腐蝕狀況更有利于判斷。

圖5給出了截面A上的CO濃度分布，其中圖(a)表明，主燃區(qū)后墻附近，較高濃度的CO主要集中在右下側(cè)。這種分布規(guī)律和四角切圓燃燒方式的流場(chǎng)特征有關(guān)。主燃區(qū)煙氣沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)上升。后墻附近，左側(cè)燃燒器進(jìn)入爐膛氣流自左向右的流動(dòng)趨勢(shì)與煙氣流動(dòng)方向一致，所以燃燒器噴射氣流的穿透力得到增強(qiáng)，能夠覆蓋到截面A左上區(qū)的大部分面積，基本消除還原性氣氛。而右側(cè)燃燒器進(jìn)入爐膛氣流自右向左流動(dòng)的速度分量本身較小，加上與煙氣逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)趨勢(shì)相反，大部分氣流自右向左流動(dòng)一小段距離后均改變了流動(dòng)方向，這部分氣流的穿透力很弱，對(duì)還原性氣氛的消除作用很弱。其中貼壁風(fēng)由于沿平行壁面方向流動(dòng)，其穿透力相對(duì)于和壁面成一定夾角的其他氣流要強(qiáng)。所以，從圖(a)中可以看到截面A右側(cè)以CD、EE貼壁風(fēng)噴口為中心形成了小范圍低CO濃度區(qū)域，隨著貼壁風(fēng)量的增加，面積逐漸擴(kuò)大，但是總體來(lái)說(shuō)對(duì)還原性氣氛的消除作用不是很明顯。

圖5(b)給出了截面A上CO體積濃度大于0.03 mol/L的區(qū)域的分布情況。比較發(fā)現(xiàn)，三種貼壁風(fēng)配風(fēng)方式中，工況2水冷壁附近CO體積濃度大于0.03 mol/L的區(qū)域面積最大，工況3比工況1稍小一些。在CO體積濃度大于0.03 mol/L的區(qū)域內(nèi)，容易發(fā)生高溫腐蝕。圖(c)給出了截面A上CO體積濃度大于0.06 mol/L的區(qū)域的分布情況。從圖中不難看出，工況1水冷壁附近CO體積濃度大于0.06 mol/L的區(qū)域的面積最小，工況2次之，工況3最大。而且工況3水冷壁附近該區(qū)域內(nèi)CO濃度基本上高達(dá)0.09 mol/L，還原性氣氛很強(qiáng)，高溫腐蝕最為嚴(yán)重。結(jié)合圖(b)和圖(c)的分析結(jié)果可知，工況1的貼壁風(fēng)配風(fēng)方式下，還原性氣氛對(duì)高溫腐蝕的危害最輕。

圖5 截面水冷壁附近CO濃度分布Fig.5 CO concentration distribution near the water wall

3.4 水冷壁附近顆粒濃度分布

貼壁風(fēng)配風(fēng)方式還會(huì)帶來(lái)水冷壁附近顆粒物濃度分布的變化，圖6給出了截面A上的顆粒濃度分布。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，較高的顆粒濃度主要集中在截面A主燃區(qū)的右下角區(qū)域。一次風(fēng)噴口與墻面之間存在一定的夾角，煤粉顆粒噴射初期一次風(fēng)氣流動(dòng)量消耗少，剛性較好，基本上不會(huì)沖刷墻面；隨著煤粉顆粒的流動(dòng)，一次風(fēng)動(dòng)量逐漸消耗，同時(shí)在爐內(nèi)煙氣的擠壓作用下開(kāi)始沖刷墻面。再加上圖4(a)中流場(chǎng)的作用，就會(huì)出現(xiàn)圖6中水冷壁附近煤粉顆粒濃度的分布規(guī)律。圖中還能看到：隨著的CD層貼壁風(fēng)量的增加，CD層貼壁風(fēng)噴口以下區(qū)域內(nèi)高煤粉顆粒濃度區(qū)域面積逐漸縮?。活愃频?，隨著EE層貼壁風(fēng)量的減少，EE層貼壁風(fēng)噴口以上區(qū)域高煤粉顆粒濃度區(qū)域的面積逐漸擴(kuò)大。圖6中水冷壁附近較高煤粉顆粒濃度分布區(qū)域和圖5中水冷壁附近較高CO濃度分布區(qū)域重合很大，這是因?yàn)镃O的生成主要是煤粉顆粒的不完全燃燒造成的。觀察圖6，總的來(lái)說(shuō)三種貼壁風(fēng)配風(fēng)方式下，工況1近壁區(qū)域煤粉顆粒濃度相對(duì)較低，煤粉顆粒沖刷水冷壁的強(qiáng)度較小，對(duì)高溫腐蝕的促進(jìn)作用較弱。

圖6 水冷壁附近煤粉顆粒濃度分布Fig.6 Particle concentration distribution near the water wall

3.5 爐膛出口處相關(guān)參數(shù)

表4給出了不同貼壁風(fēng)配風(fēng)方式下?tīng)t膛出口處的相關(guān)參數(shù)。CO濃度在一定程度上反映了煤粉顆粒的燃盡情況，從工況1、工況2到工況3，CO濃度和飛灰含碳量均先增后降。這說(shuō)明工況1和工況3的貼壁風(fēng)配風(fēng)方式有利于煤粉顆粒的燃盡，其中工況1的燃燒效率相對(duì)最高。三種貼壁風(fēng)配風(fēng)方式下，工況1的NOx排放量最低，工況3次之，工況2最高。

表4 爐膛出口參數(shù)Tab.4 Parameter at the outlet

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某300 MW四角切圓煤粉鍋爐進(jìn)行貼壁風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)水冷壁高溫腐蝕影響的數(shù)值模擬的研究，數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合比較好，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。為了具體考察不同的貼壁風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)水冷壁高溫腐蝕的影響，文章中選取了爐膛內(nèi)平行且距離后墻0.1 m處的截面A，對(duì)該截面上的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明，受到爐膛內(nèi)流場(chǎng)特征影響，四角切圓鍋爐較高濃度的CO主要集中在主燃區(qū)右下側(cè)附近。3種不同貼壁風(fēng)配風(fēng)方式(CD:EE比例分別為1∶1.5,1∶1,1.5∶1)中，增加爐膛下層貼壁風(fēng)風(fēng)量，減小上層貼壁風(fēng)風(fēng)量(CD:EE=1∶1.5，工況1)，水冷壁附近CO濃度對(duì)應(yīng)的高溫腐蝕危害相對(duì)最小，且水冷壁附近高煤粉顆粒濃度區(qū)域的面積最小，煤粉顆粒沖刷水冷壁的強(qiáng)度相對(duì)最弱，能明顯減弱高溫腐蝕。同時(shí)，該配風(fēng)方式在保證較高的燃燒效率的同時(shí)，能夠降低NOx的排放量。

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Effect of Air Volume Proportion between Closing-to-Wall Air on the High Temperature Corrosion of a 300 MW Tangentially Fired Boiler

ZHOU Liang
(Guodian Changyuan Jingzhou Thermal Power Co.Ltd，Jinzhou Hubei 434000,China)

By using FLUENT software,this paper proceeds numerical simulation study on impact of changing closing-to-wall air volume proportion on the high temperature corrosion of a 300 MW tangentially fired boiler.Results of numerical simulation are in good agreement with the actual situation,which verifies effectiveness of numerical simulation.The simulation results show that among the three different closing-to-wall air volume proportions presented in this paper,case 1 can alleviate the high temperature corrosion of water-cooled wall,while achieving higher combustion efficiency and lower NOxemission.

tangentially fired boiler;air volume proportion between closing-to-wall air nozzles;high temperature corrosion;numerical simulation

TM621.2

A

1006-3986(2017)05-0035-06

10.19308/j.hep.2017.05.009

2017-04-02

周 亮（1979），男，湖北荊州人，學(xué)士，高級(jí)工程師。