空气分级燃烧炉内壁面硫化物分布的数值模拟

秦　明，　姜文婷，　吴少华

(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，哈尔滨 150001)



空气分级燃烧炉内壁面硫化物分布的数值模拟

秦明，姜文婷，吴少华

(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，哈尔滨 150001)

摘要：以某600 MW超超临界锅炉为研究对象，采用数值模拟方法研究了硫化物气体在炉内还原区水冷壁壁面区域的分布特性.结果表明：SO2主要分布在主燃烧器壁面区域，而H2S主要分布在分离燃尽风(SOFA)与主燃烧器之间的壁面区域，且该区域的氧量极低，温度又较高，发生高温腐蚀的可能性更大；随着燃料中含硫量的增大，壁面区域的硫化物气体质量分数有所提高，但并不显著，而高质量分数硫化物气体所占区域面积却明显增大，在主燃烧器的局部区域，壁面也出现了H2S质量分数较高的区域.

关键词：空气分级燃烧； 高温腐蚀； 硫化物； 数值模拟

我国动力用煤许多都是含硫量较高的煤种，在电站锅炉中发生高温腐蚀比较普遍.同时，由于环保要求的提高，低NOx燃烧技术已被广泛应用.低NOx燃烧技术的主要原理是采用空气分级燃烧，这样在还原区，炉膛水冷壁局部壁面区域将可能出现缺氧的还原性气氛，易产生高温腐蚀.

对于超临界锅炉，随着锅炉参数的提高，水冷壁壁面区域温度不断升高，加剧了高温腐蚀的程度[1-3].研究表明，高温腐蚀主要是煤中硫产生的硫腐蚀.煤中硫在炉内燃烧主要生成SO2、H2S以及少量的SO3等[4-6].此外，炉膛内燃烧产物中的硫化物也主要是H2S和SO2.气态的SO2不易与高温水蒸气相结合，因此比较而言，对锅炉水冷壁的危害并不是很大[7-9].而H2S和单质硫是导致受热面产生高温腐蚀的主要来源之一[10-11].单质硫能够穿过氧化膜，对金属晶界进行渗透，进而加快内部结构的硫化，这些过程会造成氧化膜的疏松和裂纹，甚至脱落并离开基体.煤粉燃烧过程中产生的H2S会与氧化膜反应，并产生一定的裂纹，这样H2S就可以继续穿过Fe2O3，并与FeO发生如下反应：

(1)

氧化膜受到破坏后，H2S可以继续与基体Fe发生反应生成FeS：

(2)

此外，如果金属管附近区域有一定浓度的SO2和H2S，也可以生成单质硫：

(3)

H2S与氧气也可以发生反应生成单质硫：

(4)

由于水冷壁壁面硫化物气体浓度和气氛对高温腐蚀的可能性及腐蚀程度有直接影响，因此在采用低NOx燃烧技术时对高温腐蚀气体在炉膛壁面附近区域的分布特性进行研究，以便采取有效措施防止高温腐蚀的发生具有重要意义.

1计算模型

模拟计算以燃用烟煤的某600 MW超超临界锅炉为原型，锅炉为Π型布置，炉膛深度为17.628 m，宽度为17.666 m，炉膛简图见图1.锅炉为煤粉炉，配备6台磨煤机，额定负荷下5台磨煤机运行，燃烧器为墙式切圆布置，采用垂直浓淡燃烧器，每只燃烧器有6组共12个一次风喷口，采用切圆燃烧，在主燃烧器上方布置4层分离燃尽风(SOFA).燃烧器喷口布置如图2所示，其中OFA为燃尽风.

图1　炉膛简图

燃烧器设计参数见表1.为了研究煤中不同含硫量对壁面硫化物分布变化的影响，拟定锅炉燃用3种含硫量不同的煤质，分别定义为煤质I、煤质II和煤质III.锅炉燃用的煤质数据见表2，其中煤质I为锅炉设计煤质.

图2　燃烧器喷口布置简图

名称风速/(m·s-1)风温/℃风率/%一次风257032二次风4033038SOFA6033030

表2　煤质数据

由表2可以看出，3种煤均属于烟煤，且热值相差不大，在实际燃烧时设备运行参数无需大幅调整，但含硫量却逐渐增大.

采用数值模拟研究燃烧工况已是普遍采用的方法，但大多集中于对温度场、速度场以及O2、CO和NOx等烟气组分分布的模拟.李永华等[12-13]拟合出煤粉燃烧时硫化物气体的生成模型，经过实验验证，取得了较为满意的结果.将该模型嵌入到数值模拟软件Fluent中，模拟SO2和H2S 2种主要的硫化物气体在炉内水冷壁附近区域的分布特性.

由于本文主要研究炉膛主燃区贴壁区域内硫化物气体的生成特性，所需要计算的区域为壁面区域，而且高温腐蚀主要发生在主燃烧器与SOFA之间的壁面区域，所以对离主燃区壁面500 mm、炉膛高度16～36 m(即主燃烧器下部与SOFA之间)的贴壁附近区域进行网格加密，以提高计算精度.炉膛纵截面和主燃区横截面的网格如图3所示.

(a)炉膛纵截面网格(b)主燃区横截面网格

图3计算网格

Fig.3Calculation mesh

计算所用的相关模型见表3，其中关于燃烧、流动和传热计算模型等都是在研究炉内煤粉燃烧时广泛采用的模型.

表3　计算所用模型

硫化物气体的生成模型采用文献[13]中的计算模型，SO2的生成速率为

(5)

式中：A为硫的转化率；wO2为氧气的质量分数；wS2为硫分别在挥发分和焦炭中的质量分数.

为了简化计算，燃料中的硫除生成SO2外，其余全部生成H2S,H2S的生成速率为

(6)

2计算结果

为了研究主燃区贴壁区域硫化物气体质量分数的分布特性，选取距锅炉主燃区水冷壁中心线500 mm、炉膛高度16～36 m的水冷壁壁面区域四面墙的各个截面，得到各截面上SO2和H2S的质量分数分布.

燃用3种煤质对应的计算工况分别定义为工况A、工况B和工况C.各工况的计算结果见图4～图11，其中X为炉膛宽度，Y为炉膛高度，各气体组分质量分数为其在烟气中的质量分数.

由图4和图5可以看出，在水冷壁壁面区域，SO2主要分布在主燃烧器壁面区域，而在SOFA与主燃烧器之间的壁面区域，H2S的质量分数较高，最高达到0.028%，并且在该区域，氧气质量分数较低(见图6)，同时温度较高，基本在1 500～1 600 K(见图7)，因而易发生高温腐蚀，尽管煤的总含硫量仅为0.49%.

由图8～图11可以看出，H2S仍然主要集中在SOFA与主燃烧器之间的壁面区域；随着燃料中含硫量的增大，该区域的H2S质量分数有所升高，最高已达到0.03%.然而随着燃料中含硫量的显著增大，工况C中含硫量已经达到3.27%，属于高硫煤，H2S质量分数却并没有大幅度升高，但是高H2S质量分数的区域面积显著增大，在主燃烧器中下部的局部区域也出现了高H2S质量分数.

通过计算可以发现，采用空气分级燃烧后，壁面区域氧气质量分数低，特别是在SOFA与主燃烧器之间壁面区域氧气质量分数近乎为零，而该区域的H2S质量分数又很高，而且温度也较高，因此该区域是发生高温腐蚀的危险区域.以图4(a)及图5(a)中工况A前墙X=7 m、沿炉膛高度方向的位置为例，各气体组分质量分数的变化情况见图12.

对比3种工况计算结果，H2S均主要分布在SOFA与主燃烧器之间的壁面区域，而SO2则大多分布在主燃烧器壁面区域.由于H2S是造成高温硫腐蚀的主要成分之一，因此SOFA与主燃烧器之间的壁面区域是发生高温腐蚀的高危区域，应该采取措施重点预防.

(a) 前墙

(b) 后墙

(c) 左侧墙

(d) 右侧墙

(a) 前墙

(b) 后墙

(c) 左侧墙

(d) 右侧墙

单位：%

图6工况A左侧墙壁面氧气质量分数

Fig.6Calculated O2concentration around left side

wall in condition A

单位：K

图7工况A左侧墙壁面温度场

Fig.7Calculated temperature field around left side

wall in condition A

(a) 前墙

(b) 后墙

(c) 左侧墙

(d) 右侧墙

(a) 前墙

(b) 后墙

(c) 左侧墙

(d) 右侧墙

(a) 前墙

(c) 左侧墙

(d) 右侧墙

(a) 前墙

(b) 后墙

(c) 左侧墙

(d) 右侧墙

(a) SO2质量分数

(b) H2S质量分数

(c) 氧气质量分数

(d) 烟气温度

随着燃料中硫含量的增大，炉内壁面区域的硫化物气体质量分数亦有所提高，但并不显著，而高质量分数硫化物气体所占区域面积却明显增大.不仅在SOFA与主燃烧器之间的壁面区域高H2S质量分数的区域面积增大，而且在主燃烧器壁面的局部区域，如主燃烧器中下部壁面区域也出现了高H2S质量分数.

由图12可以看出，高H2S质量分数区域的氧气质量分数非常低，说明在高温还原性气氛下，燃料中的硫主要转化生成H2S，而壁面的缺氧易造成高温腐蚀，这与已有研究结果相吻合.

3结论

(1) 在靠近炉膛水冷壁壁面区域，H2S主要分布在SOFA与主燃烧器之间的壁面区域，因此该区域发生高温腐蚀的可能性更大.SO2主要分布在主燃烧器壁面区域.

(2) 随着燃料中含硫量的增大，水冷壁壁面区域的硫化物气体质量分数有所提高，但并不显著，而高质量分数硫化物气体所占区域面积却明显增大.

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Numerical Simulation of Sulfide Distribution on Furnace Walls with Air-staged Combustion

QINMing,JIANGWenting,WUShaohua

(School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract：Taking a 600 MW ultra-supercritical boiler as an object of study, numerical simulation was conducted to study the distribution characteristics of sulfide gases around water walls in the furnace. Results show that SO2 mainly appears in the region near main burners, while H2S mainly distributes in the region between separated over fire air (SOFA) region and the main burners, where high-temperature corrosion is easy to occur due to the very low concentration of oxygen and the high-temperature atmosphere. With the rise of sulfur content in fuel, the concentration of sulfide gases is slightly increased around the water wall, but the occupation area of high-concentration sulfide gases is significantly enlarged, and high concentration of H2S even occurs in local regions of the water wall near main burners.

Key words：air-staged combustion; high-temperature corrosion; sulfide; numerical simulation

文章编号：1674-7607(2016)02-0091-08

中图分类号：TK224.9

文献标志码：A学科分类号：470.30

作者简介：秦明(1963-)，男，江苏扬州人，副教授，博士，研究方向为煤清洁燃烧与利用.电话(Tel.)：13654545931；E-mail：qinming7632@163.com．

基金项目：国家科技支撑资助项目(2011BAK06B04)

收稿日期：2015-05-18

修订日期：2015-06-17