贴壁风配风方式对四角切圆锅炉高温腐蚀的影响

周 亮

（国电长源荆州热电有限公司,湖北 荆州 434000）

贴壁风配风方式对四角切圆锅炉高温腐蚀的影响

周 亮

（国电长源荆州热电有限公司,湖北 荆州 434000）

利用FLUENT软件对某电厂300 MW四角切圆锅炉不同贴壁风配风方式(CD∶EE=1∶1.5,1∶1,1.5∶1)对水冷壁高温腐蚀的影响展开数值模拟研究。数值模拟的结果与现场实际情况吻合比较好，验证了数值模拟结果的有效性。实验结果表明：文中3种不同的贴壁风配风方式中，CD∶EE=1∶1.5的配风方式(即增加炉膛下层贴壁风风量，减小上层贴壁风风量)在降低高温腐蚀对水冷壁的危害的同时，还能实现较高的燃烧效率以及较低的NOx排放。

四角切圆锅炉；贴壁风配风方式；高温腐蚀；数值模拟

0 引言

随着火电机组不断向大容量、高参数发展，燃煤锅炉水冷壁温度也相应提高，导致水冷壁高温腐蚀现象频繁发生。近年来，随着燃煤机组环保要求的不断提升，为实现NOx达标排放，燃煤电站锅炉普遍采用了分级配风等低氮燃烧方式，进一步加剧了水冷壁的高温腐蚀。由水冷壁高温腐蚀引发的锅炉水冷壁爆管事故严重威胁发电机组的安全经济运行[1-3]。

贴壁风是一种解决水冷壁高温腐蚀行之有效的方法，它在水冷壁表面形成一层空气膜，破坏了形成高温腐蚀所必须具备的还原性气氛。另外贴壁风来源于二次风，相对于炉膛内的高温烟气来说属于冷风，能够降低水冷壁附近的温度，有利于防止高温腐蚀。贴壁风技术以其简单可靠的优点在工程实际中受到广泛应用[4-6]。

李敏等[4]对某电厂300 MW前后墙对冲燃煤锅炉侧墙布置3层贴壁风喷口的改造方案进行了数值模拟分析，结果表明：在贴壁风风率为4%时，该方案可以有效改善水冷壁的高温腐蚀问题。杜智华等[5]在某墙式对冲燃烧锅炉主燃烧区加装“非对称矩形高速直流贴壁风”系统，并进行了数值模拟优化和实验分析，结果表明：优化后的贴壁风系统，实测水冷壁贴壁气氛大幅改善，炉膛前后墙贴壁烟温呈下降趋势，有效降低了水冷壁高温爆管风险。程天杰等[6]则针对某电厂660 MW前后墙对冲燃煤锅炉侧墙水冷壁出现的高温腐蚀问题，提出了前后墙开孔、侧墙开槽以及二者组合这3种贴壁风布置方案，并对各方案的防腐蚀效果进行了数值模拟分析。结果表明，第三种方案吸收了前2类方案优点，能够有效地解决高温腐蚀问题。

由以上分析可知，目前国内针对贴壁风对高温腐蚀影响的研究大都基于前后墙对冲燃烧锅炉。而四角切圆锅炉贴壁风对高温腐蚀影响的相关研究则很少见诸报道。相对于前后墙对冲燃烧方式来说，四角切圆燃烧方式有着完全不同的流场、温度场以及组分分布特征。针对四角切圆锅炉贴壁风对高温腐蚀的影响展开研究非常有必要。本文利用FLUENT15.0软件，模拟研究了某电厂300 MW四角切圆锅炉变贴壁风配风方式对水冷壁高温腐蚀的影响。

1 锅炉概况

某300 MW四角切圆锅炉为亚临界、自然循环、一次中间再热、摆动燃烧器调温、平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢构架、全悬吊结构、Π型布置汽包锅炉。燃烧器采用双尺度低氮燃烧器，满足低NOx的要求。图1给出了锅炉的三维结构简图和主燃区燃烧器喷口布置简图，锅炉CD和EE层的所有二次风喷口两侧均各安装一个贴壁风喷口，贴壁风射流方向见图2。

图1 锅炉结构简图Fig.1 Schematic diagram of boiler

锅炉燃煤的煤质分析见表1。分析表1可知，燃煤为中硫煤。锅炉运行中采用了双尺度低NOx燃烧技术，在主燃区会产生较强的还原性气氛，造成中硫煤燃烧过程中产生大量的H2S气体，从而形成对水冷壁的高温腐蚀。

图2 贴壁风射流示意图Fig.2 Schematic diagram of closing-to-wall air

表1 煤质分析Tab.1 Coal quality analysis

由于锅炉安装了两层燃烧器喷口，本文根据CD层贴壁风量和EE层贴壁风量之间的分配关系设置了3组工况，以此来研究贴壁风配风方式对四角切圆锅炉水冷壁高温腐蚀的影响，从而确立一种相对合理的贴壁风配风方案。具体工况设置见表2。其中，工况1的CD层贴壁风量和EE层贴壁风量比为1∶1.5，工况2为基本工况，其CD层贴壁风量和EE层贴壁风量比为1∶1，工况3的CD层贴壁风量和EE层贴壁风量比为1.5∶1。

表2 贴壁风配风方式工况（单位：%）Tab.2 Cases setting under air volume proportion between closing-to-wall air（unit:%）

2 数学模型及计算条件

2.1 数学模型

锅炉炉膛内的煤粉燃烧过程由多个子过程互相耦合而成，主要包含：湍流过程，颗粒相的输运，煤粉颗粒的热解和燃烧，气相反应物参与的均相燃烧反应，辐射和对流传热过程，氮氧化物等生成和还原过程等。本文针对四角切圆锅炉的具体特点，确定了模拟该煤粉锅炉燃烧过程的三维数学模型:采用Euler方法描述炉内气相湍流流动，湍流模型选择了带旋流修正的κ-ε模型;由于煤粉颗粒占气相的体积分数小于10%，因此选用离散相模型来描述颗粒相的运动;煤粉在流动的同时还伴随着挥发份析出和燃烧过程，因此采用双平行竞争反应模型模拟煤粉挥发份的析出，应用动力/扩散控制燃烧模型模拟焦炭燃烧，基于混合分数-概率密度函数模型模拟气相湍流燃烧;气相与固相之问的耦合计算采用计算单元内颗粒源项算法；选用P-1辐射模型来模拟炉内辐射换热过程。各模型的具体描述见文献[7-10]。

2.2 网格划分

采用结构化的网格划分方法，使用六面体网格。为了减少计算过程中的伪扩散，通过合适的网格划分使得燃烧器出口区域的网格线与流体流动方向基本一致，并将该区域网格加密，以准确模拟此区域物理量的大梯度特性[11-12]。网格结构如图3所示，X轴为深度方向，Y轴为宽度方向，Z轴为高度方向。

2.3 边界条件与数值求解

在数值模拟计算中，入口边界条件采用速度入口条件，出口边界条件采用压力出口,方程的求解采用逐线迭代法和低松弛因子，压力与速度耦合采用SIMPLE算法，压力项离散采用PRESTO格式，其他项的离散格式为一阶迎风格式[13]。获得收敛解的判断标准为:能量方程、辐射传热计算的残差小于1×10-6，其他方程残差小于1×10-3。

图3 炉膛网格结构Fig.3 Schematic diagram of meshing

3 模拟结果分析与讨论

3.1 模拟结果验证

由于研究对象为某机组实际运行工况，故可以与热态测量数据相结合来对数值模拟准确性进行验证。通过表3的数据对比，数值模拟结果与试验结果(工况2)符合性较好，说明本文所建立的几何模型、网格划分和数学模型能够合理地模拟炉膛内的流动、传热以及燃烧过程，可用于对实际锅炉运行过程中高温腐蚀状况的模拟。

表3 模拟结果与实际测量结果的对比Tab.3 Comparison of the experimental and numerical results

3.2 水冷壁附近温度和速度场

水冷壁的高温腐蚀与水冷壁附近烟气的温度场、速度场、烟气组份分布以及煤粉颗粒冲击水冷壁的情况有着密切联系。本文设置的贴壁风沿着平行于壁面的方向进入炉膛，直接影响水冷壁附近的相关分布。为了具体考察不同的贴壁风配风方式对水冷壁高温腐蚀的影响，选取了炉膛内平行且距离后墙0.1 m处的截面A，对该截面上的相关参数进行分析比较。由于在主燃区，四角切圆锅炉4张墙面上的相关分布状况成中心对称的规律，所以截面A能够代表其他面上的相关分布状况。

图4给出了截面A上的速度和温度分布。锅炉运行中，炉膛内气流沿着逆时针方向转动上升，所以截面A上气流都是从左下角流向右上角。随着CD层贴壁风风量增加，贴壁风沿壁面方向的穿透力增强，A截面上CD层燃烧器及其以下区域高流速区域的面积逐渐扩大，但是增加的幅度不大。这说明贴壁风在水冷壁上形成的气膜覆盖面积得到一定的增加。然而，CD层贴壁风风量增加的同时，EE层贴壁风的风量却在减小。CD层燃烧器及其以上区域气流的高流速区域面积有较大的缩小，贴壁风对水冷壁的覆盖能力被削弱。对比不同工况下截面A上的温度分布情况，可发现工况2水冷壁附近高温区域的面积最小，工况1次之，工况3最大。观察图4(a)和(b)可以发现，虽然贴壁风能够冷却烟气，但并不是气流速度较高区域对应的温度就越小。

图4 水冷壁附近速度和温度分布Fig.4 Velocity and temperature distributions near the water wall

3.3 水冷壁附近CO浓度分布

在低氧状态下，CO含量的高低反应了烟气还原性气氛的强弱，同时CO与H2S之间也存在直接关系。当近壁烟气中CO含量较低(如小于0.03 mol/L)时，可以认为烟气处于弱还原性或接近中性气氛状态，此时H2S的含量也相应较低，虽然氧量不足，但水冷壁发生高温腐蚀的可能性非常小；当近壁烟气中CO含量较高时，烟气处于强还原性气氛，同时存在大量的H2S等气体，极易造成水冷壁高温腐蚀。此外，相对于H2S和O2，CO浓度的变化范围更大，用CO浓度考察高温腐蚀状况更有利于判断。

图5给出了截面A上的CO浓度分布，其中图(a)表明，主燃区后墙附近，较高浓度的CO主要集中在右下侧。这种分布规律和四角切圆燃烧方式的流场特征有关。主燃区烟气沿逆时针方向旋转上升。后墙附近，左侧燃烧器进入炉膛气流自左向右的流动趋势与烟气流动方向一致，所以燃烧器喷射气流的穿透力得到增强，能够覆盖到截面A左上区的大部分面积，基本消除还原性气氛。而右侧燃烧器进入炉膛气流自右向左流动的速度分量本身较小，加上与烟气逆时针旋转的流动趋势相反，大部分气流自右向左流动一小段距离后均改变了流动方向，这部分气流的穿透力很弱，对还原性气氛的消除作用很弱。其中贴壁风由于沿平行壁面方向流动，其穿透力相对于和壁面成一定夹角的其他气流要强。所以，从图(a)中可以看到截面A右侧以CD、EE贴壁风喷口为中心形成了小范围低CO浓度区域，随着贴壁风量的增加，面积逐渐扩大，但是总体来说对还原性气氛的消除作用不是很明显。

图5(b)给出了截面A上CO体积浓度大于0.03 mol/L的区域的分布情况。比较发现，三种贴壁风配风方式中，工况2水冷壁附近CO体积浓度大于0.03 mol/L的区域面积最大，工况3比工况1稍小一些。在CO体积浓度大于0.03 mol/L的区域内，容易发生高温腐蚀。图(c)给出了截面A上CO体积浓度大于0.06 mol/L的区域的分布情况。从图中不难看出，工况1水冷壁附近CO体积浓度大于0.06 mol/L的区域的面积最小，工况2次之，工况3最大。而且工况3水冷壁附近该区域内CO浓度基本上高达0.09 mol/L，还原性气氛很强，高温腐蚀最为严重。结合图(b)和图(c)的分析结果可知，工况1的贴壁风配风方式下，还原性气氛对高温腐蚀的危害最轻。

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

3.4 水冷壁附近颗粒浓度分布

贴壁风配风方式还会带来水冷壁附近颗粒物浓度分布的变化，图6给出了截面A上的颗粒浓度分布。从图中不难发现，较高的颗粒浓度主要集中在截面A主燃区的右下角区域。一次风喷口与墙面之间存在一定的夹角，煤粉颗粒喷射初期一次风气流动量消耗少，刚性较好，基本上不会冲刷墙面；随着煤粉颗粒的流动，一次风动量逐渐消耗，同时在炉内烟气的挤压作用下开始冲刷墙面。再加上图4(a)中流场的作用，就会出现图6中水冷壁附近煤粉颗粒浓度的分布规律。图中还能看到：随着的CD层贴壁风量的增加，CD层贴壁风喷口以下区域内高煤粉颗粒浓度区域面积逐渐缩小；类似地，随着EE层贴壁风量的减少，EE层贴壁风喷口以上区域高煤粉颗粒浓度区域的面积逐渐扩大。图6中水冷壁附近较高煤粉颗粒浓度分布区域和图5中水冷壁附近较高CO浓度分布区域重合很大，这是因为CO的生成主要是煤粉颗粒的不完全燃烧造成的。观察图6，总的来说三种贴壁风配风方式下，工况1近壁区域煤粉颗粒浓度相对较低，煤粉颗粒冲刷水冷壁的强度较小，对高温腐蚀的促进作用较弱。

图6 水冷壁附近煤粉颗粒浓度分布Fig.6 Particle concentration distribution near the water wall

3.5 炉膛出口处相关参数

表4给出了不同贴壁风配风方式下炉膛出口处的相关参数。CO浓度在一定程度上反映了煤粉颗粒的燃尽情况，从工况1、工况2到工况3，CO浓度和飞灰含碳量均先增后降。这说明工况1和工况3的贴壁风配风方式有利于煤粉颗粒的燃尽，其中工况1的燃烧效率相对最高。三种贴壁风配风方式下，工况1的NOx排放量最低，工况3次之，工况2最高。

表4 炉膛出口参数Tab.4 Parameter at the outlet

4 结论

通过对某300 MW四角切圆煤粉锅炉进行贴壁风配风方式对水冷壁高温腐蚀影响的数值模拟的研究，数值模拟的结果与现场实际情况吻合比较好，验证了本文数值模拟结果的有效性。为了具体考察不同的贴壁风配风方式对水冷壁高温腐蚀的影响，文章中选取了炉膛内平行且距离后墙0.1 m处的截面A，对该截面上的相关参数进行分析比较。结果表明，受到炉膛内流场特征影响，四角切圆锅炉较高浓度的CO主要集中在主燃区右下侧附近。3种不同贴壁风配风方式(CD:EE比例分别为1∶1.5,1∶1,1.5∶1)中，增加炉膛下层贴壁风风量，减小上层贴壁风风量(CD:EE=1∶1.5，工况1)，水冷壁附近CO浓度对应的高温腐蚀危害相对最小，且水冷壁附近高煤粉颗粒浓度区域的面积最小，煤粉颗粒冲刷水冷壁的强度相对最弱，能明显减弱高温腐蚀。同时，该配风方式在保证较高的燃烧效率的同时，能够降低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，湖北荆州人，学士，高级工程师。