对冲燃烧锅炉防高温腐蚀改造数值研究

方志星

（浙江浙能北仑发电有限公司，浙江 宁波 315800）

0 引言

目前，燃煤发电是我国电力供应的主要形式，且在可预见的未来里，它仍将占据我国电力生产的首要地位[1]。因此，保障燃煤机组安全稳定运行对于国计民生至关重要。锅炉作为燃煤机组的三大主设备之一，是确保电站安全生产的关键，但在实际运行中却面临着诸多威胁。其中，水冷壁高温腐蚀是较为普遍且极具危害的一种。据统计，我国80%以上燃煤锅炉出现了不同程度的高温腐蚀现象[2]。高温腐蚀会加速水冷壁壁厚减薄，继而造成水冷壁泄漏和爆管，严重危及锅炉机组的安全和经济运行。一般认为，水冷壁高温腐蚀主要与燃煤品质、水冷壁壁面温度、近壁处烟气成分和炉内气固两相的流动特性有关[3-5]。燃煤品质降低、水冷壁壁面温度升高、近壁处还原性气氛加强、腐蚀性气体（主要是H2S）增多以及炉内空气动力场组织不合理等皆会引发严重的高温腐蚀问题。

近年来，为满足日益严格的NOX排放标准，国内一大批燃煤机组纷纷采用炉膛空气分级燃烧技术。然而，随着空气分级程度的提高，水冷壁高温腐蚀状况却急剧恶化，主要是由于炉膛分级送风致使燃烧器区域形成浓厚的还原性气氛，从而加剧水冷壁高温腐蚀[6-9]。此外，为了缓解能源紧张而改燃低阶煤、锅炉参数提高而导致水冷壁壁温升高等因素都使得现代电站锅炉更容易受到高温腐蚀的威胁[10]。

目前防治高温腐蚀的措施主要有防腐喷涂、燃烧调整和贴壁风改造等。研究表明，加装贴壁风设备是其中最为有效且可靠的方法[2-4，7-9，11-15]。尽管研究者们在贴壁风技术上做了大量的工作，但是关于深度空气分级条件下贴壁风防腐蚀效果的研究仍相对较少。某660 MW 前后墙对冲燃烧锅炉在采取深度空气分级燃烧技术后水冷壁出现了大面积的高温腐蚀，且腐蚀主要集中在侧墙区域。本文通过现场试验，对该锅炉侧墙贴壁烟气成分进行测量，分析侧墙产生高温腐蚀的主要原因。在此基础上，提出相应的贴壁风布置方案，采用数字模拟的方法，研究贴壁风对侧墙贴壁流场、组分浓度分布以及炉内燃烧过程的影响，以此判断其对侧墙高温腐蚀的缓解效果。

1 锅炉运行概况

本文研究对象为1 台IHI-FWSK 型660 MW亚临界参数自然循环锅炉，炉膛断面尺寸为22 202 mm×15 970 mm。锅炉采用燃烧器对冲布置形式，共有24 只旋流燃烧器，前、后墙各布置3 层，每层4 只，此外，在上层燃烧器上方，前、后墙各布置1 层燃尽风喷口，每层6 只。满负荷运行时，后墙上层燃烧器处于备用状态。

为了在炉内实现深度空气分级燃烧，对原燃烧系统实施改造。改造后，燃烧器数量和相对距离不变，但整体下移3 500 mm，原上层燃烧器位置增加8 只燃尽风喷口，同时，燃尽风率（占总风量）提高至35%左右，锅炉的主要结构及各喷口的具体布置见图1。

图1 锅炉结构及燃尽风喷口布置

表1 燃用煤煤质分析结果

锅炉运行时主要燃用低硫煤，其煤质分析结果见表1。运行一段时间后，在停炉检修时发现下层燃烧器标高至上层燃尽风标高范围内出现大面积高温腐蚀。从腐蚀的程度看，侧墙比前后墙严重，侧墙中间比两边严重，最严重的区域发生在上层燃烧器与下层燃尽风之间的侧墙中间区域。虽然该机组自投运以来也出现过高温腐蚀现象，但是深度空气分级燃烧改造后，这一现象有明显增强趋势。

研究发现，我国煤粉锅炉水冷壁高温腐蚀大多属于硫化物型腐蚀，造成这种腐蚀的根本原因在于壁面附近存在强还原性气氛并伴有大量腐蚀性气体H2S[3，8-9，11-12，15-16]。为了解实际烟气条件对水冷壁高温腐蚀的影响，在腐蚀最严重的两侧墙加装烟气测孔，每侧墙各9 个，分为3 层，从下到上分别布置在3 层燃烧器高度，每层沿侧墙深度等间距分布3 个测孔，每个测孔的编号及具体位置见表2。在660 MW 负荷常规运行工况下，对侧墙烟气成分进行测试，结果见表3。由于侧墙附近CO 体积分数超出烟气分析仪的最大量程，所以仅采用氧量作为气氛的判别参数[13]。测量结果表明，侧墙附近大部分区域氧量低于0.5%，属于强还原性气氛[15]，而侧墙近壁处H2S 体积分数并没有预想的高，基本在200 μL/L 以下。可见，在当前燃用低硫煤的情况下，虽然炉内总体H2S浓度水平不高，但是强还原性气氛的存在仍会导致水冷壁发生高温腐蚀。特别是在采取深度空气分级燃烧技术之后，燃烧器区域还原性气氛加强，高温腐蚀随之加剧。此外，侧墙6 个中间测孔中有3 个（5，8，11）出现堵孔，且堵孔仅出现在上层和中层燃烧器高度位置，结合实际煤粉的粒径分布（R90>20%），推测堵孔的原因很可能是上、中层燃烧器煤粉气流直接冲刷侧墙中部所致。综合上述分析可以得出，治理该锅炉高温腐蚀的关键主要在于2 点：一是减轻煤粉对侧墙的冲刷强度；二是降低壁面附近还原性气氛。

表2 侧墙测孔位置及编号

表3 侧墙烟气成分测量结果

2 物理模型

大量实践表明，通过燃烧调整可以基本消除煤粉刷墙现象，但水冷壁周围强还原性气氛无法得到根本改善[6，16]。针对这个问题，普遍采用贴壁风技术来减少近壁处还原性气氛[2，7-9，11-15]。 为此，考虑为该锅炉加设1 组贴壁风装置，并采用数值模拟的方法，研究贴壁风对侧墙高温腐蚀的缓解效果。

模拟区域选取锅炉本体至水平烟道入口。按照锅炉实际尺寸，建立全炉膛三维模型。采用分区域划网格方法，以提高网格质量，所有区域均采用结构化网格。为了削弱伪扩散现象对计算精度的影响，沿燃烧器出口气流流向划分燃烧器区域网格并进行加密。经网格独立性分析后，最终确定网格数为300 万左右。

选用Realizable k-ε 模型模拟炉内的湍流流动；采用混合分数/概率密度模型描述气相湍流燃烧；煤粉颗粒的追踪采用随机轨道模型；煤的热解选用单步反应模型；焦炭的燃烧选用动力/扩散模型；用P1 模型计算辐射传热；在模拟计算过程中考虑两相之间质量、动量和能量传递；最后选择SIMPLE 算法求解各控制方程。

选取BMCR（锅炉最大连续蒸发量）工况作为原始工况，各个喷口均采用速度入口边界条件，根据实际运行数据设置入口参数。炉膛出口采用压力出口边界条件，出口压力为-120 Pa。在结合以往工程经验与该锅炉腐蚀现状的基础上，设计在前后墙、靠近侧墙位置加装8 只圆形贴壁风喷口，每面墙4 只，分2 层，分别与上、中两层燃烧器标高一致，喷口中心与外侧燃烧器中心距离为3 500 mm，喷口直径为450 mm。贴壁风风速为41 m/s，占总风量的5%，该工况视为贴壁风工况，各工况具体参数见表4。

表4 计算工况运行参数

3 结果分析

3.1 贴壁风对侧墙贴壁流场的影响

考虑到贴壁风是刚性较强的射流，贴壁风的引入必然会对其附近流场产生极大影响，如图2所示，其中Z0为与左侧墙平行且相距200 mm 的炉膛纵截面。由图2（a）可以看出，在原始工况下，燃烧器区域侧墙贴壁烟气具有明显的从中间向两边扩散的趋势。这主要与对冲燃烧锅炉内流场特性有关，即前后墙对冲气流在炉膛中心发生碰撞后冲向侧墙中间区域，并沿侧墙向前墙、后墙方向进行扩散[3-4，17-18]。当实施深度空气分级燃烧技术后，燃烧器区域过量空气系数变小，CO 浓度升高、未燃尽碳含量增加，受炉内流场特性影响，大量CO 和未燃尽煤粉颗粒冲向侧墙，进而导致侧墙还原性气氛浓厚，且加剧煤粉对侧墙的冲刷。由图2（b）可以发现，前后墙布置贴壁风后，贴壁风覆盖在侧墙表面形成一层气膜，阻断了对冲烟气向侧墙的冲刷，减轻煤粉颗粒对水冷壁的磨损，且在一定程度上稀释了近壁面还原性气氛。同时，贴壁风的加入使得侧墙附近气流流速升高，气流扰动加剧，一方面改善了贴壁风与近壁面烟气的混合过程，增强贴壁风对可燃物的补燃效果，以此破坏侧墙区域还原性气氛；另一方面，提高侧墙自吹灰能力，减少灰粒（尤其是未燃尽煤粉颗粒）在水冷壁上沉积，进一步降低侧墙发生高温腐蚀的概率。

3.2 贴壁风对侧墙组分浓度的影响

添加贴壁风的最主要目的是为侧墙区域进行补氧，从而改变侧墙烟气氛围。图3、图4 分别为Z0截面各喷口标高线上的O2和CO 体积分数分布，其中线L1-L4由低到高分别对应中层、下层燃烧器与下层、上层燃尽风。从图3 可以看出，原始工况下，侧墙附近（L1-L4）O2体积分数几乎为0，处于极度缺氧状态。而随着贴壁风的加入，侧墙附近O2体积分数大幅提升，大部分区域O2体积分数达到2%以上，贴壁风对侧墙的整体补氧效果显著。但是从O2的具体分布情况来看，O2体积分数在侧墙上呈现双峰分布，局部区域O2体积分数仍低于0.5%，这部分区域主要集中在侧墙的中心及其两侧。

图2 Z0 截面上速度矢量场

图3 侧墙附近O2 体积分数分布

图4 显示，在原始工况下，侧墙附近（L1-L4）CO 体积分数较高，基本在4.5%～8.0%，属于强还原性气氛[15]。侧墙上CO 体积分数具有中间高、两边低的分布特点，且上层燃烧器与下层燃尽风标高位置上的CO 浓度较其它位置更高，这与之前提到的锅炉实际高温腐蚀分布状况大致相符，证明了模拟的准确性。添加贴壁风后，侧墙附近高浓度CO 基本上得以消除，仅在中层燃烧器标高线上中心小部分区域内CO 体积分数高于3%。结合图3 和图4 可知，目前的贴壁风方案基本能消除中、上层燃烧器及燃尽风（L1-L4）侧墙区域还原性气氛，从而达到防治高温腐蚀的要求。

图4 侧墙附近CO 体积分数分布

3.3 贴壁风对燃烧的影响

贴壁风对烟气温度具有正反两面影响，一方面能够促使可燃物继续燃烧，提高烟气温度；另一方面由于贴壁风温度较低，能在一定程度上冷却烟气。为了分析贴壁风对炉内燃烧过程的影响，选取中、上层燃烧器中心横截面，分别以Y1 和Y2 表示，不同工况下Y1 和Y2 截面的烟温分布变化见图5、图6。从图5（a）和图6（a）中可以看出：原始工况下，侧墙附近存在较为弥散的高温区域，温度为1 500～1 600 K，该高温区域的形成主要是由于在深度空气分级条件下，大量煤粉颗粒与部分CO 在侧墙附近燃烧放热所致。水冷壁附近较高的烟气温度，会使得水冷壁壁面温度升高，加速水冷壁的老化，降低其抗磨损和抗腐蚀能力，为高温腐蚀创造了有利条件[7，13]。由图5（b）和图6（b）可以发现：贴壁风工况下，侧墙附近烟气温度为1 400～1 500 K，比原始工况下降了近100 K。结合图5 和图6 可知，添加贴壁风对炉膛中间区域的燃烧过程几乎没有影响，但能够有效降低侧墙附近烟气温度，缩小侧墙高温区域的范围，进一步抑制了侧墙的高温腐蚀。

图5 Y1 截面上温度分布

图6 Y2 截面上温度分布

4 结论

（1）某660 MW 前后墙对冲燃烧锅炉采用深度空气分级燃烧技术后侧墙出现了严重的高温腐蚀现象，且腐蚀程度沿侧墙中间到两边递减，最严重的区域发生在上层燃烧器与下层燃尽风之间的侧墙中部区域。

（2）贴壁烟气成分测量结果表明，侧墙附近强还原性气氛与煤粉刷墙是造成侧墙发生高温腐蚀的主要原因。

（3）原始工况的模拟结果表明，侧墙近壁处存在明显的煤粉刷墙现象；侧墙附近O2体积分数几乎为0，CO 体积分数远远高于3%，呈强还原性气氛，且侧墙上CO 体积分数的分布特征与实际高温腐蚀的程度分布基本吻合。

（4）添加贴壁风后，减轻了煤粉颗粒对侧墙的磨损与沉积；侧墙大部分区域内O2体积分数提高到2%以上，CO 体积分数降低至3%以下，还原性气氛基本上得以消除。

（5）添加贴壁风对炉膛中间区域的燃烧过程几乎没有影响，但使侧墙附近烟温降低100 K 左右，进一步抑制了高温腐蚀的出现。