空氣分級(jí)燃燒爐內(nèi)壁面硫化物分布的數(shù)值模擬

秦　明，　姜文婷，　吳少華

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

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空氣分級(jí)燃燒爐內(nèi)壁面硫化物分布的數(shù)值模擬

秦明，姜文婷，吳少華

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

摘要：以某600 MW超超臨界鍋爐為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法研究了硫化物氣體在爐內(nèi)還原區(qū)水冷壁壁面區(qū)域的分布特性.結(jié)果表明：SO2主要分布在主燃燒器壁面區(qū)域，而H2S主要分布在分離燃盡風(fēng)(SOFA)與主燃燒器之間的壁面區(qū)域，且該區(qū)域的氧量極低，溫度又較高，發(fā)生高溫腐蝕的可能性更大；隨著燃料中含硫量的增大，壁面區(qū)域的硫化物氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所提高，但并不顯著，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫化物氣體所占區(qū)域面積卻明顯增大，在主燃燒器的局部區(qū)域，壁面也出現(xiàn)了H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域.

關(guān)鍵詞：空氣分級(jí)燃燒； 高溫腐蝕； 硫化物； 數(shù)值模擬

我國(guó)動(dòng)力用煤許多都是含硫量較高的煤種，在電站鍋爐中發(fā)生高溫腐蝕比較普遍.同時(shí)，由于環(huán)保要求的提高，低NOx燃燒技術(shù)已被廣泛應(yīng)用.低NOx燃燒技術(shù)的主要原理是采用空氣分級(jí)燃燒，這樣在還原區(qū)，爐膛水冷壁局部壁面區(qū)域?qū)⒖赡艹霈F(xiàn)缺氧的還原性氣氛，易產(chǎn)生高溫腐蝕.

對(duì)于超臨界鍋爐，隨著鍋爐參數(shù)的提高，水冷壁壁面區(qū)域溫度不斷升高，加劇了高溫腐蝕的程度[1-3].研究表明，高溫腐蝕主要是煤中硫產(chǎn)生的硫腐蝕.煤中硫在爐內(nèi)燃燒主要生成SO2、H2S以及少量的SO3等[4-6].此外，爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)物中的硫化物也主要是H2S和SO2.氣態(tài)的SO2不易與高溫水蒸氣相結(jié)合，因此比較而言，對(duì)鍋爐水冷壁的危害并不是很大[7-9].而H2S和單質(zhì)硫是導(dǎo)致受熱面產(chǎn)生高溫腐蝕的主要來(lái)源之一[10-11].單質(zhì)硫能夠穿過(guò)氧化膜，對(duì)金屬晶界進(jìn)行滲透，進(jìn)而加快內(nèi)部結(jié)構(gòu)的硫化，這些過(guò)程會(huì)造成氧化膜的疏松和裂紋，甚至脫落并離開(kāi)基體.煤粉燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的H2S會(huì)與氧化膜反應(yīng)，并產(chǎn)生一定的裂紋，這樣H2S就可以繼續(xù)穿過(guò)Fe2O3，并與FeO發(fā)生如下反應(yīng)：

(1)

氧化膜受到破壞后，H2S可以繼續(xù)與基體Fe發(fā)生反應(yīng)生成FeS：

(2)

此外，如果金屬管附近區(qū)域有一定濃度的SO2和H2S，也可以生成單質(zhì)硫：

(3)

H2S與氧氣也可以發(fā)生反應(yīng)生成單質(zhì)硫：

(4)

由于水冷壁壁面硫化物氣體濃度和氣氛對(duì)高溫腐蝕的可能性及腐蝕程度有直接影響，因此在采用低NOx燃燒技術(shù)時(shí)對(duì)高溫腐蝕氣體在爐膛壁面附近區(qū)域的分布特性進(jìn)行研究，以便采取有效措施防止高溫腐蝕的發(fā)生具有重要意義.

1計(jì)算模型

模擬計(jì)算以燃用煙煤的某600 MW超超臨界鍋爐為原型，鍋爐為Π型布置，爐膛深度為17.628 m，寬度為17.666 m，爐膛簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1.鍋爐為煤粉爐，配備6臺(tái)磨煤機(jī)，額定負(fù)荷下5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，燃燒器為墻式切圓布置，采用垂直濃淡燃燒器，每只燃燒器有6組共12個(gè)一次風(fēng)噴口，采用切圓燃燒，在主燃燒器上方布置4層分離燃盡風(fēng)(SOFA).燃燒器噴口布置如圖2所示，其中OFA為燃盡風(fēng).

圖1　爐膛簡(jiǎn)圖

燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1.為了研究煤中不同含硫量對(duì)壁面硫化物分布變化的影響，擬定鍋爐燃用3種含硫量不同的煤質(zhì)，分別定義為煤質(zhì)I、煤質(zhì)II和煤質(zhì)III.鍋爐燃用的煤質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，其中煤質(zhì)I為鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì).

圖2　燃燒器噴口布置簡(jiǎn)圖

名稱(chēng)風(fēng)速/(m·s-1)風(fēng)溫/℃風(fēng)率/%一次風(fēng)257032二次風(fēng)4033038SOFA6033030

表2　煤質(zhì)數(shù)據(jù)

由表2可以看出，3種煤均屬于煙煤，且熱值相差不大，在實(shí)際燃燒時(shí)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)無(wú)需大幅調(diào)整，但含硫量卻逐漸增大.

采用數(shù)值模擬研究燃燒工況已是普遍采用的方法，但大多集中于對(duì)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及O2、CO和NOx等煙氣組分分布的模擬.李永華等[12-13]擬合出煤粉燃燒時(shí)硫化物氣體的生成模型，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了較為滿(mǎn)意的結(jié)果.將該模型嵌入到數(shù)值模擬軟件Fluent中，模擬SO2和H2S 2種主要的硫化物氣體在爐內(nèi)水冷壁附近區(qū)域的分布特性.

由于本文主要研究爐膛主燃區(qū)貼壁區(qū)域內(nèi)硫化物氣體的生成特性，所需要計(jì)算的區(qū)域?yàn)楸诿鎱^(qū)域，而且高溫腐蝕主要發(fā)生在主燃燒器與SOFA之間的壁面區(qū)域，所以對(duì)離主燃區(qū)壁面500 mm、爐膛高度16～36 m(即主燃燒器下部與SOFA之間)的貼壁附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算精度.爐膛縱截面和主燃區(qū)橫截面的網(wǎng)格如圖3所示.

(a)爐膛縱截面網(wǎng)格(b)主燃區(qū)橫截面網(wǎng)格

圖3計(jì)算網(wǎng)格

Fig.3Calculation mesh

計(jì)算所用的相關(guān)模型見(jiàn)表3，其中關(guān)于燃燒、流動(dòng)和傳熱計(jì)算模型等都是在研究爐內(nèi)煤粉燃燒時(shí)廣泛采用的模型.

表3　計(jì)算所用模型

硫化物氣體的生成模型采用文獻(xiàn)[13]中的計(jì)算模型，SO2的生成速率為

(5)

式中：A為硫的轉(zhuǎn)化率；wO2為氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wS2為硫分別在揮發(fā)分和焦炭中的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，燃料中的硫除生成SO2外，其余全部生成H2S,H2S的生成速率為

(6)

2計(jì)算結(jié)果

為了研究主燃區(qū)貼壁區(qū)域硫化物氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布特性，選取距鍋爐主燃區(qū)水冷壁中心線500 mm、爐膛高度16～36 m的水冷壁壁面區(qū)域四面墻的各個(gè)截面，得到各截面上SO2和H2S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布.

燃用3種煤質(zhì)對(duì)應(yīng)的計(jì)算工況分別定義為工況A、工況B和工況C.各工況的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～圖11，其中X為爐膛寬度，Y為爐膛高度，各氣體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為其在煙氣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

由圖4和圖5可以看出，在水冷壁壁面區(qū)域，SO2主要分布在主燃燒器壁面區(qū)域，而在SOFA與主燃燒器之間的壁面區(qū)域，H2S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，最高達(dá)到0.028%，并且在該區(qū)域，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(見(jiàn)圖6)，同時(shí)溫度較高，基本在1 500～1 600 K(見(jiàn)圖7)，因而易發(fā)生高溫腐蝕，盡管煤的總含硫量?jī)H為0.49%.

由圖8～圖11可以看出，H2S仍然主要集中在SOFA與主燃燒器之間的壁面區(qū)域；隨著燃料中含硫量的增大，該區(qū)域的H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所升高，最高已達(dá)到0.03%.然而隨著燃料中含硫量的顯著增大，工況C中含硫量已經(jīng)達(dá)到3.27%，屬于高硫煤，H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻并沒(méi)有大幅度升高，但是高H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)的區(qū)域面積顯著增大，在主燃燒器中下部的局部區(qū)域也出現(xiàn)了高H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù).

通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，采用空氣分級(jí)燃燒后，壁面區(qū)域氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，特別是在SOFA與主燃燒器之間壁面區(qū)域氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)近乎為零，而該區(qū)域的H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)又很高，而且溫度也較高，因此該區(qū)域是發(fā)生高溫腐蝕的危險(xiǎn)區(qū)域.以圖4(a)及圖5(a)中工況A前墻X=7 m、沿爐膛高度方向的位置為例，各氣體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況見(jiàn)圖12.

對(duì)比3種工況計(jì)算結(jié)果，H2S均主要分布在SOFA與主燃燒器之間的壁面區(qū)域，而SO2則大多分布在主燃燒器壁面區(qū)域.由于H2S是造成高溫硫腐蝕的主要成分之一，因此SOFA與主燃燒器之間的壁面區(qū)域是發(fā)生高溫腐蝕的高危區(qū)域，應(yīng)該采取措施重點(diǎn)預(yù)防.

(a) 前墻

(b) 后墻

(c) 左側(cè)墻

(d) 右側(cè)墻

(a) 前墻

(b) 后墻

(c) 左側(cè)墻

(d) 右側(cè)墻

單位：%

圖6工況A左側(cè)墻壁面氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Fig.6Calculated O2concentration around left side

wall in condition A

單位：K

圖7工況A左側(cè)墻壁面溫度場(chǎng)

Fig.7Calculated temperature field around left side

wall in condition A

(a) 前墻

(b) 后墻

(c) 左側(cè)墻

(d) 右側(cè)墻

(a) 前墻

(b) 后墻

(c) 左側(cè)墻

(d) 右側(cè)墻

(a) 前墻

(c) 左側(cè)墻

(d) 右側(cè)墻

(a) 前墻

(b) 后墻

(c) 左側(cè)墻

(d) 右側(cè)墻

(a) SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(b) H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(c) 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(d) 煙氣溫度

隨著燃料中硫含量的增大，爐內(nèi)壁面區(qū)域的硫化物氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)亦有所提高，但并不顯著，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫化物氣體所占區(qū)域面積卻明顯增大.不僅在SOFA與主燃燒器之間的壁面區(qū)域高H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)的區(qū)域面積增大，而且在主燃燒器壁面的局部區(qū)域，如主燃燒器中下部壁面區(qū)域也出現(xiàn)了高H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù).

由圖12可以看出，高H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)域的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常低，說(shuō)明在高溫還原性氣氛下，燃料中的硫主要轉(zhuǎn)化生成H2S，而壁面的缺氧易造成高溫腐蝕，這與已有研究結(jié)果相吻合.

3結(jié)論

(1) 在靠近爐膛水冷壁壁面區(qū)域，H2S主要分布在SOFA與主燃燒器之間的壁面區(qū)域，因此該區(qū)域發(fā)生高溫腐蝕的可能性更大.SO2主要分布在主燃燒器壁面區(qū)域.

(2) 隨著燃料中含硫量的增大，水冷壁壁面區(qū)域的硫化物氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所提高，但并不顯著，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫化物氣體所占區(qū)域面積卻明顯增大.

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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

文章編號(hào)：1674-7607(2016)02-0091-08

中圖分類(lèi)號(hào)：TK224.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類(lèi)號(hào)：470.30

作者簡(jiǎn)介：秦明(1963-)，男，江蘇揚(yáng)州人，副教授，博士，研究方向?yàn)槊呵鍧嵢紵c利用.電話(huà)(Tel.)：13654545931；E-mail：qinming7632@163.com．

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐資助項(xiàng)目(2011BAK06B04)

收稿日期：2015-05-18

修訂日期：2015-06-17