350 MW對(duì)沖燃燒鍋爐側(cè)墻高溫腐蝕研究與優(yōu)化措施分析

楊章寧 王杜佳 冉燊銘 李曼麗

（清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731）

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的逐步提高，國(guó)內(nèi)大型煤粉鍋爐均采用了低氮燃燒技術(shù)，其中空氣深度分級(jí)是普遍應(yīng)用的一種技術(shù)[1][6]，空氣深度分級(jí)后爐膛內(nèi)的燃燒過(guò)程大致被分為燃燒區(qū)、還原區(qū)、燃盡區(qū)，在燃燒區(qū)和還原區(qū)處于缺氧燃燒狀況，經(jīng)常出現(xiàn)爐膛兩側(cè)墻高溫腐蝕和結(jié)焦等現(xiàn)象[2]，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的安全性和可用率。

研究表明，采用空氣分級(jí)燃燒后會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛燃燒區(qū)域過(guò)量空氣系數(shù)不足，還原性氣氛增強(qiáng)[3][10]，而爐膛兩側(cè)墻高溫腐蝕和結(jié)焦的強(qiáng)度受到側(cè)墻還原性氣氛濃度、管壁溫度和腐蝕性氣體H2S 等的影響[4]，因此降低爐膛兩側(cè)墻還原性氣氛濃度可以防止側(cè)墻的高溫腐蝕和結(jié)焦現(xiàn)象。目前為控制爐膛側(cè)墻區(qū)域還原性氣氛，常在側(cè)墻區(qū)域送入一股貼壁風(fēng)以補(bǔ)充側(cè)墻區(qū)域的氧量[5]，降低還原性氣氛，但是常規(guī)的貼壁風(fēng)送入并不能徹底改變側(cè)墻的強(qiáng)還原性氣氛環(huán)境，高溫腐蝕和結(jié)焦現(xiàn)象雖然得到緩解但仍然經(jīng)常發(fā)生[7]。

該文對(duì)某350 MW 機(jī)組鍋爐進(jìn)行了全爐膛的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了爐膛內(nèi)存在向兩側(cè)墻擴(kuò)散流動(dòng)的漩渦氣流，該漩渦氣流流動(dòng)會(huì)將爐膛中部的煤粉氣流遷移至爐膛兩側(cè)墻區(qū)域，最終會(huì)提高兩側(cè)墻區(qū)域的煤粉顆粒濃度和CO 濃度，使得爐膛兩側(cè)墻氧量降低，最終導(dǎo)致側(cè)墻區(qū)域出現(xiàn)高溫腐蝕和結(jié)焦等現(xiàn)象。

該文分析了爐膛內(nèi)向兩側(cè)墻流動(dòng)的漩渦氣流的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)爐膛內(nèi)兩側(cè)墻區(qū)域氣流上升阻力小而爐膛中部煤粉氣流上升阻力大是爐膛內(nèi)煤粉流向兩側(cè)墻區(qū)域的根本原因，針對(duì)該漩渦氣流流動(dòng)機(jī)理提出了一種改進(jìn)的前后墻貼壁風(fēng)結(jié)合側(cè)墻貼壁風(fēng)綜合技術(shù)，一方面可有效地提高側(cè)墻區(qū)域的氣流上升阻力，抑制爐膛內(nèi)的煤粉氣流向兩側(cè)遷移流動(dòng)，另外還可以有效控制爐膛兩側(cè)墻的還原性氣氛環(huán)境，提高側(cè)墻氧量，降低兩側(cè)墻的H2S濃度和煤粉顆粒濃度，有效避免爐膛兩側(cè)墻高溫腐蝕和結(jié)焦。

1 側(cè)墻高溫腐蝕形成原因數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析研究

1.1 研究對(duì)象

該次研究對(duì)象為350 MW 超臨界對(duì)沖燃煤鍋爐，參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐、單爐膛、一次中間再熱、前后墻對(duì)沖燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、前煤倉(cāng)布置、緊身封閉、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)π 型鍋爐。

燃燒設(shè)備采用前后墻對(duì)沖燃燒方式的旋流煤粉燃燒器，總共20 只旋流煤粉燃燒器分前墻3 層后墻2 層布置，每層4只旋流煤粉燃燒器。前、后墻旋流煤粉燃燒器的上方各布置2 層燃盡風(fēng)，每層4 只燃盡風(fēng)（AAP）噴口，并在前、后墻各布置有2 只側(cè)燃盡風(fēng)（SAP）噴口。前墻下層燃燒器安裝微油點(diǎn)火系統(tǒng)。

燃燒用煙煤，煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。

表1 煤的元素分析和工業(yè)分析

1.2 模型建立

按照鍋爐實(shí)際尺寸建立爐膛的三維模型，全爐膛模型如圖1 所示。全爐膛采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，并對(duì)燃燒器區(qū)域和燃盡風(fēng)區(qū)域進(jìn)行局部加密，以提高計(jì)算精度。

圖1 爐膛模型圖

1.3 計(jì)算方法

采用SIMPLE 算法對(duì)壓力-速度耦合進(jìn)行求解，采用標(biāo)準(zhǔn)離散方式求解壓力，組分、速度、動(dòng)量等的求解采用二階迎風(fēng)方式。非預(yù)混燃燒模型模擬煤粉氣流燃燒，氣相湍流燃燒采用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)PDF 模型。煤粉燃燒過(guò)程中各相輻射傳熱采用P1 輻射模型進(jìn)行計(jì)算[8]，并用DPM 模型追蹤顆粒軌跡。

在焦炭反應(yīng)模型改進(jìn)方面，與合作單位清華大學(xué)在Fluent 缺省的焦炭燃燒反應(yīng)/擴(kuò)散聯(lián)合控制模型的基礎(chǔ)上加入了對(duì)高溫?zé)崾Щ瞵F(xiàn)象、灰分抑制作用的定量描述，同時(shí)考慮焦炭氣化反應(yīng)，建立了一個(gè)新的焦炭燃燒模型并通過(guò)編寫(xiě)UDF 的方式在Fluent 平臺(tái)上予以實(shí)現(xiàn)。與Fluent 中缺省的聯(lián)合控制模型相比，新的焦炭燃燒模型可以在整個(gè)燃燒過(guò)程中準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焦炭轉(zhuǎn)化率[9]。

1.4 計(jì)算結(jié)果與分析

1.4.1 對(duì)沖爐漩渦氣流現(xiàn)象及形成機(jī)理分析

目前對(duì)于爐膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流的研究主要集中在四角切圓燃燒鍋爐，而對(duì)于對(duì)沖燃燒鍋爐，普遍認(rèn)為其爐膛內(nèi)氣流為垂直上升氣流，不存在類似于四角切圓鍋爐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，因此對(duì)于對(duì)沖爐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流的研究尚未見(jiàn)有相關(guān)研究文獻(xiàn)報(bào)道。

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的發(fā)展，大學(xué)生學(xué)習(xí)行為呈現(xiàn)個(gè)性化、碎片化、泛在化等特征，移動(dòng)學(xué)習(xí)所占比例增長(zhǎng)顯著。調(diào)查主要針對(duì)大學(xué)生移動(dòng)學(xué)習(xí)現(xiàn)狀、滿意度及學(xué)習(xí)效果影響因素，以期提出改善策略。

該文通過(guò)對(duì)某電廠350 MW 超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)沖爐內(nèi)也存在旋轉(zhuǎn)上升氣流，主要分布在爐膛4 個(gè)角部的側(cè)墻燃燒器區(qū)域。模擬計(jì)算燃燒器煤粉氣流一次風(fēng)軌跡如圖2 和圖3 所示。

從圖2 和圖3 可見(jiàn)，側(cè)墻燃燒器氣流首先流向爐膛兩側(cè)墻位置，當(dāng)氣流旋轉(zhuǎn)至爐膛兩側(cè)墻位置以后，再沿兩側(cè)墻移動(dòng)至爐膛前后墻區(qū)域，在爐膛4 個(gè)角部形成4 個(gè)漩渦流動(dòng)。

對(duì)沖燃燒布置方式為鍋爐的爐膛內(nèi)燃燒器和燃盡風(fēng)噴口均為對(duì)沖布置，因此從噴口進(jìn)入的氣流在水平射流過(guò)程中并不會(huì)像切圓燃燒一樣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。根據(jù)圖3 可知，一次風(fēng)氣流向兩側(cè)墻的擴(kuò)散流動(dòng)主要發(fā)生在氣流上升流動(dòng)過(guò)程中，因此爐膛內(nèi)氣流在上升流動(dòng)過(guò)程中必然存在高度方向的阻力不均衡或者爐膛寬度方向的水平受力不均衡，使氣流偏向側(cè)墻流動(dòng)。

圖2 一次風(fēng)煤粉氣流軌跡（爐前正視圖）

圖3 一次風(fēng)煤粉氣流軌跡（爐頂俯視圖）

為了分析上升氣流的阻力，將爐膛內(nèi)流動(dòng)的氣流簡(jiǎn)化為2 個(gè)方向的流動(dòng)，如圖4 所示，一個(gè)為爐膛下部的上升氣流，其速度為高度方向的速度Vy，另一個(gè)為爐膛內(nèi)燃燒器或者燃盡風(fēng)噴口出口的水平射流，其速度為水平方向的速度Vx，當(dāng)上升氣流接觸水平射流氣體時(shí)，存在一個(gè)高度方向的相對(duì)速度，因此必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高度方向的相對(duì)作用力F+y 和F-y，其中F+y 為下部上升氣流對(duì)上部氣流的上升推力，而F-y 為上部氣流對(duì)下部氣流的上升阻力。

圖4 上升氣流受力分析

爐膛中部區(qū)域布置了大量的燃燒器和燃盡風(fēng)噴口，其水平射流必然會(huì)對(duì)下部上升氣流產(chǎn)生高度方向的阻力，而爐膛兩側(cè)墻在未布置側(cè)墻燃盡風(fēng)的情況下，不會(huì)由于水平射流產(chǎn)生流動(dòng)阻力，因此上升氣流就會(huì)因阻力偏差向兩側(cè)墻流動(dòng)，最終形成爐膛內(nèi)4 個(gè)角部的旋轉(zhuǎn)上升氣流。

1.4.2 漩渦氣流對(duì)側(cè)墻區(qū)域氣氛環(huán)境的影響

煤粉爐燃燒的煤粉顆粒尺寸較小，顆粒跟隨性也較好，因此會(huì)在漩渦氣流的作用下向兩側(cè)墻流動(dòng)，并因和壁面的撞擊等作用在側(cè)墻區(qū)域聚集，使得側(cè)墻區(qū)域煤粉濃度升高。

圖5 一次風(fēng)煤粉氣流軌跡（爐右側(cè)視圖）

從圖5 中可見(jiàn)，燃燒器一次風(fēng)煤粉射流在上升階段受阻力偏差影響開(kāi)始向側(cè)墻傾斜，而上層燃燒器區(qū)域爐膛內(nèi)氣流上升速度更高，因此上層燃燒器煤粉射流最快開(kāi)始上升流動(dòng)，并在高度方向不均衡的阻力影響下偏向側(cè)墻流動(dòng)，使?fàn)t膛上部燃燒器區(qū)域煤粉氣流對(duì)側(cè)墻的覆蓋更寬，如引起腐蝕，面積也更大；而下部燃燒器煤粉氣流水平射流長(zhǎng)，因此下部燃燒器煤粉氣流對(duì)側(cè)墻的覆蓋區(qū)域小。

2 措施分析及優(yōu)化

爐膛內(nèi)氣流上升阻力的不均衡導(dǎo)致了爐膛內(nèi)的氣流向兩側(cè)墻流動(dòng)，并最終形成對(duì)沖爐內(nèi)的漩渦氣流，因此增加爐膛內(nèi)兩側(cè)區(qū)域氣流上升流動(dòng)的阻力，是抑制爐膛內(nèi)部氣流偏向兩側(cè)墻流動(dòng)的最直接的方法，合理地布置貼壁風(fēng)射流可以增加側(cè)墻區(qū)域的上升流動(dòng)阻力及側(cè)墻氧量。

合理地布置貼壁風(fēng)射流方向可以增加側(cè)墻區(qū)域的上升流動(dòng)阻力，如果將貼壁風(fēng)下噴，就可以明顯地抑制側(cè)墻區(qū)域的上升流動(dòng)。

針對(duì)某350 MW對(duì)沖燃燒鍋爐燃燒設(shè)備布置特點(diǎn)，提出前后墻貼壁風(fēng)結(jié)合側(cè)墻貼壁風(fēng)綜合技術(shù)，為了對(duì)比不同貼壁風(fēng)方案對(duì)控制爐膛兩側(cè)墻煤粉濃度和氧濃度的效果，將表2 各工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對(duì)比每個(gè)工況側(cè)墻區(qū)域各截面煤粉顆粒濃度和氧濃度的變化。

表2 數(shù)值模擬計(jì)算工況匯總表

分析顯示，前后墻貼壁風(fēng)可有效抑制煤粉顆粒向側(cè)墻移動(dòng)，在相同貼壁風(fēng)風(fēng)率下，前后墻貼壁布置12 只噴口抑制煤粉顆粒向側(cè)墻移動(dòng)的效果比16 只好，主要是由于單只噴口動(dòng)量大，能夠更好地消弱側(cè)墻渦流；側(cè)墻布置有貼壁風(fēng)噴口的周圍，有效地補(bǔ)充了側(cè)墻壁面氧量水平，有效地改善了側(cè)墻還原性氣氛。

3 工程應(yīng)用

3.1 實(shí)施方案

該次優(yōu)化技術(shù)在某350 MW 超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐上實(shí)施應(yīng)用，貼壁風(fēng)布置主要特點(diǎn)為前后墻分3 層布置12 只貼壁風(fēng)噴口，側(cè)墻布置1 層4 只貼壁風(fēng)噴口。

3.2 測(cè)試工況

該次貼壁風(fēng)改造在側(cè)墻水冷壁鰭片上開(kāi)孔引出測(cè)點(diǎn)，開(kāi)孔標(biāo)高位置在前后墻貼壁風(fēng)噴口標(biāo)高處，沿鍋爐中心線向前后墻各布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)試改造后燃燒區(qū)域避免氣氛。

該次試驗(yàn)主要研究在不同的貼壁風(fēng)擋板開(kāi)度下，側(cè)墻的氧量及CO 情況，以便確定最佳的貼壁風(fēng)擋板開(kāi)度組合。

由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，該次工況測(cè)量做了一些精簡(jiǎn)，各測(cè)量工況說(shuō)明如下：工況1、工況2 對(duì)各層測(cè)量孔都進(jìn)行了測(cè)試；工況3、工況4 主要目的是研究側(cè)墻貼壁風(fēng)效果，僅對(duì)第一層、第二層測(cè)量孔進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)表3。

表3 工況匯總表

3.3 測(cè)試結(jié)果

側(cè)墻O2、H2S、CO 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 測(cè)試結(jié)果匯總表

測(cè)試結(jié)果顯示，側(cè)墻整體氧量達(dá)到3%以上，布置有側(cè)墻貼壁風(fēng)周圍H2S 濃度基本為0 ppm。

4 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)350 MW 對(duì)沖爐全爐膛的數(shù)值模擬研究及工程應(yīng)用，獲得以下結(jié)論。1）對(duì)沖爐爐內(nèi)氣流上升阻力的不均衡促進(jìn)了爐膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)上升氣流的形成，改變側(cè)墻區(qū)域的貼壁風(fēng)設(shè)置可以控制側(cè)墻區(qū)域的氣流上升阻力，消弱對(duì)沖爐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)上升氣流。2）由于爐膛高度方向氣流上升速度的差異，對(duì)沖爐內(nèi)上層燃燒器煤粉射流最早開(kāi)始偏向側(cè)墻流動(dòng)，使?fàn)t膛上部燃燒器區(qū)域煤粉氣流對(duì)側(cè)墻的旋流沖刷范圍更寬，而下部燃燒器煤粉氣流水平射流長(zhǎng)，其煤粉氣流對(duì)側(cè)墻的旋流沖刷覆蓋區(qū)域小，最終會(huì)在側(cè)墻區(qū)域形成倒三角形分布特性的高煤粉濃度區(qū)域，還原性氣氛增強(qiáng)，導(dǎo)致側(cè)墻還原區(qū)區(qū)域高溫腐蝕、結(jié)焦嚴(yán)重。3）前后墻貼壁風(fēng)結(jié)合側(cè)墻貼壁風(fēng)技術(shù)一方面可有效提高側(cè)墻區(qū)域的氣流上升阻力，抑制爐膛內(nèi)的煤粉氣流向兩側(cè)遷移流動(dòng)，另外還可以有效控制爐膛兩側(cè)墻的還原性氣氛環(huán)境，降低兩側(cè)墻的H2S 濃度和煤粉顆粒濃度，有效避免爐膛兩側(cè)墻高溫腐蝕和結(jié)焦。