貼壁風傾角對水冷壁高溫腐蝕影響研究

武一鳴

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

在節(jié)能減排標準日趨嚴格的今天，貼壁風技術的應用有助于從根本上解決鍋爐水冷壁高溫腐蝕的問題，學術界對其開展了廣泛的研究，研究結果顯示，貼壁風技術是一種提升水冷壁表面氧化氣氛、降低腐蝕的有效辦法。貼壁風的傾角對水冷壁高溫腐蝕的影響較大，相關研究較少，通過Fluent 軟件進行鍋爐水冷壁貼壁風傾角的模擬，分析貼壁風量和傾角對高溫腐蝕的影響，為進一步推廣低氮燃燒改造奠定技術基礎。

1 鍋爐概況

某熱電廠使用日本進口四角切圓鍋爐，爐體結構為單體式，采取自適應通風控制、自動排渣、框梁鋼架斜拉索模式、龍門布局、煤粉膛內(nèi)直吹等技術，鍋爐整體尺寸為56.70 m× 21.46 m×18.61 m，四角切圓直徑1.50 m。燃燒器選擇了日本三菱重工出產(chǎn)的MPM 型垂直吹粉下排渣燃燒器，燃燒器結構如圖1 所示。

圖1 燃燒器結構

圖2 三維網(wǎng)格和橫截面網(wǎng)格

2 物理模型和網(wǎng)格劃分

該燃燒器采用數(shù)字建模后進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形式選擇六面體，整個燃燒器共分為上、中、下3 個部分，網(wǎng)格形式的選擇在綜合考慮計算效率與計算精度基礎上進行，采用擴散系數(shù)進行修正，網(wǎng)格線盡量順應噴煤粉方向進行劃分，降低擴散系數(shù)的大小，中部處于主要燃燒區(qū)域，為進一步提升計算精度，中部采取密集網(wǎng)格劃分，確保該區(qū)域獲得接近真實工況的計算精度。

3 數(shù)學模型與計算工況

3.1 數(shù)學模型

基于熱流體公式計算熱量傳遞，建立k—ε 模型模擬堂內(nèi)氣流運動，按照非預混燃燒模式及相關函數(shù)確定膛內(nèi)燃燒參數(shù)，通過基里連科熱化學方程計算煤粉燃燒熱量的產(chǎn)生，添加焦炭借助于第二熱擴散定律建立模型，煤粉在膛內(nèi)的運動方式按照隨機湍流模型。在軟件中利用后處理中氣體生成量計算模型預測NOx的產(chǎn)生種類和含量，按照燃燒與溫度雙重平衡模式進行多迭代運算，首先在爐膛冷卻狀態(tài)下添入已知參數(shù)求解，根據(jù)計算結果進行爐膛燃燒狀態(tài)下各項數(shù)據(jù)的計算，經(jīng)過多次迭代后，使計算結果收斂。離散方程采取熱平衡與壓力平衡公式進行求解，求解過程引入二階積分因子獲得離散數(shù)據(jù)，確認計算結果收斂的條件為全部數(shù)據(jù)符合第二熱擴散定律為止，既熱傳遞誤差低于10-6。

3.2 計算工況

該鍋爐進行低氮改造后，在爐膛內(nèi)的主要燃燒區(qū)域和還原區(qū)域均出現(xiàn)高溫腐蝕問題，對這些區(qū)域進行進一步改造降低局部高溫。采取的辦法是在高溫區(qū)設置貼壁風裝置，使燃燒層與水冷壁產(chǎn)生一定的間隔，貼壁風噴口為矩形，距離水冷壁表面0.5 m，讓貼壁風可以沿著水冷壁表面吹入爐膛，這時將貼壁風輸送方向與水平面的夾角作為其傾角，貼壁風入射角度如圖3 所示。貼壁風的風源設置為鍋爐自帶的一次送風。

圖3 貼壁風入射角度

4 模擬結果與分析

4.1 模擬結果與試驗結果驗證

為了驗證改造后鍋爐的數(shù)字化建模模擬試驗結果是否正確，在熱電廠進行實際工況測試。距離水冷壁表面1 m 處設置熱電偶傳感器，沿右墻高度方向均勻設置8 個測量點，將測得的數(shù)據(jù)與數(shù)字化建模模擬試驗結果進行比對。模擬試驗結果如圖4、圖5 所示，從圖中可以看出二者誤差低于4%。

圖4 數(shù)字化建模模擬試驗爐膛溫度分布

圖5 真實工況下爐膛溫度測量結果

4.2 速度場分析

兩種工況下爐膛Y=10.37 m 截面處氣流速度分布規(guī)律如圖6 所示。采用鐵壁峰設備后，在一次風的帶動下煤粉進入爐膛可以順利形成切圓，減少了對水冷壁的沖擊，爐膛內(nèi)氣流分布較為對稱，氣流速度分布受貼壁風的影響，高速區(qū)向上偏移，使腐蝕作用降低，對水冷壁起到了一定的保護作用。

圖6 工況0 和工況1 爐膛內(nèi)氣流速度分布規(guī)律

4.3 貼壁氧量

工況0～工況5 的膛內(nèi)水冷壁附近氧氣濃度分布如圖7 所示，貼壁風量的增加有效提高了水冷壁附近氧氣濃度，貼近水冷壁一側的吹風角度優(yōu)化，使爐膛內(nèi)上部與中部區(qū)域的氧氣百分比得到提升，使還原性區(qū)域和主燃燒區(qū)域的高溫腐蝕現(xiàn)象得到了很好的抑制。

圖7 工況0～工況5 貼壁O2 體積分數(shù)分布云圖

4.4 貼壁煙溫

優(yōu)化后貼壁風量增加，爐膛內(nèi)上、中、下3 個區(qū)域的水冷壁表面溫度均呈下降趨勢，爐膛下部區(qū)域溫度降低程度最大，這是因為貼壁風采用鍋爐一次風，溫度遠低于爐膛內(nèi)的溫度，爐膛下部區(qū)域獲得的風量比重最大。

5 結束語

貼壁風的吹入角度和位置是決定貼壁風作用的主要因素。在高硫煤四角切圓鍋爐的水冷壁表面增加貼壁風量，可以有效增強煤粉射流的強度，優(yōu)化爐膛內(nèi)氣流分布。貼壁風量的增加，還能起到降低水冷壁表面溫度的作用，對水冷壁表面發(fā)生高溫腐蝕的現(xiàn)象起到很好的抑制作用，同時貼壁風量的增加進一步減少水冷壁表面腐蝕物的積累，起到保護水冷壁表面的作用。當距離爐膛內(nèi)水冷壁表面最近的貼壁風吹入角度為60°時，爐膛內(nèi)上、中、下3 個區(qū)域的氧氣含量都有所提升，減少水冷壁附近CO 和H2S 等氣體的產(chǎn)生，抑制鍋爐低氮改造后水冷壁表面的高溫腐蝕現(xiàn)象。距離爐膛內(nèi)水冷壁表面最近的貼壁風吹入角度為75°時，貼壁風隨堂內(nèi)氣流擴散，對水冷壁表面高溫腐蝕現(xiàn)象的抑制作用降低。高硫煤四角切圓鍋爐進行低氮燃燒改造后，采取貼壁風技術可以有效改善水冷壁表面的高溫腐蝕，對節(jié)能減排與生態(tài)環(huán)保具有積極作用。