一次风反切减轻高温腐蚀数值模拟研究

向 上，向贤兵

（重庆电力高等专科学校动力系，重庆 400053）

0 前言

受热面腐蚀是引起锅炉“四管”爆漏的主要原因之一。对于燃煤电站锅炉的高温腐蚀问题，长期以来，国内外进行了大量的试验研究工作，并普遍认为，高温腐蚀主要是煤中硫和氯的腐蚀行为:硫主要是以硫酸盐为主要成分的熔盐腐蚀和H2S及硫氧化物造成的气态腐蚀，氯主要是以HCl造成的气态腐蚀。在煤粉锅炉中，高温腐蚀主要有三种:硫酸盐型、氯化物型和硫化物型［1-4］。硫酸盐型腐蚀主要发生在高温受热面上，如锅炉的过热器和再热器上;氯化物型腐蚀主要发生在小型锅炉的过热器上和大型锅炉燃烧器区域的水冷壁上;硫化物型腐蚀大多发生在炉膛水冷壁上。

在锅炉燃烧方面有多种方法可避免高温腐蚀的发生，其中心思想是防止水冷壁附近产生还原性气氛。采用一次风反切技术，可在炉内形成风包粉的燃烧工况，防止煤粉气流贴壁，改善水冷壁附近的还原性气氛。本文针对某四角切圆燃烧锅炉的实际情况，进行了一次风反切的数值模拟研究。

1 网格划分

某发电厂锅炉是由哈尔滨锅炉厂设计制造的自然循环汽包炉，设计燃料为贫煤。锅炉采用四角切圆燃烧，每角燃烧器分成上下两组，共有4层一次风喷口和6层二次风喷口，一、二次风间隔布置，燃烧器上层是两层三次风喷口。四角燃烧器在炉膛中心形成φ700和φ500两个假想切圆。

该炉投入运行后，在其后几年的大、小修中均发现水冷壁高温腐蚀现象。腐蚀严重区域在燃烧器出口气流下游水冷壁上，标高为燃烧器区的中上部，估算腐蚀速度约1.5～3mm/104h。在某次小修中，为提高低负荷稳燃性能，对燃烧设备进行了改造，将燃烧器底部A、B两层一次风燃烧器改为双通道煤粉燃烧器。设备改造后锅炉运行约半年时间，再次检查发现高温腐蚀区域发生变化，腐蚀最严重区域的标高降至底层燃烧器处，腐蚀速度有所加快。

由于燃烧过程在炉膛内进行，炉膛出口区域，燃烧过程已经结束。所以本文的计算区域，以炉膛出口为边界，即折焰角区域，采用分块结构化六面体网格。因为燃烧器区域的流动、传热及化学反应比较复杂，故对该区域的网格进行了加密，对炉膛出口部分的网格可划得疏一点。取炉膛深度方向为X方向，炉膛宽度方向为Y方向，炉膛高度方向为Z方向。总网格数为1059084，交界面和边界条件总数为3747。网格划分如图1所示。

图1 网格划分

2 数学模型

本文综合考虑各模型，选择了K－ε双方程模型作为紊流气相流动模型，气固两相流动采用拉格朗日随机颗粒轨道模型，挥发分析出采用双方程模型，焦炭燃烧采用扩散动力模型，辐射传热采用P－1辐射模型。

微分方程的通用形式为:

式中:φ代表待求解的变量(如u、v等)。上式左边为非稳定项与对流项，右边为扩散项、源项、气固两项流相互作用产生的颗粒源项。

3 计算结果分析

3.1 原始工况计算结果

针对现运行工况，燃烧数值模拟结果如图2所示。

图2 原始工况计算结果

从图2中可以看出，壁面区域的温度较高，气流有一定的贴墙现象，造成锅炉运行时高温腐蚀较严重。

3.2 不同一次风反切角温度分布

对于不同一次风反切角度的工况进行了数值的模拟。温度分布如图3所示，其中Z为炉膛高度方向位置。反切后炉膛温度分布较合理，壁面区域温度较低。在不同的反切角度下，壁面区域温度有区别。反切角度较大时，壁面区域温度相对较高，说明烟气相对偏向墙壁区域，有腐蚀的危险。

图3 Z=17.8时温度场分布图

因此在锅炉运行中应注意以下问题:

(1)控制炉内局部火炬最高温度及热流密度，特别是在燃烧器区域附近的火焰中心处。

(2)降低炉膛出口烟气扭转残余、烟温偏差以及过热蒸汽流量分布偏差，以避免出现局部地区壁温过高的现象。

(3)避免因热流密度分布不均引起水冷壁内部结垢不均而使壁温超温。

3.3 不同一次风反切角速度分布

不同一次风反切角度时速度分布如图4所示:

图4 Z=17.8时的速度矢量分布图

计算结果表明，采用反切前后炉内局部流动过程发生了明显的变化，但炉内总体流动并没有受到破坏。原始工况下各层燃烧器均按逆时针方向射入炉内，在炉内形成了十分强烈的切圆旋转流动;采用不同角度反切后各层射流切圆均有不同程度的减小，贴壁风速明显降低，同时最大切向速度也有所降低;采用反切后一次风射流以逆向射入角射入炉内，其开始的运动方向与主气流切圆旋转方向相反，因而受到迎面主气流的阻滞和扰动，其射流速度迅速衰减，停留时间大大延长，随后在主气流的作用下又转向于主气流的方向做切圆运动。计算结果还表明，采用大的反切角即可使炉内切圆直径明显缩小。

3.4 不同一次风反切角O2浓度分布

不同一次风反切角度时O2浓度分布如图5所示。

图5 Z=17.8时O2的摩尔浓度场分布图

采用一次风反切后，壁面区域氧浓度较高，形成氧化性气氛，会减轻高温腐蚀。

3.5 不同一次风反切角CO浓度分布

不同一次风反切角度时CO浓度分布如图6所示。

图6 Z=17.8时CO的摩尔浓度场分布图

分析图6发现，反切角度较大时，炉墙附近还原性气氛较强，相对易产生高温腐蚀。

4 结论

采用一次风不同角度反切后，各层射流切圆均有不同程度的减小，贴壁风速明显降低，同时最大切向速度也有所降低;大量煤粉颗粒被分离在靠近炉膛中心的区域，实现“风包煤”的燃烧方式，可防止炉膛水冷壁高温腐蚀。同时因主气流切圆旋转动量矩的减弱，可减轻炉膛出口烟气残余旋转引起的烟温偏差。

［1］ 岑可法，樊建人，池作和.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理和计算［M］.北京，科学出版社，1994.

［2］ Bryers R W.The Physical and Chemical Characteristic of Pyrites and Their Influence on Fireside Problems in Steam Generators.Journal of Engineering for Power，1976，(4).

［3］ Miltner A，Beckmann G，Friedl A.Preventing the Chlorine-induced High Temperature Corrosion in Power Boilers without Loss of Electrical Efficiency in Steam Cycles［J］.Applied Thermal Engineering，2006，(16).

［4］ Hernas A，Imosa M，Formanek B，et al.High-temperature Chlorine–sulfur Corrosion of Heat-resisting Steels［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，(11).