对冲旋流燃烧锅炉炉膛壁面氛围数值模拟分析

徐国群，陈国庆

(1.江苏省国信资产管理集团有限公司，江苏 南京 210005；2.国电科学技术研究院，江苏 南京 210023)

对冲旋流燃烧锅炉炉膛壁面氛围数值模拟分析

徐国群1，陈国庆2

(1.江苏省国信资产管理集团有限公司，江苏 南京 210005；2.国电科学技术研究院，江苏 南京 210023)

以某660MW超临界前后墙对冲旋流燃烧锅炉为研究对象，采用数值模拟方法分析了不同负荷、氧量、燃尽风开度、燃烧器旋流强度下炉膛壁面氛围的分布特征。数值模拟结果表明：对冲旋流燃烧锅炉主燃区和还原区两侧墙壁面氛围为还原性气氛，前后墙壁面氛围为氧化性气氛。锅炉负荷越高，主燃区和还原区侧墙近壁氧量越低，还原性气氛越强。燃尽风风率越大，主燃区和还原区侧墙近壁区CO和H2浓度越高，O2浓度越低，还原性气氛增强，且强还原性气氛区域向侧墙靠近前后墙区域扩展。燃烧器外二次风开度对侧墙壁面氛围影响不明显。

高温腐蚀；旋流燃烧；壁面气氛；低氮燃烧

0 引言

作为电站锅炉三大主要燃烧方式之一的前后墙对冲旋流燃烧锅炉，因燃烧设备和受热面布置方面的优势，成为国内超临界和超超临界锅炉主要采用的燃烧方式之一，在国内在役火电机组中占有很大的份额。为了实现高效、经济、环保运行，该类炉型通常采用空气分级燃烧+低氮燃烧器的方式控制NOx排放[1-3]。

采用低氮燃烧技术所形成的炉内强还原区虽可降低NOx的排放，但给锅炉的安全运行带来一些列问题。首先，还原区气体中含有大量强腐蚀性气体，如H2S。该气体在一定条件下极易破坏水冷壁表面的氧化铁保护膜，从而导致水冷壁出现严重的硫化物型高温腐蚀[4-5]。其次，炉内还原性气氛增强，煤的灰熔融温度也将大幅度降低，这不仅会造成该区域水冷壁严重结渣，而且还会加速受热面的高温腐蚀。随着NOx排放要求的日益提高，为了进一步降低NOx排量，往往选择增强空气分级的程度，降低主燃区和还原区氧量，加大燃尽风的比例，该做法使得水冷壁高温腐蚀问题更加突出。水冷壁发生高温腐蚀后，壁厚减薄，强度降低，极易发生爆管，造成机组非停，已成为困扰我国大型燃煤电站锅炉特别是对冲旋流燃烧锅炉采用低氮燃烧技术后的痼疾[6]。

针对对冲旋流燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀，国内外研究者进行了相关研究。邓念念等[7]研究了对冲旋流燃烧锅炉炉内燃烧过程，重点分析了壁面区域温度场对水冷壁结渣的影响。李敏等[8]分析了对冲燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀的成因，提出了贴壁风技术方案。陈敏生[9]、陈天杰等[10]、袁伟中[11]、姚露[12]等人采用数值模拟方法优化了对冲旋流燃烧锅炉贴壁风布置方案，并分析了贴壁风对炉内燃烧特性的影响。关键[13]等人采用试验方法获得了燃烧器配风方式对300MW对冲旋流燃烧锅炉锅炉侧墙贴壁还原性气氛的影响规律。本文作者合作者采用试验的方法在660MW对冲旋流燃烧锅炉上研究了运行条件对炉膛水冷壁近壁区烟气组分分布的影响[14]。从上述研究可知，针对对冲旋流燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀问题，国内学者从试验调整、数值模拟到贴壁风技术改造已进行了相关的研究。由于试验测点布置受限，试验方法只能有代表地测量水冷壁近壁区气氛，无法表征整个壁面气氛的分布情况，而已公开的数值模拟研究仅关注炉膛近壁区烟气温度、流场，对于炉膛近壁区烟气气氛的数值模拟研究相对较少。

笔者以某电厂660MW超临界对冲旋流燃烧锅炉为研究对象，采用数值模拟的方法，考察了机组负荷、运行氧量、燃尽风(OFA)开度以及燃烧器内外二次风配风方式等燃烧调整手段对水冷壁近壁区烟气气氛分布特性的影响，以期为对冲旋流燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀防治提供参考。

1 研究对象

本文研究对象为某电厂660MW超临界前后墙对冲旋流燃烧锅炉。该锅炉采用一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢构架悬吊结构、尾部双烟道。炉膛断面尺寸为22162mm宽、15457mm深。燃烧器为DBC-OPPC型低NOx燃烧器，采用前后墙对冲布置，共36只，前墙18只，后墙18只，各分3层布置，每层6只，各层间距为4526mm，列间距为3048mm，最外侧燃烧器中心线与侧墙距离为3461mm。在前后墙距离最上层燃烧器中心线5980mm处布置一层OFA喷口，每层8只，其中2只侧OFA喷口位置略低于6只OFA喷口。每层风箱入口处均设置挡板门用以调整风箱进风量，风箱入口挡板门由气动执行器调节。炉膛四周为全焊膜式水冷壁，由下部螺旋盘绕上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁2种结构组成。制粉系统为正压直吹式，配备6台中速磨煤机。

2 数学模型与计算方法

2.1 数学模型

采用带旋流修正的Realizable k-ε双方程湍流模型模拟气相湍流流动，并结合标准壁面函数将壁面上的物理量与炉内湍流核心区的物理量联系起来对壁面区的流场进行计算。采用颗粒随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动；采用半隐格式压力关联方程(SIMPLE)算法求解离散方程组的压力和速度的耦合。挥发分的热解采用双方程平行反应模型。焦炭燃烧则采用动力/扩散控制反应速率模型。炉内辐射换热计算采用P-1辐射模型。

2.2 网格划分

根据燃烧器与炉膛实际物理结构尺寸及特点建立数值模拟计算的几何模型和网格，见图1。

图1 炉膛结构简图及网格

2.3 计算工况

计算了不同负荷、燃尽风开度、燃烧器喷口旋流强度、运行氧量下炉内的燃烧过程，重点分析了侧墙近壁区烟气气氛。燃烧器和燃尽风入口边界条件是根据锅炉运行数据，依据煤质情况和运行氧量计算确定的，炉膛出口为压力出口，设定值为-100Pa。不同负荷下，一、二次风的风温、风率、运行氧量及燃尽风开度是根据锅炉实际运行数据结合设计数据确定的。本文计算采用的煤质数据见下表1，计算工况的条件见表2。

表1 煤质情况

煤种工业分析w(Aar)w(Mt)w(Vadf)Qnet，ar/(MJ·kg-1)设计煤质35．47．7028．718．52试验煤质37．95．1021．518．09煤种元素分析w(Car)w(Har)w(Oar)w(Nar)w(Sar)设计煤质47．62．841．690．654．50试验煤质46．32．961．160．675．90

表2 计算工况

工况编号机组负荷/MW运行氧量/%燃尽风开度/%外二次风开度/°备注A13304．8510055运行工况A25003．510055运行工况A36602．5810055运行工况A45003．55055运行工况A55003．5055非运行工况A66603．010055运行工况A76603．810055运行工况A86603．010035运行工况A96603．010045运行工况

3 结果与分析

3.1 不同负荷下炉膛壁面氛围分布

图2给出了不同负荷下侧墙近壁区O2、CO和H2体积分数分布。从图中可知，330MW负荷下侧墙近壁区O2体积分数均大于0.03，CO和H2体积分数基本全部为0，此负荷下侧墙近壁区为强氧化性气氛，水冷壁不存在高温腐蚀的风险。

500MW负荷下，侧墙近壁区O2体积分数发生了很大的变化，以燃尽风喷口为分界线，下部区域(主燃区和还原区)O2体积分数较低，绝大部分区域O2体积分数为0，只由靠近前后墙的区域，受到两侧燃烧器的影响，O2体积分数相对较高。图中可知该区域CO和H2浓度分布沿着侧墙宽度方向上呈中间高，两侧低的特点。对比O2、CO和H2体积分数分布可以发现，该区域O2体积分数虽然非常低，但是CO和H2体积分布并不高，特别是侧墙靠近前后墙的区域，H2和CO基本为0，由此可知，煤粉颗粒热解产生的还原性气体H2、CO及CxHy在到达壁面之前已燃尽，耗尽了空气中的O2，并没有产生导致高温腐蚀的H2S和[S]，依据可以推测发生高温腐蚀的区域仅主燃区侧墙中心区域和还原区侧墙。分析500MW负荷下燃尽风喷口以上区域可以发现，O2体积分数均高于0.03，且随着炉膛高度的增高逐渐降低，在水平烟道处O2体积分数仍有0.04，过量空气系数1.20左右。此区域的CO和H2体积分数基本为0，水冷壁不存在高温腐蚀的风险。

660MW负荷下O2体积分数分布与500MW工况基本相同，不同的是O2体积分数为0区域的范围扩大，炉膛出口氧量降低，CO和H2体积分数显著提高，CO体积分数均高于1%，最高达到8%，H2体积浓度均高于0.006，最高至达到0.02。

图2 不同负荷下侧墙近壁区烟气气氛分布

比较不同负荷下侧墙近壁区CO、O2和H2体积分数分布可知，在低负荷条件下，由于燃尽风风率低、运行氧量高，侧墙近壁区为强氧化性气氛，不存在CO、H2等还原性气体，水冷壁不会发生高温腐蚀。随着负荷的增加，空气分级加强，运行氧量降低，侧墙近壁区O2体积分数降低。随着负荷的进一步升高，侧墙近壁区还原性气氛逐渐增强，水冷壁存在高温腐蚀风险的区域逐渐扩大。对比不同负荷下水冷壁近壁区还原性气氛的分布可知，高温腐蚀主要发生在高负荷条件下。

3.2 燃尽风风率的影响

图3给出了500MW负荷下燃尽风风率对侧墙近壁区烟气气氛的影响。

图3 燃尽风风率对侧墙近壁区烟气气氛的影响

从图3可知，当燃尽风风率为0%时，即关闭所有燃尽风风门时，侧墙近壁区O2体积分数均高于0.01，CO和H2的体积分数基本为0，侧墙近壁区为氧化性气氛。当燃尽风风率为12.5%时，侧墙近壁区局部O2体积分数显著降低，CO和H2浓度显著升高。侧墙近壁区烟气气氛中间区域呈还原性气氛，向两侧还原性气氛逐渐减弱，在靠近前后墙区域为氧化性气氛。当燃尽风风率为25%时，主燃区和还原区侧墙近壁区O2体积分数进一步降低，除了侧墙中心区域的O2体积分数为0外，靠近前后墙区域的O2体积分数也显著降低，O2整个主燃区和还原的侧墙氧量基本为零。

比较三个工况下侧墙近壁区O2、CO和H2体积分数的变化可知，随着燃尽风风率的升高，侧墙近壁区O2体积分数逐渐降低，CO和H2体积分数升高，在燃尽风风率为0%时，两侧墙基本不会发生高温腐蚀，随着燃尽风风率的增加，高温腐蚀的区域增大，还原性气氛的浓度升高，腐蚀的速率增大，这与文献[12]500MW条件下试验所得的结论一致。

3.3 运行氧量对炉膛近壁区烟气气氛分布影响

分析运行氧量对侧墙水冷壁近壁区O2和CO浓度分布的影响，结果发现炉膛出口氧量由2.6%增加到3.8%侧墙水冷壁近壁区的氧量分布和CO分布并没有实质性的变化。这是由于采用空气分级燃烧后，即使整体运行氧量增加，但是主燃区的过量空气系数仍低于1，主燃区和还原区仍处于缺氧状态，因此，近壁区的氧量仍较低，仍存在高温腐蚀的风险。当把主燃区的过量空气系数提高到1以上，侧墙水冷壁近壁区的氧量显著提高。

3.4 燃烧器外二次风旋流强度的影响

图4给出了不同外二次风叶片角度下侧墙近壁区O2、CO和H2体积分数的分布。改变外二次风叶片角度，对侧墙中心区域的CO和H2体积分数的影响并不明显，结合O2浓度的分布可以断定，改变外二次风旋流强度对侧墙水冷壁近壁区烟气气氛的影响并不明显，这与文献[12]试验所得的结论一致。

4 结语

(1)对冲旋流燃烧锅炉主燃区和还原区两侧墙水冷壁近壁区为强还原性气氛区域，存在高温腐蚀的风险；前后墙水冷壁近壁区氧含量较高，为氧化性气氛区域，不存在高温腐蚀的风险。

图4 外二次风叶片角度对侧墙近壁烟气气氛的影响

(2)锅炉负荷越高，主燃区和还原区侧墙水冷壁近壁区氧量越低，还原性气氛越强，高温腐蚀风险越大。比较不同负荷下水冷壁近壁区氧量和还原性气体浓度的变化规律可知，高温腐蚀主要发生在高负荷条件下。

(3)在500MW负荷下将燃尽风全关，侧墙水冷壁近壁区氧量显著升高，CO浓度基本为0，侧墙不存在高温腐蚀的风险。随着OFA风率的增加，侧墙近壁区CO浓度升高、O2浓度降低，高温腐蚀风险增大，当OFA风率大于12.5%时，侧墙水冷壁中心区域存在高温腐蚀的风险，当燃尽风风率大于25%，腐蚀区域向侧墙靠近前后墙区域扩展。

(4)燃烧器外二次风开度对侧墙水冷壁近壁区烟气组分的影响并不明显，通过调整燃烧器配风并不能解决侧墙水冷壁高温腐蚀问题。

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Numerical simulation analysis of wall atmosphere in front and rear wall opposed coal-fire boiler

Takinga660MWsupercriticalopposedfiringboilerasanobjectofstudy,thenumericalsimulationswereconductedtostudythedistributionofthefuelgasatmosphereclosetothefurnacewallsunderdifferentoperationconditions,suchasunitloads,operationoxygenvolume,overfireairvolumeandthesecondaryairrotationintensity.Numericalsimulationsresultsshowthatthewallatmosphereclosetothesidewallsofthefurnaceisreducing,butthewallatmosphereclosetothefrontandbackwallsofthefurnaceisoxidizingintheprimarycombustionzoneandreductionzone.Thehighertheunitloads,thelowertheoxygenvolumeclosetothesidewallsinprimarycombustionzoneandreductionzone,andthereducingatmosphereisstrengthen.TheCO,H2concentrationclosetothesidewallsintheprimarycombustionzoneandreductionzoneincreasewiththeincreaseofoverfireairratio,buttheO2concentrationdecreases,andreducingatmosphereisstrengthenandextendedtothezoneclosetofrontandbackwall.Thesecondaryairrotationintensityhasnoobviousinfluenceonthewallatmosphereclosetothesidewallinprimarycombustionzoneandreductionzone.

hightemperaturecorrosion；swirlburning；wallatmosphere；lowNOxcombustion

TK223

B

1674-8069(2017)06-044-05

2017-09-12；

2017-10-23

徐国群(1962-)，男，江苏南京人，高级工程师，博士，主要从事燃煤发电机组清洁燃烧技术研究。E-mail：xuguoqun@163.com