对冲旋流燃烧锅炉贴壁风布置方式对比研究

陈勤根，陈国庆，朱青国，解剑波，张 贤，施鸿飞，冯培良

(1．浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 311121； 2．国电南京电力试验研究有限公司，南京 210023； 3．浙江浙能中煤舟山煤电有限责任公司，浙江舟山 316361； 4．浙江省能源集团有限公司，杭州 310000； 5．上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240； 6．南京宁智能源科技有限公司，南京 200000)

对冲旋流燃烧锅炉在超临界燃煤电站广泛使用[1-3]。为满足国家环保要求，通常采用低氮燃烧技术降低NOx排放量。低氮燃烧采用空气分级，可营造主燃区缺氧的还原性气氛，但易导致H2S与水冷壁金属发生反应，产生高温腐蚀[4]。水冷壁发生高温腐蚀后会造成非停，严重威胁机组的安全和经济运行。有学者提出设置贴壁风的解决措施，即将少量空气沿水冷壁送入，提高水冷壁近壁区氧气浓度，从而解决高温腐蚀问题[5-7]。对冲旋流燃烧锅炉的贴壁风技术主要有3种：前后墙布置方式贴壁风、两侧墙布置方式贴壁风及全墙组合布置方式贴壁风。

近几年，已有研究者针对以上3种布置方式贴壁风技术进行了相关研究。杜智华等[8]在530 MW对冲燃烧锅炉前后墙上安装了非对称矩形高速直流贴壁风系统，模拟计算与改造结果表明，加装贴壁风后燃烧器区域和还原区贴壁O2体积分数升高，CO体积分数降低。陈敏生等[9]在600 MW对冲旋流燃烧锅炉上安装前后墙贴壁风系统后，发现水冷壁侧墙壁面强还原性气氛得到有效改善，改造对锅炉效率和NOx排放影响不大。方志星[10]采用数值模拟方法分析得到如下结论：前后墙加装贴壁风系统可有效改善近壁区还原性气氛、降低侧墙温度并抑制高温腐蚀。李文学等[11]在600 MW对冲旋流燃烧锅炉上进行了侧墙缝隙式贴壁风系统改造后的工业试验，证明侧墙缝隙式贴壁风可以改善锅炉两侧墙贴壁烟气还原性气氛，并对不同运行工况下贴壁风风门开度进行了优化。赵瑞松等[12]将贴壁风布置在高温腐蚀最严重的侧墙中部区域，采用数值模拟计算方法确定贴壁风口直径、风口宽度和贴壁风出口速度，并在某660 MW对冲燃烧锅炉上成功应用。李春曦等[13]对加装侧墙贴壁风的对冲燃烧锅炉进行了全炉膛数值模拟，发现加装贴壁风装置后，侧墙壁面的还原性气氛得到有效改善，且对炉内燃烧和污染物排放的影响较小。姚露等[14]采用数值模拟方法对对冲旋流燃烧锅炉加装组合式贴壁风后的炉内速度场、温度场及烟气组分进行了研究。杨希刚等[15]采用数值模拟方法分析了组合式贴壁风取风方式、风率和喷口风速等运行参数对水冷壁近壁区烟气中O2体积分数、NOx排放质量浓度和未燃尽碳质量分数的影响，对贴壁风风率进行了优化。日本石川岛播磨重工业(IHI)公司提出了一种贴壁风技术，该贴壁风布置在炉膛的冷灰斗区域，通过在冷灰斗上取下鳍片形成风膜来防止结渣和高温腐蚀[16]。由上述研究可知，学者们大多针对某一类贴壁风进行了相关专项研究，但将3种不同的贴壁风布置方式同时进行横向比较，以确定优选布置方案的研究较少。

笔者采用数值模拟方法研究了某600 MW对冲旋流燃烧锅炉布置3种贴壁风后水冷壁近壁区气氛、炉膛出口NOx排放质量浓度和未燃尽碳质量分数的变化，并在工程中予以验证。

1 设备概况

1.1 锅炉简介

研究对象为某600 MW超临界锅炉，采用一次中间再热、单炉膛、固态排渣和尾部双烟道结构。锅炉炉膛长度为22.187 3 m，宽度为8.28 m。炉膛四周为全焊膜式水冷壁。前后墙共布置36只旋流燃烧器，每层6只燃烧器，前后墙各布置3层。燃尽风喷口布置在顶层燃烧器上方，每层布置6个。通过调整挡板门来控制每层风箱进风量，挡板门设置在风箱入口处，由气动执行器进行调节。制粉系统采用中速磨正压直吹系统，每炉配6台磨煤机。

1.2 3种贴壁风布置方式

本次研究所考察的3种贴壁风布置方式如图1所示。前后墙布置方式：在锅炉前后墙靠近侧墙的位置布置喷口，二次风通过喷口进入炉膛，到达侧墙水冷壁近壁区，在水冷壁近壁区形成空气膜。喷口通常采用圆形喷口，距侧墙约700 mm，喷口直径为150 mm，喷口风速为25～50 m/s。两侧墙布置方式：在锅炉的左右两侧墙上通过取下鳍片或在鳍片上打孔形成诸多贴壁风喷口，二次风通过这些喷口进入炉内，在水冷壁近壁区形成空气膜。喷口通常为长方形，喷口风速较低，通常取5～8 m/s。全墙组合布置方式：在锅炉的前后墙和两侧墙同时布置贴壁风喷口，向两侧墙水冷壁近壁区补充空气。前后墙喷口采用圆形，侧墙喷口采用长方形。

(a) 前后墙布置方式贴壁风

(b) 两侧墙布置方式贴壁风

(c) 全墙组合布置方式贴壁风图1 3种典型布置方式贴壁风示意图Fig.1 Three main closing-to-wall air arrangement modes

2 数学模型及计算方法

2.1 数学模型

气相湍流流动的模拟采用可实现的k-ε模型，气固两相选用拉格朗日随机轨道模型。气相与固相之间的耦合计算采用“计算单元内颗粒源项算法”，即PSIC(Particle Source In Cell)法。辐射换热计算采用P-1辐射模型，挥发分热解模拟采用双竞争反应热解模型(Two Competing Rates Model)，挥发分燃烧采用混合分数PDF法模拟，焦炭燃烧模拟采用扩散-动力模型。炉内NOx生成计算采用后处理的方法，且只考虑热力型NOx和燃料型NOx[17]，飞灰含碳量的计算采用碳平衡法，硫化氢气体的生成模型采用文献[18]和文献[19]中的计算模型。

2.2 求解方法与边界条件

进行燃烧模拟时，首先对燃烧器内部及其喷口区域的气固两相流场进行冷态模拟，获得燃烧器内部和喷口流场分布结果。然后采用UDF(User Defined Functions)编译程序将获得的燃烧器喷口流场作为炉内燃烧计算的入口边界条件输入，并进行热态计算，直至收敛。连续相与颗粒相之间的相互耦合计算采用组分运输模型和离散相(DPM)模型，压力和速度的耦合计算采用半隐格式压力关联方程(Simple)算法。

入口边界条件的设定依据锅炉运行数据、煤质情况和运行O2体积分数计算结果而确定。炉膛出口为压力出口，设定值为-100 Pa。3种布置方式的贴壁风总风率均为3.91%，其中全墙组合布置方式贴壁风前后墙喷口风率为2.23%，侧墙喷口风率为1.68%。本文模拟工况为锅炉额定负荷，6台磨煤机运行，炉膛出口过量空气系数为1.2。计算所用煤质数据见表1。

表1 煤质分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of the coal

2.3 数据处理方法

通常，高温腐蚀发生倾向性较大的区域多为水冷壁贴壁烟气中O2体积分数低于2.0%的区域。定义φ2.0为高温腐蚀发生倾向性较大区域的面积(S1)与侧墙折焰角下沿至冷灰斗转折点之间面积(S0)之比，用φ2.0来定量分析不同布置方式下贴壁风对侧墙水冷壁近壁区烟气组分的改善效果。

(1)

具体计算方法为：首先由模拟计算结果得到距离侧墙水冷壁100 mm处纵截面上的烟气O2体积分数云图，见图2。设定云图中O2体积分数的数值范围为0～2.0%，这样可将图中O2体积分数大于2.0%的区域全部变为浅灰色，则所得深黑色区域即为O2体积分数小于2.0%的区域。其次，使用图形处理软件将前面得到的深黑色区域与浅灰色区域分离成单独的2个图形，分别计算这2个图形的面积S1和S2，再根据式(1)即可计算得到高温腐蚀发生倾向性较大区域所占的比例。

图2 高温腐蚀发生倾向性较大区域所占比例计算方法示意图

3 结果与分析

3.1 侧墙水冷壁近壁区O2体积分数分布

图3和图4给出了600 MW对冲旋流燃烧锅炉未加装贴壁风基础工况与加装3种布置方式贴壁风工况下侧墙水冷壁近壁区O2体积分数的分布情况。不同的是图3中O2体积分数的范围为0%～21%，图4中O2体积分数的范围为0%～2%。由图3可知，基础工况下侧墙水冷壁近壁区O2体积分数几乎全部为0%，而3种布置方式贴壁风均可以显著提高侧墙水冷壁近壁区的O2体积分数。由此可知，加装贴壁风后，通过向侧墙水冷壁附近区域定向补风，可大幅提高侧墙水冷壁近壁区O2体积分数，显著改善侧墙水冷壁近壁区还原性气氛，减小高温腐蚀发生区域面积。

图3 3种布置方式贴壁风水冷壁近壁区O2体积分数分布情况(φ(O2)=0%～21%)

图4 3种布置方式贴壁风水冷壁近壁区O2体积分数分布情况(φ(O2)=0%～2%)

Fig.4 Distribution of O2 fraction in the flue gas components close to water wall under three closing-to-wall air arrangement modes

进一步对3种布置方式贴壁风的高温腐蚀倾向性指标φ2.0进行对比，按照第2.3节所述方法进行数据处理后，得到基础工况下φ2.0为65.79%，上述2种布置方式下O2体积分数大于2%的区域面积占比分别为68.80%和61.38%，而全墙组合布置方式贴壁风的φ2.0最低，仅为16.16%，O2体积分数大于2%的区域面积占比可达83.84%。可见，在3种布置方式贴壁风中，全墙组合布置方式贴壁风最能有效改善侧墙水冷壁近壁区还原性气氛。

3.2 侧墙水冷壁近壁区CO体积分数分布

图5给出了基础工况与3种布置方式贴壁风工况下侧墙水冷壁近壁区CO体积分数的分布情况。由图5可知，基础工况下侧墙水冷壁近壁区CO体积分数普遍高于30 000 μL/L。加装贴壁风后，侧墙水冷壁近壁区CO体积分数大幅降低，普遍低于10 000 μL/L。比较3种布置方式贴壁风可以发现，全墙组合布置方式贴壁风对应的侧墙水冷壁近壁区CO体积分数最低，降低侧墙水冷壁近壁区CO体积分数的效果最佳。这表明在相同贴壁风率的情况下，选取全墙组合布置方式贴壁风可获得最佳抑制高温腐蚀的效果。

图5 3种布置方式贴壁风水冷壁近壁区CO体积分数分布情况

3.3 侧墙水冷壁近壁区H2S体积分数分布

图6给出了基础工况与3种布置方式贴壁风工况下侧墙水冷壁近壁区H2S体积分数的分布情况。由图6可知，基础工况下侧墙水冷壁近壁区H2S体积分数普遍高于150 μL/L。与基础工况相比，3种布置方式贴壁风均可将侧墙近壁区大部分区域的H2S体积分数降到150 μL/L以下，说明加装贴壁风可降低侧墙水冷壁近壁区H2S体积分数，改善水冷壁近壁区还原性气氛。比较3种布置方式贴壁风的效果可知，全墙组合布置方式贴壁风在降低水冷壁近壁区H2S体积分数的同时，还使得该区域H2S体积分数分布更为均匀，可大大降低高温腐蚀发生的可能性。

图6 3种布置方式贴壁风水冷壁近壁区硫化氢(H2S) 体积分数分布情况

综上分析可知，在改善锅炉两侧墙水冷壁近壁区还原性气氛方面，全墙组合布置方式贴壁风较其他2种布置方式贴壁风有更明显的优势。就前后墙布置方式贴壁风而言，当喷口射流速度较高时，虽然可以向锅炉两侧墙的中心区域补充氧量，但是由于射流刚性较强，初始阶段扩散性差，导致侧墙水冷壁在靠近锅炉前后墙的区域存在大面积无法被射流覆盖的区域，贴壁风的覆盖性不够。当喷口射流速度较低时，射流刚性较差，虽然可以向侧墙靠近前后墙区域补充氧量，但射流无法到达侧墙中心区域，导致该区域仍存在高温腐蚀风险。因此，前后墙布置方式贴壁风无法同时向整个侧墙的中心和两侧补充氧量。就两侧墙布置方式贴壁风而言，由于侧墙布置贴壁风喷口的成膜特性受贴壁风率、喷口布置方式及类型的影响，因此其改善效果也不及全墙组合布置方式贴壁风。

3.4 炉膛出口NOx排放质量浓度

图7给出了不同布置方式贴壁风工况下炉膛出口NOx排放质量浓度的变化。由图7可以看出，基础工况下NOx排放质量浓度为241 mg/m3，前后墙布置方式贴壁风NOx排放质量浓度为264.68 mg/m3，两侧墙布置方式贴壁风NOx排放质量浓度为252.62 mg/m3，全墙组合布置方式贴壁风NOx排放质量浓度为268.15 mg/m3。与基础工况相比，加装贴壁风后炉膛出口NOx排放质量浓度均有所增加。分析原因是数值模拟计算时，3种布置方式贴壁风均取自燃尽风，即在保持各层燃烧器配风和风量不变的条件下，减少燃尽风的风量，减弱了分级燃烧的效果，因此NOx排放量会增加。比较3种布置方式贴壁风可知，全墙组合布置方式贴壁风NOx排放质量浓度最高，两侧墙布置方式贴壁风NOx排放质量浓度最低。这主要是由于全墙组合布置方式贴壁风为从炉膛四周均匀送风，更有利于使燃尽风喷口以下范围水冷壁近壁区附近的烟气组分分布均匀，从而使主燃区燃烧更均匀、更充分，导致产生较多的NOx。

图7 3种布置方式贴壁风炉膛出口NOx排放质量浓度Fig.7 NOx emission concentration at furnace outlet under three closing-to-wall air arrangement modes

3.5 未燃尽碳质量分数

图8给出了不同布置方式贴壁风未燃尽碳质量分数的变化。由图8可以看出，基础工况下未燃尽碳质量分数为6.18%，前后墙布置方式贴壁风未燃尽碳质量分数为3.59%，两侧墙布置方式贴壁风未燃尽碳质量分数为6.30%，全墙组合布置方式贴壁风未燃尽碳质量分数为3.18%；加装贴壁风后炉内焦炭的燃尽效果均不同程度地提高。这是由于贴壁风提高了炉内主燃区的O2体积分数，使得煤粉燃尽效果得到改善。其中，全墙组合布置方式贴壁风的燃尽效果最佳，两侧墙布置方式贴壁风的燃尽效果最差。这与第3.4节中炉膛出口NOx排放质量浓度的分析结果基本一致。

图8 3种布置方式贴壁风未燃尽碳质量分数Fig.8 Unburned carbon content of boiler under three closing-to- wall air arrangement modes

4 工程应用

将上述研究结果应用于某600 MW对冲旋流燃烧锅炉。其中，全墙组合布置方式贴壁风系统的前后墙喷口布置于各层燃烧器靠近侧墙的位置，前后墙各3层，每层2个。前后墙喷口为圆形，通过在水冷壁上弯曲管子形成喷口，支吊在二次风箱内，采用电动调节风量。前后墙喷口所用风源为同层燃烧器风箱两侧挡板门前的二次风，喷口风速设计为 25 m/s，风率为2.23%。

全墙组合布置方式贴壁风系统的侧墙喷口布置在炉膛左右两侧墙靠近中间区域，分3层布置，每层5个喷口，上下错列布置，以防止喷口挂焦，便于风量控制。第1层侧墙喷口位于第2层燃烧器中心线标高以上1.5 m，第2层侧墙喷口位于第3层燃烧器中心线标高以上1.5 m，第3层侧墙喷口位于燃尽风喷口中心标高以下3 m。侧墙喷口的风源也是二次风大风箱，喷口设计风速为3 m/s，设计风率为1.68%。

安装全墙组合布置方式贴壁风后的运行参数见表2，其中参数所用的测量方法参见文献[17]。由表2可知，安装全墙组合布置方式贴壁风后，水冷壁近壁区O2体积分数明显提高，CO和H2S体积分数显著降低。左、右两侧墙水冷壁近壁区O2体积分数平均值分别由0.24%和0.26%升高到3.02%和2.52%，H2S体积分数平均值分别由284.80 μL/L和294.60 μL/L降低至69.57 μL/L和85.27 μL/L，分别降低了75.57%和71.06%；CO体积分数平均值分别由5.59%和5.48%降低到1.68%和1.96%，分别降低了69.95%和64.23%。加装全墙组合布置方式贴壁风前后，锅炉效率、过热器和再热器减温水质量流量、SCR入口NOx质量浓度以及飞灰含碳质量分数变化不明显。这是由于进入炉膛的贴壁风总量较小，约为二次风总量的4%，运行中保证进入炉膛的总风量、一二次风配比不变，因而未影响主燃区的燃烧状况。

表2 工程应用测试结果Tab.2 Results of engineering application

5 结 论

(1) 加装贴壁风可提高水冷壁近壁区O2体积分数，降低H2S体积分数，显著改善水冷壁近壁区还原性气氛，缓解侧墙水冷壁高温腐蚀；若贴壁风取自燃尽风，会减弱炉内空气分级效果，使炉膛出口NOx排放质量浓度不同程度地升高，但可以改善煤粉的燃尽。

(2) 与前后墙布置方式贴壁风和两侧墙布置方式贴壁风相比，全墙组合布置方式贴壁风是性能最佳的布置方式，可以显著改善对冲旋流燃烧锅炉左右两侧墙水冷壁近壁区还原性气氛，高温腐蚀发生倾向性较高区域面积所占比例可降低至20%以下，而其他2种布置方式为30%～40%。

(3) 全墙组合布置方式贴壁风技术在600 MW对冲旋流燃烧锅炉上的运行结果表明，加装全墙组合布置方式贴壁风后，侧墙水冷壁近壁区O2体积分数平均值由0.25%升高到2.5%以上，H2S体积分数平均值降低70%以上，CO体积分数平均值约降低65%，但锅炉效率、过热器和再热器减温水质量流量、SCR入口NOx质量浓度和飞灰含碳质量分数等未见明显变化，防高温腐蚀效果十分显著。