高硫煤四角切圆锅炉贴壁风倾角对水冷壁 高温腐蚀影响研究

范宝田，严祯荣，胡玉龙

（1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620； 2.内蒙古自治区特种设备检验研究院，内蒙古 呼和浩特 010000）

随着国内对锅炉燃烧污染物排放控制的要求，基于深度方向的低氮燃烧[1-2]改造技术得到广泛的应用，特别是大型电站锅炉。但经低氮燃烧改造后，在锅炉近壁面处O2体积分数减少，CO体积分数增加，还原性气氛增强，形成大量腐蚀性气体H2S，造成水冷壁的高温腐蚀，并在一定程度上制约了低氮燃烧技术的应用。目前，对锅炉水冷壁高温腐蚀通常采取以下2种措施：一种是在锅炉的水冷壁面增加防腐蚀性材料，但这种方法对于材料的要求较高且不能从根本上解决问题；另一种是采用贴壁风技术，即针对水冷壁的腐蚀部位增加沿着墙面方向的贴壁风量，形成氧化气氛并减少水冷壁的腐蚀问题。万中平等[3]分析了四组贴壁风技术对300 MW四角切圆锅炉高温腐蚀的影响，在贴壁风逐渐增加的方案中对预防水冷壁高温腐蚀的效果最好；在此基础上，杜智华等[4]研究了2层/8只的贴壁风技术方案，结果表明：增加贴壁风技术使上层燃烧器和还原区域的贴壁O2体积分数增加、CO和H2S体积分数减小，从原理上控制了水冷壁的高温腐蚀问题；Pei Jianjun等[5-6]在一台600 MW切向燃烧锅炉中，采用数值模拟方法，研究了贴壁风的速度和切向圆的方向对锅炉水冷壁高温腐蚀的影响。结果表明：当贴壁风速为40 m/s且贴壁风喷射方向为逆时针时，炉膛水冷壁烟气平均温度降低约600 K，CO体积分数降低约0.03，能较好地解决锅炉水冷壁高温腐蚀的问题；文献[7-10]采用实验的方法，在一台300 MW机组锅炉中，截取了一段腐蚀的水冷壁管，系统地分析了锅炉腐蚀的原因；Ma Honghe 等[11-12]开发了贴壁风联合空气分级燃烧技术，在贴壁风比分别为0.100、0.075、0.050和0.025时，能够解决锅炉水冷壁的高温腐蚀、结渣问题；文献[13-15]综述了高硫烟煤中硫组分的反应机理，为控制H2S的形成和防止高温腐蚀提供理论依据。

综上所述，许多学者都研究了贴壁风技术对水冷壁高温腐蚀的影响，证明了贴壁风技术对抑制水冷壁的高温腐蚀是有效的。然而，贴壁风的倾角是影响水冷壁高温腐蚀的另一个重要因素，迄今为止对其降低水冷壁腐蚀影响方面的研究较少。本文采用Fluent软件，对某700 MW机组切圆锅炉进行数值模拟，分析增加贴壁风量和贴壁风倾角对近壁附近还原性气氛和燃烧的影响，为通过低氮燃烧改造产生的水冷壁面高温腐蚀问题提供解决措施。

1 锅炉概况

某电厂700 MW机组四角切圆锅炉为日本引进的MB-FRR型亚临界压力一次中间再热强制控制循环汽包炉，采用单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架全悬吊结构、Π型布置、正压直吹式制粉系统。锅炉高度56.70 m，宽度21.46 m，深度18.61 m，假想切圆直径为1.50 m。锅炉燃烧器为日本三菱设计的M-PM燃烧器，具体布置如图1所示。

图1 锅炉燃烧器布置 Fig.1 Arrangement of burners in the boiler

2 物理模型和网格划分

网格划分采用六面体结构网格，将锅炉分成冷灰斗、燃烧器和燃烧器上部区域进行划分，燃烧器区域网格根据伪扩散系数表达式(1)，煤粉的射流方向与网格线的夹角应尽可能小，降低伪扩散因数的影响，并根据此原理对燃烧器区域适当加密，以准确模拟此区域物理量大梯度特性。伪扩散系数表达式为：

式中：U为气体绝对速度；θ为射流方向与网格线夹角。

采用网格独立性检测，对主燃区的网格进行细化，分别模拟了144万、262万和346万的网格精度，结果见表1。由表1可见，从网格数量262万到网格数量346万计算过程中，增大网格对计算的结果影响较小，考虑到计算成本，选取262万的网格精度。图2为锅炉炉膛三维网格和燃烧器区域横截面网格示意。

图2 三维网格和横截面网格 Fig.2 The 3D mesh and cross section mesh

表1 网格无关性检验结果 Tab.1 Grid independence test result

3 数学模型与计算工况

3.1 数学模型

采用P1法计算辐射传热；采用带旋流修正的Realizablek-ε模型计算气相湍流流动；燃烧模型采用非预混燃烧中的概率密度PDF函数；采用双方程平行反应模型计算煤的热解；焦炭燃烧采用动力扩散模型；煤粉颗粒流动采用随机轨道模型。采用后处理的方法计算NOx的生成，主要考虑燃料型和温度型。计算迭代时，先进行冷态计算获得一定收敛程度的流场，然后再进行热态计算，直至收敛。离散方程的压力速度耦合采用SIMPLE法求解，求解方程采用二阶迎风格式离散和低松弛因子，计算的收敛标准为能量方程和辐射传热残差小于10-6，其余各项计算残差小于10-3。

3.2 计算工况

该电厂改造工程中燃用煤含硫量比较高，燃烧过程中易引起锅炉水冷壁面的高温腐蚀，在进行低氮燃烧改造时需要兼顾由于高温腐蚀带来的不利影响。锅炉燃用煤的元素分析和工业分析见表2。煤粉颗粒粒径服从Rosin-Rammler分布，平均粒径为65 μm，分布指数为1.5。

表2 煤的元素分析和工业分析 Tab.2 The ultimate and proximate analysis of coal

该电厂对锅炉进行低氮燃烧改造后，在冷灰斗区域、主燃区域和还原区域近壁处出现了高温腐蚀现象，为此结合锅炉燃烧设备设计特点和水冷壁实际腐蚀情况，对该区域进行改造。提出在主燃区域和燃尽区之间增加3层贴壁风布置，贴壁风布置于上层燃尽风和下层分离燃尽风四等分处，采用矩形喷口，水平距水冷壁侧墙0.5 m左右，贴壁风沿着与水冷壁壁面平行方式送入炉膛，并规定贴壁风的射流方向与水平方向的夹角为贴壁风的倾角（图3）。风源来自锅炉一次风系统。

图3 贴壁风入射角度示意 Fig.3 Schematic diagram of near-wall air angle

一次风、二次风、燃尽风和贴壁风采用质量入口边界条件，根据锅炉实际运行和设计参数给定入口质量流量和温度；出口采用压力出口，压力设为-20 Pa；壁面采用标准壁面方程，无滑移边界条件，给定壁面温度和辐射率。本文主要研究未增加贴壁风量、增加3层/12只贴壁风量（初始倾角为0°）、贴壁风倾角分别为30°、45°、60°和75°的计算工况下对炉膛壁面水冷壁区域腐蚀的影响，6个工况分别为工况0、工况1、工况2、工况3、工况4和工况5，其中工况0为初始工况，没有增加贴壁风量，与工况1相比，工况2—工况5仅改变了最下层贴壁风的倾角。锅炉的总煤粉量、风温以及入口质量流量具体参数见表3。

表3 计算条件 Tab.3 Calculation conditions

4 模拟结果与分析

4.1 模拟结果与试验结果验证

为了验证模拟结果准确性，对改造前工况部分参数进行现场燃烧试验测量。在观火侧通过抽气式热电偶测量距离前墙水冷壁1.0 m，距离右墙3.0 m的8个不同标高的烟气温度，并与图4、图5的数值计算结果分布云图和数值分析图进行对比，可以看出数值计算结果与测量结果误差在4%以内。

图4 锅炉炉膛温度云图 Fig.4 Cloud map of temperature in the furnace

图5 锅炉炉膛温度模拟值与测量值数值分析 Fig.5 Numerical analysis of simulated and measured temperature of boiler furnace

烟气成分采用Rosemount NGA 2000-MLT5进行测量，重点测量炉膛出口的O2、CO和NOx含量，测量结果与模拟预测结果见表4。

表4 锅炉炉膛各组分模拟值和测量值对比 Tab.4 The simulated and measured values of components in the boiler furnace

由表4可见，烟气O2体积分数、CO体积分数、NOx质量浓度、飞灰含碳量计算误差分别为12.5%、10.6%、11.1%、8.8%，均小于15%的计算误差。可见，所采用的数学模型能较为准确地模拟炉内燃烧、流动、传热和污染物生成过程。

4.2 速度场分析

图6为工况0和工况1的B层、F层和炉膛中心截面（Y=10.37 m）速度分布云图。

图6 工况0和工况1速度分布云图 Fig.6 Cloud map of velocity in Case 0 and Case 1

由图6可以看出：增加贴壁风技术，一次风煤粉能够稳定从喷口射入炉膛中心，并形成切圆，没有发生直接冲刷侧墙水冷壁现象；炉内空气动力场分布基本对称，并且工况1的燃尽区及其上部的流速大于工况0，这是由于贴壁风率的增加，相应主燃区风率降低所致；此外，炉膛近壁区域烟气的流量减少，相应的腐蚀介质减少，有利于改善水冷壁的腐蚀问题。

4.3 贴壁氧量

图7为工况0—工况5的贴壁O2体积分数分布云图。由图7可以看出，增加贴壁风量，使还原性区域贴壁O2体积分数增加，优化最下层贴壁风倾角，使主燃烧区和冷灰斗区域贴壁的O2体积分数同时增加，这样不仅能改善还原性区域水冷壁腐蚀现象，而且还能减少主燃烧区和冷灰斗区的高温腐蚀。

图7 工况0—工况5贴壁O2体积分数分布云图 Fig.7 Cloud map of near-wall oxygen volume fraction in Case 0～5

图8和图9分别为工况0—工况1和工况2—工况5的贴壁O2体积分数分布曲线。由图8和 图9可以看出：增加贴壁风量使还原性区域O2体积分数增加了约6%；优化最下层贴壁风倾角没有减少还原性区域O2体积分数，主燃烧区和冷灰斗区O2体积分数有所增加，并且贴壁风倾角为60°时，冷灰斗区域的O2体积分数增加最明显，这对于改善冷灰斗区域的腐蚀是有利的。

图8 工况0—工况1贴壁O2体积分数分布 Fig.8 Distribution of near-wall O2 volume fraction in Case 0～1

图9 工况2—工况5贴壁O2体积分数分布 Fig.9 Distribution of near-wall O2 volume fraction in Case 2～5

4.4 贴壁CO体积分数

图10为工况0—工况5贴壁CO分布云图。

图10 工况0—工况5贴壁CO体积分数分布云图 Fig.10 Cloud map of near-wall CO volume fraction in Case 0～5

由图10可以看出：在工况0下，由于采用低氮燃烧技术，使冷灰斗区域、主燃烧区域和还原性区域CO体积分数增加，增强了还原性气氛；在工况1下，增加了贴壁风量，降低了还原性区域近壁CO体积分数，这是因为还原性区域O2体积分数的增加，使得CO被氧化而减少；在工况1的基础上优化贴壁风的角度，进一步氧化主燃区域和冷灰斗区域的CO，这样在工况4（贴壁风倾角为60°）时冷灰斗区域CO体积分数最低。

图11和图12分别为工况0—工况1和工况2—工况5的贴壁CO体积分数分布曲线。由图11和 图12可以看出，增加贴壁风量减少了还原性区域大约5%的CO体积分数，贴壁风倾角为60°时的贴壁CO体积分数，大约为0.15%。

图11 工况0—工况1贴壁CO体积分数分布 Fig.11 Distribution of near-wall CO volume fraction in Case 0～1

图12 工况2—工况5贴壁CO体积分数分布 Fig.12 Distribution of near-wall CO in Case 2～5

4.5 贴壁H2S体积分数

图13为工况0—工况5贴壁H2S分布云图。由图13可以看出：在工况0下，冷灰斗区域、主燃区域和还原区域贴壁H2S体积分数较高，特别是冷灰斗区域最高；增加贴壁风量之后，还原性区域H2S体积分数有所减少，但主燃区域和冷灰斗区域并未发生明显变化。这是因为贴壁风是沿着墙面直喷入炉膛，随着燃烧产物烟气流出炉膛，并未扩散到主燃区域和冷灰斗区域；优化贴壁风角度后，对还原性区域贴壁H2S分布没有影响，冷灰斗区域和主燃区域H2S分布明显减少，同时贴壁风倾角为60°时，改善更加明显。

图13 工况0～工况5贴壁H2S体积分数分布云图 Fig.13 Cloud map of near-wall H2S volume fraction in Case 0～5

图14和图15分别为工况0—工况1和工况2—工况5的贴壁H2S体积分数分布。

图14 工况0—工况1贴壁H2S体积分数分布 Fig.14 Distribution of near-wall H2S volume fraction in Case 0～1

图15 工况2—工况5贴壁H2S体积分数分布 Fig.15 Distribution of near-wall H2S volume fraction in Case 2～5

由图14和图15可以看出：增加贴壁风量之后，H2S的体积分数在冷灰斗区域几乎没有变化，主燃区有小幅度减小，还原性区域减少最多，从142×10-5降低至4.04×10-5；优化贴壁风角度后，冷灰斗区域和主燃区域的H2S体积分数大幅降低，在贴壁风倾角为60°时达到最低，分别为26×10-5和8×10-5。这是因为改变贴壁风倾角，贴壁风在烟气的带动下可以向两边扩散，向下扩散到主燃区和冷灰斗区域，向上扩散到还原性区域，当贴壁风倾角为60°时扩散的效果最好。

4.6 贴壁烟温

图16为工况0—工况5贴壁烟温分布云图。

图16 工况0—工况5贴壁烟气温度分布云图 Fig.16 Cloud map of near-wall flue gas temperature in Case 0～5

由图16可以看出，增加贴壁风量，还原性区域、冷灰斗区域和主燃区域贴壁烟温均有所降低，还原性区域降低最多。这是由于贴壁风的温度低于炉膛燃烧烟气的温度所致，并且还原性区域贴壁风量最多。

图17和图18分别为工况0—工况1和工况2—工况5贴壁烟气温度分布。由图17和图18可以看出：改造后还原性区域温度降低约283 K，冷灰斗区域和主燃区域的温度几乎不变；优化贴壁风的角度后，主燃区域和冷灰斗区域贴壁温度降低约 95 K。贴壁烟气温度的降低，有利于防止水冷管壁超温，可有效预防发生水冷壁面高温腐蚀。

图17 工况0—工况1贴壁烟气温度分布 Fig.17 Distribution of near-wall flue gas temperature in Case 0～1

图18 工况2—工况5贴壁烟气温度分布 Fig.18 Distribution of near-wall flue gas temperature in Case 2～5

5 结 论

1）贴壁风技术关键在于合适的贴壁喷入位置和贴壁风量以及贴壁风角度。

2）在主燃烧区与分离燃尽区之间增加3层/ 12只贴壁风量，风粉的射流刚性较好，炉内流场分布较为合理；增加贴壁风量，能降低近壁处的烟温，防止水冷管壁超温，同时贴壁烟气的流量减少，相应的腐蚀介质减少，有益于改善水冷壁的腐蚀问题。

3）当最下层贴壁风倾角为60°时，能同时增加主燃区域、还原区域和冷灰斗区域贴壁的O2体积分数，提高此区域的氧化特性，降低壁面CO和H2S体积分数，明显改善由于低氮燃烧改造造成的水冷壁高温腐蚀问题。最下层贴壁风倾角从60°增加到75°时，由于贴壁风在烟气的带动下向两边扩散，向下扩散到主燃区和冷灰斗区，向上扩散到还原区，不利于改善水冷壁高温腐蚀问题。

4）低氮燃烧改造协同贴壁风技术是解决燃烧高硫煤四角切圆锅炉水冷壁高温腐蚀的有效方法。