多孔壁风对煤粉燃烧特性及高温腐蚀的影响分析*

魏佳佳,曾娜,陈雷宇,韩佳园

(安徽电气工程职业技术学院动力工程系，安徽 合肥 230000)

引言

由于煤炭中含有黄铁矿成分，在煤炭燃烧时，含黄铁矿的煤粉与煤灰颗粒在锅炉内共同对水冷壁造成一定的冲击，使其保护膜遭到破坏，煤粉与煤灰黏在水冷壁上，当锅炉内的煤粉燃烧时，黄铁矿因受热而分解，水冷壁附近为还原气氛，且水冷壁达到一定温度时，黄铁矿所含的铁与硫原子会发生反应，生成硫化亚铁，进而逐渐氧化.由于反应生成的四氧化三铁易脱落，导致水冷壁不断被腐蚀[1-4].

为了避免水冷壁的高温腐蚀问题，需要分析高温腐蚀的影响因素并采取相应的防护措施.近年来，为解决高温腐蚀问题，开发了附壁空气抗高温腐蚀技术.通过增设多孔壁，将洁净空气引入锅炉还原区，使洁净空气从多孔壁和水冷壁垂直吹向锅炉炉膛，并在水冷壁表面形成一层空气膜，使其与还原性气氛分离，称为“多孔壁风”[5-8].煤粉的燃烧过程十分复杂，不仅与锅炉燃烧器的结构有关，还受空气气流的影响[9-12].此外，不同种类煤粉性质也会对煤粉燃烧产生一定的影响.

受以上各种因素影响，如果煤粉燃烧不完全，燃烧效率会降低，煤粉燃尽率也会降低[13].对此，探讨多孔壁风对高温腐蚀和煤粉燃烧特性的影响，并对影响作进一步分析，对于提高煤粉燃尽率，预防高温腐蚀现象的发生具有一定的意义.

1 实验准备

针对多孔壁风对煤粉燃烧特性及高温腐蚀的影响开展实验.首先，选择实验煤种和实验条件；其次，对多孔壁风对煤粉燃烧特性的影响进行实验并做出分析；最后，对多孔壁风对高温腐蚀的影响开展实验并做出分析，具体内容如下.

1.1 布设采样点

首先，在电厂锅炉内布置测点[14].以锅炉燃烧器出口中心点作为坐标系的原点建立坐标系.选取截面的某处为测量区域，在测量区域停留一定时间，使煤粉在测量区域充分反应.在燃烧器附近区域的多个截面位置，不同径向位置和轴向位置的锅炉炉膛中心点的煤粉产生的烟气组分和烟气温度开展测量工作，并对产生的煤粉固体颗粒作采样分析.

1.2 获取数据

对电厂锅炉炉膛内的不同位置的煤炭烟气采集样品，并对煤炭烟气组分进行分析，在煤焦颗粒采样后，对煤焦颗粒的组分作出分析，并测量锅炉炉膛内的烟气温度[15].具体测量过程如下：利用水冷枪，从测量孔处深入锅炉炉膛内部取样，炉膛内的烟气在真空泵的作用下经锅炉炉膛传进水冷枪，在水冷枪的冷却作用下，再传入集灰器进行过滤.将收集到的煤焦颗粒放入密闭箱中保存，留取作后续元素分析.煤粉燃烧产生的烟气在经过集灰器后，被引入滤膜除灰装置，从而进一步去除烟气中的固体颗粒，减少烟气对测量仪的损害.经过除灰后的烟气被引入硅胶干燥器去除其中所含的水分，得到干燥的烟气.经过上述过程后，对烟气的成分在线测量.将煤焦颗粒置于恒温箱中干燥后，利用元素分析仪作元素分析.计算煤焦燃尽率的公式如式(1)所示：

ω=[1-(ψk/ψy)]/(1-ψy)

(1)

式(1)中，ω代表煤焦燃尽率，ψk代表原煤的灰分质量分数，ψy代表测量样品的灰分质量分数.碳元素和氮元素的释放率的计算式(1)如下：

α=1-[(ψiy/ψik)(ψβk/ψβy)]

(2)

式(2)中，α代表碳、氮元素的释放率，ψi代表质量分数，ψβ代表灰分质量分数，k代表原煤，y代表样品.利用公式(1)～公式(2)，对实验中的煤粉燃烧相关数据作相应的计算.

2 设置实验条件

选择某煤种为实验材料，其粒径的平均值为30微米，其性质及参数如表1所示.

表1 实验煤种性质及参数

利用如表1所示煤种开展实验.所用煤粉燃烧炉的结构主要有多孔壁、加热筒、燃烧器、燃尽风喷口.其中，燃烧器的结构为同心筒，内筒为一次风入口，其内径为10 mm，环的间隙为二次风入口，内径为4 mm.分别在空气分级耦合多孔壁风、不耦合多孔壁风两种工况下，选取多孔壁风系数，为0.05和0，选取均匀配风、正三角形配风和倒三角形配风方式作为多孔壁风配风方式，基本反应条件如表2所示.

表2 反应条件

按照表1所示，在上述反应条件下开展实验.将喷口布置在燃烧器的预燃室周围，喷口间距离均匀且一致.

多孔壁风均会对空气动力场和温度场产生作用[16].具体作用过程如下：

1)多孔壁风作用于空气动力场，但不会明显改变电厂锅炉燃烧器的动力场分布情况.当一次风和二次风从燃烧器喷出，形成方向向下并沿径向扩散的气流.与此同时，中心线位置形成强烈回流，卷吸周围烟气，并不断冲刷水冷壁面.在不耦合多孔壁风的情况下，在水冷壁面附近的回流量增加，可以直接冲刷水冷壁面，在空气耦合多孔壁风的情况下，多孔壁风在水冷壁面形成新鲜的气流，因回流作用，新鲜的气流也随水冷壁面向上运动，同时将回流挤压，使回流无法直接冲刷水冷壁面.在电厂锅炉的还原气氛区域，主烟气流继续向下运动，并逐渐扩散，有向下冲刷水冷壁面的趋势.在不耦合多孔壁风的情况下，水冷壁面被直接冲刷；在空气耦合情况下，扩散的主烟气流也有冲刷水冷壁面的趋势，但在多孔壁风的作用下，水冷壁面附近有新鲜气流产生，使烟气冲刷水冷壁面受到限制，保护水冷壁面不被冲刷.

综上，多孔壁风通过形成新鲜气流，使回流和主烟气流受到挤压，从而使主燃区和还原气氛区域的水冷壁面不被冲刷.

2)多孔壁风作用于温度场.煤粉气流喷射后立即点火，在电厂锅炉的燃烧器下面形成水滴型火焰.空气耦合多孔壁风和不耦合多孔壁风的情况下，温度分布情况相似.多孔壁风不会破坏电厂锅炉内的燃烧组织，也不会生成氮氧化物.与不耦合多孔壁风的情况相比，在空气耦合多孔壁风的情况下，主燃区和还原气氛区域的平均温度更高.

3 实验结果及分析

3.1 多孔壁风对煤粉燃烧特性的影响分析

多孔壁风的形成会使燃烧炉的水冷壁周围形成富氧燃烧气氛[17].在常压富氧燃烧条件下，分析多孔壁风对煤粉燃烧特性的影响.采用均匀配风、正三角形配风和倒三角形配风方式，对煤粉燃烧特性产生的影响作出分析.首先，测量锅炉内的温度分布情况.三种多孔壁风配风方式下锅炉内的温度分布情况如图1所示.

图1 不同配风方式下锅炉内的温度分布情况图

如图1所示，采用三种不同的多孔壁风配风方式，电厂锅炉燃烧器的下层均形成了高温火焰区，前两种配风方式的火焰温度较高.火焰燃烧中心位置离锅炉炉膛出口处较远，使煤粉的燃尽时间更长，燃烧效率较高.采用倒三角形配风方式，煤粉燃烧的最高温度出现在锅炉燃烧器的上部，与其他两种配风方式相比，火焰中心的位置较高，导致煤粉飞灰的含碳量增加，从而造成一定的热损失.通过分析可知，煤粉燃烧火焰的中心位置越高，煤粉的燃尽时间越少，从而导致煤粉燃烧不完全.因此，上述三种多孔壁风配风方式对煤粉燃烧特性的影响如下：倒三角形配风方式最不利于煤粉充分燃烧，均匀配风方式和正三角形配风方式，与倒三角形配风方式相比，煤粉燃烧较为充分，飞灰含碳量相对较低.通过实验，对均匀配风、正三角形配风和倒三角形配风方式下的煤粉燃尽特性进行分析，得出锅炉炉膛出口处煤粉燃尽情况，见表3.

表3 锅炉炉膛出口处煤粉燃尽情况表

如表3所示，三种多孔壁风配风方式下，挥发分的燃尽率均为100%，表明多孔壁风的配风方式对挥发分的燃烧无影响，均能使挥发分燃烧完全.三种多孔壁风配风方式下，飞灰未燃尽热损失有差别，倒三角形配风方式下的飞灰未燃尽热损失比其他两种配风方式大，比均匀配风方式增加了0.66%，比正三角形配风方式的飞灰未燃尽热损失增加了1.08%.通过分析，这是因为采用倒三角形配风方式时，上层二次风量较大，使电厂锅炉炉膛上部的气流速率较大，使煤粉燃尽时间有所减少，部分煤粉还未燃烧完全就被烟气气流带出锅炉炉膛，导致飞灰未燃尽热损失加大.

3.2 多孔壁风对高温腐蚀的影响分析

3.2.1 多孔壁风量对高温腐蚀的影响

当锅炉在缺乏氧气的条件下，一氧化碳含量可以反映煤粉产生的烟气的还原性大小，而硫化氢和一氧化碳之间存在一定的关系，一般情况下，硫化氢随一氧化碳含量的升高而升高.当水冷壁壁面附近的烟气中一氧化碳含量低于0.3%时，将烟气视为中性或弱还原性，此时，水冷壁不易发生高温腐蚀；当水冷壁壁面附近的烟气中一氧化碳含量高于0.5%时，将烟气视为强还原性，此时，有大量的硫化氢存在于水冷壁壁面，水冷壁极易发生高温腐蚀.此外，与硫化氢相比，一氧化碳的变化范围更大，因此用一氧化碳含量表征硫化氢含量，有利于对高温腐蚀状况的判断.设计的实验工况见表4.

表4 设计工况参数表

由表4可知，工况A代表不耦合多孔壁风(未投入多孔壁风)，工况B、工况D和工况I分别代表不同风量的多孔壁风.为确保实验数据的准确性，重复进行5组实验，不同多孔壁风量对高温腐蚀的影响结果见表5.

表5 不同多孔壁风量对高温腐蚀的影响结果

对比表5中不同工况下的一氧化碳质量分数，在工况B和工况I下，水冷壁附近的一氧化碳体积分数大于0.2%(大于工况D的一氧化碳体积分数)，而工况A的水冷壁附近的一氧化碳气体高含量范围最大，工况D的锅炉燃烧器水冷壁面附近的颗粒含量也比其他工况的颗粒含量小.由此可以得出，投入一定量的多孔壁风后，水冷壁壁面附近区域的一氧化碳含量大幅下降，投入多孔壁风后，可以改善水冷壁的高温腐蚀状况.

此外，工况D 的多孔壁风率为8.3%，大于工况A且小于工况I.多孔壁风量太小无法很好的消除还原性气氛，其原因是风的入射刚性小，所形成的水冷壁面的多孔壁风比较脆弱.然而，多孔壁风来源于二次风，而多孔壁风量过大，会降低一次风外包裹的二次风.此外，由于煤粉燃烧不完全，多孔壁风会有一部分风消耗还原性气体，并促进未燃尽煤粉颗粒的燃烧，但效果并不好，导致水冷壁面附近的还原性气体增加.通过反复实验，发现多孔壁风率为8.3%左右时，对于改善水冷壁壁面的高温腐蚀的效果最为显著.表6为不同多孔壁风量工况下电厂锅炉炉膛出口的参数.

表6 不同多孔壁风量工况下锅炉炉膛出口的参数

如表6所示，电厂锅炉炉膛出口的一氧化碳含量和飞灰含碳量反映电厂锅炉的燃尽情况，氮氧化物的质量浓度反映多孔壁风对电厂锅炉空气分级配风中控制污染物排放的影响程度.通过5次重复实验，发现氮氧化物的排放效果和燃尽效果在不同多孔壁风量工况下无明显变化，工况D的一氧化碳质量浓度和飞灰含碳量在四种工况中，其结果表明多孔壁风率在8.3%左右时，煤粉的燃烧效果最好.煤粉能够充分燃烧，使水冷壁面附近的还原性气氛有所改善，进而改善水冷壁面的高温腐蚀情况.

3.2.2 多孔壁配风方式对高温腐蚀的影响

通过对多孔壁风率的考察，发现多孔壁风率在8.3%左右时，对于改善火力发电厂锅炉燃烧区水冷壁的还原性，效果最显著，继续考察多孔壁风的不同配风方式对电厂锅炉高温腐蚀的影响.以工况D为基准实验工况，工况C的上中下三层喷口的多孔壁风量比为1∶2∶3，工况D的上中下三层喷口的多孔壁风量比为1∶1∶1，工况E的上中下三层喷口的多孔壁风量比为3∶2∶1，工况F的上中下三层喷口的多孔壁风量比为2∶1∶2.其中，工况C采用倒三角形的配风方式，工况D采用均匀配风方式，工况E采用正三角形的配风方式，工况F采用缩腰形配风方式.在上述工况下，对不同多孔壁风的配风方式对电厂锅炉高温腐蚀的影响开展实验.不同多孔壁风配风方式工况下锅炉炉膛出口参数含量见表7.

表7 不同工况下锅炉炉膛出口参数含量表

如表7所示，重复进行5次平行试验，工况C、D、E和F四种工况下电厂锅炉的燃烧效果基本相同，由于工况C电厂锅炉采用倒三角的配风方式，此种配风方式使锅炉内的空气分级情况加剧，因此，与其他三种工况相比，此种工况的氮氧化物的浓度相对较低.此外，实验在计算水冷壁壁面附近的颗粒浓度时发现，工况C的水冷壁面附近的一氧化碳含量较低，四种工况下煤粉颗粒含量并无明显差别，工况C的煤粉颗粒含量最低.总体来看，工况C的水冷壁壁面附近的还原性气氛最低，煤粉颗粒含量相对较低.由此可知，采用倒三角的多孔壁风配风方式可以降低水冷壁壁面附近的还原性气体含量和煤粉颗粒含量，因此，水冷壁的高温腐蚀风险最低.此外，该种配风方式使电厂锅炉相当于增加了上层二次风量，减少了中层二次风量，使锅炉内的空气分级情况加剧，同时，上层多孔壁风量的增加，有利于上层的多孔壁风的二次风的贴壁程度的减小，使一氧化碳含量得以降低.综上所述，工况C对水冷壁壁面的高温腐蚀的形成作用较弱，有助于减小高温腐蚀程度.

4 结论

多孔壁风的风量和配风方式对电厂锅炉煤粉燃烧特性和高温腐蚀均会产生一定的影响.通过对多孔壁风对煤粉燃烧特性及高温腐蚀的影响分析可知，采用正三角形的多孔壁配风方式可以使煤粉燃烧得更充分，并且有利于减少高温腐蚀现象.适量的多孔壁风可以在电厂锅炉的主燃区和还原区形成空气膜，有助于阻止高温腐蚀现象的发生.