350 MW对冲燃烧锅炉侧墙高温腐蚀研究与优化措施分析

杨章宁 王杜佳 冉燊铭 李曼丽

（清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731）

随着国家对环境保护要求的逐步提高，国内大型煤粉锅炉均采用了低氮燃烧技术，其中空气深度分级是普遍应用的一种技术[1][6]，空气深度分级后炉膛内的燃烧过程大致被分为燃烧区、还原区、燃尽区，在燃烧区和还原区处于缺氧燃烧状况，经常出现炉膛两侧墙高温腐蚀和结焦等现象[2]，严重影响了机组运行的安全性和可用率。

研究表明，采用空气分级燃烧后会导致炉膛燃烧区域过量空气系数不足，还原性气氛增强[3][10]，而炉膛两侧墙高温腐蚀和结焦的强度受到侧墙还原性气氛浓度、管壁温度和腐蚀性气体H2S 等的影响[4]，因此降低炉膛两侧墙还原性气氛浓度可以防止侧墙的高温腐蚀和结焦现象。目前为控制炉膛侧墙区域还原性气氛，常在侧墙区域送入一股贴壁风以补充侧墙区域的氧量[5]，降低还原性气氛，但是常规的贴壁风送入并不能彻底改变侧墙的强还原性气氛环境，高温腐蚀和结焦现象虽然得到缓解但仍然经常发生[7]。

该文对某350 MW 机组锅炉进行了全炉膛的数值模拟，发现了炉膛内存在向两侧墙扩散流动的漩涡气流，该漩涡气流流动会将炉膛中部的煤粉气流迁移至炉膛两侧墙区域，最终会提高两侧墙区域的煤粉颗粒浓度和CO 浓度，使得炉膛两侧墙氧量降低，最终导致侧墙区域出现高温腐蚀和结焦等现象。

该文分析了炉膛内向两侧墙流动的漩涡气流的流体动力学机理，发现炉膛内两侧墙区域气流上升阻力小而炉膛中部煤粉气流上升阻力大是炉膛内煤粉流向两侧墙区域的根本原因，针对该漩涡气流流动机理提出了一种改进的前后墙贴壁风结合侧墙贴壁风综合技术，一方面可有效地提高侧墙区域的气流上升阻力，抑制炉膛内的煤粉气流向两侧迁移流动，另外还可以有效控制炉膛两侧墙的还原性气氛环境，提高侧墙氧量，降低两侧墙的H2S浓度和煤粉颗粒浓度，有效避免炉膛两侧墙高温腐蚀和结焦。

1 侧墙高温腐蚀形成原因数值模拟计算结果与分析研究

1.1 研究对象

该次研究对象为350 MW 超临界对冲燃煤锅炉，参数变压运行螺旋管圈直流炉、单炉膛、一次中间再热、前后墙对冲燃烧方式、平衡通风、固态排渣、前煤仓布置、紧身封闭、全钢悬吊结构π 型锅炉。

燃烧设备采用前后墙对冲燃烧方式的旋流煤粉燃烧器，总共20 只旋流煤粉燃烧器分前墙3 层后墙2 层布置，每层4只旋流煤粉燃烧器。前、后墙旋流煤粉燃烧器的上方各布置2 层燃尽风，每层4 只燃尽风（AAP）喷口，并在前、后墙各布置有2 只侧燃尽风（SAP）喷口。前墙下层燃烧器安装微油点火系统。

燃烧用烟煤，煤质分析见表1。

表1 煤的元素分析和工业分析

1.2 模型建立

按照锅炉实际尺寸建立炉膛的三维模型，全炉膛模型如图1 所示。全炉膛采用结构性网格，并对燃烧器区域和燃尽风区域进行局部加密，以提高计算精度。

图1 炉膛模型图

1.3 计算方法

采用SIMPLE 算法对压力-速度耦合进行求解，采用标准离散方式求解压力，组分、速度、动量等的求解采用二阶迎风方式。非预混燃烧模型模拟煤粉气流燃烧，气相湍流燃烧采用混合分数-概率密度函数PDF 模型。煤粉燃烧过程中各相辐射传热采用P1 辐射模型进行计算[8]，并用DPM 模型追踪颗粒轨迹。

在焦炭反应模型改进方面，与合作单位清华大学在Fluent 缺省的焦炭燃烧反应/扩散联合控制模型的基础上加入了对高温热失活现象、灰分抑制作用的定量描述，同时考虑焦炭气化反应，建立了一个新的焦炭燃烧模型并通过编写UDF 的方式在Fluent 平台上予以实现。与Fluent 中缺省的联合控制模型相比，新的焦炭燃烧模型可以在整个燃烧过程中准确预测焦炭转化率[9]。

1.4 计算结果与分析

1.4.1 对冲炉漩涡气流现象及形成机理分析

目前对于炉膛内旋转气流的研究主要集中在四角切圆燃烧锅炉，而对于对冲燃烧锅炉，普遍认为其炉膛内气流为垂直上升气流，不存在类似于四角切圆锅炉内的旋转流动，因此对于对冲炉内的旋转气流的研究尚未见有相关研究文献报道。

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该文通过对某电厂350 MW 超临界对冲燃烧锅炉进行数值模拟研究，研究发现对冲炉内也存在旋转上升气流，主要分布在炉膛4 个角部的侧墙燃烧器区域。模拟计算燃烧器煤粉气流一次风轨迹如图2 和图3 所示。

从图2 和图3 可见，侧墙燃烧器气流首先流向炉膛两侧墙位置，当气流旋转至炉膛两侧墙位置以后，再沿两侧墙移动至炉膛前后墙区域，在炉膛4 个角部形成4 个漩涡流动。

对冲燃烧布置方式为锅炉的炉膛内燃烧器和燃尽风喷口均为对冲布置，因此从喷口进入的气流在水平射流过程中并不会像切圆燃烧一样产生旋转流动。根据图3 可知，一次风气流向两侧墙的扩散流动主要发生在气流上升流动过程中，因此炉膛内气流在上升流动过程中必然存在高度方向的阻力不均衡或者炉膛宽度方向的水平受力不均衡，使气流偏向侧墙流动。

图2 一次风煤粉气流轨迹（炉前正视图）

图3 一次风煤粉气流轨迹（炉顶俯视图）

为了分析上升气流的阻力，将炉膛内流动的气流简化为2 个方向的流动，如图4 所示，一个为炉膛下部的上升气流，其速度为高度方向的速度Vy，另一个为炉膛内燃烧器或者燃尽风喷口出口的水平射流，其速度为水平方向的速度Vx，当上升气流接触水平射流气体时，存在一个高度方向的相对速度，因此必然会产生一个高度方向的相对作用力F+y 和F-y，其中F+y 为下部上升气流对上部气流的上升推力，而F-y 为上部气流对下部气流的上升阻力。

图4 上升气流受力分析

炉膛中部区域布置了大量的燃烧器和燃尽风喷口，其水平射流必然会对下部上升气流产生高度方向的阻力，而炉膛两侧墙在未布置侧墙燃尽风的情况下，不会由于水平射流产生流动阻力，因此上升气流就会因阻力偏差向两侧墙流动，最终形成炉膛内4 个角部的旋转上升气流。

1.4.2 漩涡气流对侧墙区域气氛环境的影响

煤粉炉燃烧的煤粉颗粒尺寸较小，颗粒跟随性也较好，因此会在漩涡气流的作用下向两侧墙流动，并因和壁面的撞击等作用在侧墙区域聚集，使得侧墙区域煤粉浓度升高。

图5 一次风煤粉气流轨迹（炉右侧视图）

从图5 中可见，燃烧器一次风煤粉射流在上升阶段受阻力偏差影响开始向侧墙倾斜，而上层燃烧器区域炉膛内气流上升速度更高，因此上层燃烧器煤粉射流最快开始上升流动，并在高度方向不均衡的阻力影响下偏向侧墙流动，使炉膛上部燃烧器区域煤粉气流对侧墙的覆盖更宽，如引起腐蚀，面积也更大；而下部燃烧器煤粉气流水平射流长，因此下部燃烧器煤粉气流对侧墙的覆盖区域小。

2 措施分析及优化

炉膛内气流上升阻力的不均衡导致了炉膛内的气流向两侧墙流动，并最终形成对冲炉内的漩涡气流，因此增加炉膛内两侧区域气流上升流动的阻力，是抑制炉膛内部气流偏向两侧墙流动的最直接的方法，合理地布置贴壁风射流可以增加侧墙区域的上升流动阻力及侧墙氧量。

合理地布置贴壁风射流方向可以增加侧墙区域的上升流动阻力，如果将贴壁风下喷，就可以明显地抑制侧墙区域的上升流动。

针对某350 MW对冲燃烧锅炉燃烧设备布置特点，提出前后墙贴壁风结合侧墙贴壁风综合技术，为了对比不同贴壁风方案对控制炉膛两侧墙煤粉浓度和氧浓度的效果，将表2 各工况进行数值模拟研究，并对比每个工况侧墙区域各截面煤粉颗粒浓度和氧浓度的变化。

表2 数值模拟计算工况汇总表

分析显示，前后墙贴壁风可有效抑制煤粉颗粒向侧墙移动，在相同贴壁风风率下，前后墙贴壁布置12 只喷口抑制煤粉颗粒向侧墙移动的效果比16 只好，主要是由于单只喷口动量大，能够更好地消弱侧墙涡流；侧墙布置有贴壁风喷口的周围，有效地补充了侧墙壁面氧量水平，有效地改善了侧墙还原性气氛。

3 工程应用

3.1 实施方案

该次优化技术在某350 MW 超临界对冲燃烧锅炉上实施应用，贴壁风布置主要特点为前后墙分3 层布置12 只贴壁风喷口，侧墙布置1 层4 只贴壁风喷口。

3.2 测试工况

该次贴壁风改造在侧墙水冷壁鳍片上开孔引出测点，开孔标高位置在前后墙贴壁风喷口标高处，沿锅炉中心线向前后墙各布置5 个测点，用于测试改造后燃烧区域避免气氛。

该次试验主要研究在不同的贴壁风挡板开度下，侧墙的氧量及CO 情况，以便确定最佳的贴壁风挡板开度组合。

由于现场条件限制，该次工况测量做了一些精简，各测量工况说明如下：工况1、工况2 对各层测量孔都进行了测试；工况3、工况4 主要目的是研究侧墙贴壁风效果，仅对第一层、第二层测量孔进行测量，见表3。

表3 工况汇总表

3.3 测试结果

侧墙O2、H2S、CO 测试结果见表4。

表4 测试结果汇总表

测试结果显示，侧墙整体氧量达到3%以上，布置有侧墙贴壁风周围H2S 浓度基本为0 ppm。

4 结论

该文通过对350 MW 对冲炉全炉膛的数值模拟研究及工程应用，获得以下结论。1）对冲炉炉内气流上升阻力的不均衡促进了炉膛内旋转上升气流的形成，改变侧墙区域的贴壁风设置可以控制侧墙区域的气流上升阻力，消弱对冲炉内的旋转上升气流。2）由于炉膛高度方向气流上升速度的差异，对冲炉内上层燃烧器煤粉射流最早开始偏向侧墙流动，使炉膛上部燃烧器区域煤粉气流对侧墙的旋流冲刷范围更宽，而下部燃烧器煤粉气流水平射流长，其煤粉气流对侧墙的旋流冲刷覆盖区域小，最终会在侧墙区域形成倒三角形分布特性的高煤粉浓度区域，还原性气氛增强，导致侧墙还原区区域高温腐蚀、结焦严重。3）前后墙贴壁风结合侧墙贴壁风技术一方面可有效提高侧墙区域的气流上升阻力，抑制炉膛内的煤粉气流向两侧迁移流动，另外还可以有效控制炉膛两侧墙的还原性气氛环境，降低两侧墙的H2S 浓度和煤粉颗粒浓度，有效避免炉膛两侧墙高温腐蚀和结焦。