空氣分級燃燒爐內壁面硫化物分布的數值模擬

秦　明，　姜文婷，　吳少華

(哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，哈爾濱 150001)

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空氣分級燃燒爐內壁面硫化物分布的數值模擬

秦明，姜文婷，吳少華

(哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，哈爾濱 150001)

摘要：以某600 MW超超臨界鍋爐為研究對象，采用數值模擬方法研究了硫化物氣體在爐內還原區水冷壁壁面區域的分布特性.結果表明：SO2主要分布在主燃燒器壁面區域，而H2S主要分布在分離燃盡風(SOFA)與主燃燒器之間的壁面區域，且該區域的氧量極低，溫度又較高，發生高溫腐蝕的可能性更大；隨著燃料中含硫量的增大，壁面區域的硫化物氣體質量分數有所提高，但并不顯著，而高質量分數硫化物氣體所占區域面積卻明顯增大，在主燃燒器的局部區域，壁面也出現了H2S質量分數較高的區域.

關鍵詞：空氣分級燃燒； 高溫腐蝕； 硫化物； 數值模擬

我國動力用煤許多都是含硫量較高的煤種，在電站鍋爐中發生高溫腐蝕比較普遍.同時，由于環保要求的提高，低NOx燃燒技術已被廣泛應用.低NOx燃燒技術的主要原理是采用空氣分級燃燒，這樣在還原區，爐膛水冷壁局部壁面區域將可能出現缺氧的還原性氣氛，易產生高溫腐蝕.

對于超臨界鍋爐，隨著鍋爐參數的提高，水冷壁壁面區域溫度不斷升高，加劇了高溫腐蝕的程度[1-3].研究表明，高溫腐蝕主要是煤中硫產生的硫腐蝕.煤中硫在爐內燃燒主要生成SO2、H2S以及少量的SO3等[4-6].此外，爐膛內燃燒產物中的硫化物也主要是H2S和SO2.氣態的SO2不易與高溫水蒸氣相結合，因此比較而言，對鍋爐水冷壁的危害并不是很大[7-9].而H2S和單質硫是導致受熱面產生高溫腐蝕的主要來源之一[10-11].單質硫能夠穿過氧化膜，對金屬晶界進行滲透，進而加快內部結構的硫化，這些過程會造成氧化膜的疏松和裂紋，甚至脫落并離開基體.煤粉燃燒過程中產生的H2S會與氧化膜反應，并產生一定的裂紋，這樣H2S就可以繼續穿過Fe2O3，并與FeO發生如下反應：

(1)

氧化膜受到破壞后，H2S可以繼續與基體Fe發生反應生成FeS：

(2)

此外，如果金屬管附近區域有一定濃度的SO2和H2S，也可以生成單質硫：

(3)

H2S與氧氣也可以發生反應生成單質硫：

(4)

由于水冷壁壁面硫化物氣體濃度和氣氛對高溫腐蝕的可能性及腐蝕程度有直接影響，因此在采用低NOx燃燒技術時對高溫腐蝕氣體在爐膛壁面附近區域的分布特性進行研究，以便采取有效措施防止高溫腐蝕的發生具有重要意義.

1計算模型

模擬計算以燃用煙煤的某600 MW超超臨界鍋爐為原型，鍋爐為Π型布置，爐膛深度為17.628 m，寬度為17.666 m，爐膛簡圖見圖1.鍋爐為煤粉爐，配備6臺磨煤機，額定負荷下5臺磨煤機運行，燃燒器為墻式切圓布置，采用垂直濃淡燃燒器，每只燃燒器有6組共12個一次風噴口，采用切圓燃燒，在主燃燒器上方布置4層分離燃盡風(SOFA).燃燒器噴口布置如圖2所示，其中OFA為燃盡風.

圖1　爐膛簡圖

燃燒器設計參數見表1.為了研究煤中不同含硫量對壁面硫化物分布變化的影響，擬定鍋爐燃用3種含硫量不同的煤質，分別定義為煤質I、煤質II和煤質III.鍋爐燃用的煤質數據見表2，其中煤質I為鍋爐設計煤質.

圖2　燃燒器噴口布置簡圖

名稱風速/(m·s-1)風溫/℃風率/%一次風257032二次風4033038SOFA6033030

表2　煤質數據

由表2可以看出，3種煤均屬于煙煤，且熱值相差不大，在實際燃燒時設備運行參數無需大幅調整，但含硫量卻逐漸增大.

采用數值模擬研究燃燒工況已是普遍采用的方法，但大多集中于對溫度場、速度場以及O2、CO和NOx等煙氣組分分布的模擬.李永華等[12-13]擬合出煤粉燃燒時硫化物氣體的生成模型，經過實驗驗證，取得了較為滿意的結果.將該模型嵌入到數值模擬軟件Fluent中，模擬SO2和H2S 2種主要的硫化物氣體在爐內水冷壁附近區域的分布特性.

由于本文主要研究爐膛主燃區貼壁區域內硫化物氣體的生成特性，所需要計算的區域為壁面區域，而且高溫腐蝕主要發生在主燃燒器與SOFA之間的壁面區域，所以對離主燃區壁面500 mm、爐膛高度16～36 m(即主燃燒器下部與SOFA之間)的貼壁附近區域進行網格加密，以提高計算精度.爐膛縱截面和主燃區橫截面的網格如圖3所示.

(a)爐膛縱截面網格(b)主燃區橫截面網格

圖3計算網格

Fig.3Calculation mesh

計算所用的相關模型見表3，其中關于燃燒、流動和傳熱計算模型等都是在研究爐內煤粉燃燒時廣泛采用的模型.

表3　計算所用模型

硫化物氣體的生成模型采用文獻[13]中的計算模型，SO2的生成速率為

(5)

式中：A為硫的轉化率；wO2為氧氣的質量分數；wS2為硫分別在揮發分和焦炭中的質量分數.

為了簡化計算，燃料中的硫除生成SO2外，其余全部生成H2S,H2S的生成速率為

(6)

2計算結果

為了研究主燃區貼壁區域硫化物氣體質量分數的分布特性，選取距鍋爐主燃區水冷壁中心線500 mm、爐膛高度16～36 m的水冷壁壁面區域四面墻的各個截面，得到各截面上SO2和H2S的質量分數分布.

燃用3種煤質對應的計算工況分別定義為工況A、工況B和工況C.各工況的計算結果見圖4～圖11，其中X為爐膛寬度，Y為爐膛高度，各氣體組分質量分數為其在煙氣中的質量分數.

由圖4和圖5可以看出，在水冷壁壁面區域，SO2主要分布在主燃燒器壁面區域，而在SOFA與主燃燒器之間的壁面區域，H2S的質量分數較高，最高達到0.028%，并且在該區域，氧氣質量分數較低(見圖6)，同時溫度較高，基本在1 500～1 600 K(見圖7)，因而易發生高溫腐蝕，盡管煤的總含硫量僅為0.49%.

由圖8～圖11可以看出，H2S仍然主要集中在SOFA與主燃燒器之間的壁面區域；隨著燃料中含硫量的增大，該區域的H2S質量分數有所升高，最高已達到0.03%.然而隨著燃料中含硫量的顯著增大，工況C中含硫量已經達到3.27%，屬于高硫煤，H2S質量分數卻并沒有大幅度升高，但是高H2S質量分數的區域面積顯著增大，在主燃燒器中下部的局部區域也出現了高H2S質量分數.

通過計算可以發現，采用空氣分級燃燒后，壁面區域氧氣質量分數低，特別是在SOFA與主燃燒器之間壁面區域氧氣質量分數近乎為零，而該區域的H2S質量分數又很高，而且溫度也較高，因此該區域是發生高溫腐蝕的危險區域.以圖4(a)及圖5(a)中工況A前墻X=7 m、沿爐膛高度方向的位置為例，各氣體組分質量分數的變化情況見圖12.

對比3種工況計算結果，H2S均主要分布在SOFA與主燃燒器之間的壁面區域，而SO2則大多分布在主燃燒器壁面區域.由于H2S是造成高溫硫腐蝕的主要成分之一，因此SOFA與主燃燒器之間的壁面區域是發生高溫腐蝕的高危區域，應該采取措施重點預防.

(a) 前墻

(b) 后墻

(c) 左側墻

(d) 右側墻

(a) 前墻

(b) 后墻

(c) 左側墻

(d) 右側墻

單位：%

圖6工況A左側墻壁面氧氣質量分數

Fig.6Calculated O2concentration around left side

wall in condition A

單位：K

圖7工況A左側墻壁面溫度場

Fig.7Calculated temperature field around left side

wall in condition A

(a) 前墻

(b) 后墻

(c) 左側墻

(d) 右側墻

(a) 前墻

(b) 后墻

(c) 左側墻

(d) 右側墻

(a) 前墻

(c) 左側墻

(d) 右側墻

(a) 前墻

(b) 后墻

(c) 左側墻

(d) 右側墻

(a) SO2質量分數

(b) H2S質量分數

(c) 氧氣質量分數

(d) 煙氣溫度

隨著燃料中硫含量的增大，爐內壁面區域的硫化物氣體質量分數亦有所提高，但并不顯著，而高質量分數硫化物氣體所占區域面積卻明顯增大.不僅在SOFA與主燃燒器之間的壁面區域高H2S質量分數的區域面積增大，而且在主燃燒器壁面的局部區域，如主燃燒器中下部壁面區域也出現了高H2S質量分數.

由圖12可以看出，高H2S質量分數區域的氧氣質量分數非常低，說明在高溫還原性氣氛下，燃料中的硫主要轉化生成H2S，而壁面的缺氧易造成高溫腐蝕，這與已有研究結果相吻合.

3結論

(1) 在靠近爐膛水冷壁壁面區域，H2S主要分布在SOFA與主燃燒器之間的壁面區域，因此該區域發生高溫腐蝕的可能性更大.SO2主要分布在主燃燒器壁面區域.

(2) 隨著燃料中含硫量的增大，水冷壁壁面區域的硫化物氣體質量分數有所提高，但并不顯著，而高質量分數硫化物氣體所占區域面積卻明顯增大.

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Numerical Simulation of Sulfide Distribution on Furnace Walls with Air-staged Combustion

QINMing,JIANGWenting,WUShaohua

(School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract：Taking a 600 MW ultra-supercritical boiler as an object of study, numerical simulation was conducted to study the distribution characteristics of sulfide gases around water walls in the furnace. Results show that SO2 mainly appears in the region near main burners, while H2S mainly distributes in the region between separated over fire air (SOFA) region and the main burners, where high-temperature corrosion is easy to occur due to the very low concentration of oxygen and the high-temperature atmosphere. With the rise of sulfur content in fuel, the concentration of sulfide gases is slightly increased around the water wall, but the occupation area of high-concentration sulfide gases is significantly enlarged, and high concentration of H2S even occurs in local regions of the water wall near main burners.

Key words：air-staged combustion; high-temperature corrosion; sulfide; numerical simulation

文章編號：1674-7607(2016)02-0091-08

中圖分類號：TK224.9

文獻標志碼：A學科分類號：470.30

作者簡介：秦明(1963-)，男，江蘇揚州人，副教授，博士，研究方向為煤清潔燃燒與利用.電話(Tel.)：13654545931；E-mail：qinming7632@163.com．

基金項目：國家科技支撐資助項目(2011BAK06B04)

收稿日期：2015-05-18

修訂日期：2015-06-17