530 MW超臨界機組對沖燃燒鍋爐低氮燃燒貼壁風系統數值計算

杜智華， 蒙 毅， 孫 軍

(西安熱工研究院有限公司， 西安 710032)

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530 MW超臨界機組對沖燃燒鍋爐低氮燃燒貼壁風系統數值計算

杜智華， 蒙 毅， 孫 軍

(西安熱工研究院有限公司， 西安 710032)

為了有效預防水冷壁高溫腐蝕、控制NOx排放量，進行了某墻式對沖燃燒鍋爐燃燒器低氮配風優化設計與改造，在主燃燒區加裝“非對稱矩形高速直流貼壁風”系統.結果表明：實測水冷壁貼壁氣氛大幅改善，貼壁O2體積分數明顯升高，由0.3%升高至3.0%；爐膛前后墻貼壁煙溫呈下降趨勢，降幅100 K左右，有效降低了水冷壁高溫爆管風險.

對沖燃燒鍋爐； 低氮燃燒； 貼壁風； 高溫腐蝕； 數值計算

隨著國內燃煤鍋爐NOx污染物控制要求和水平的提高，大多數燃煤鍋爐均采用了嚴格的低氧與空氣深度分級等低氮燃燒技術.隨之而來的問題是，爐內燃燒不完全與不均勻程度提高，側墻還原性氣氛范圍增大，存在巨大的高溫腐蝕隱患[1]，影響鍋爐機組的安全運行[2-3].在低氮燃燒條件下，爐膛水冷壁近壁處氧體積分數較低、CO體積分數較高，呈局部強還原性氣氛，并存在大量腐蝕性氣體(主要是H2S氣體)，造成燃燒器至燃盡風區域水冷壁普遍出現嚴重的高溫腐蝕現象，水冷壁管壁快速腐蝕減薄乃至爆管，嚴重影響機組運行的安全性和經濟性，并在一定程度上制約了低氮燃燒技術的深度應用.

目前，國內預防高溫腐蝕的主要措施是在水冷壁管外敷設防腐材料等表面防腐措施.但這些方法均屬于消極防護，費用較高且需要定期更換[4-5].

為了有效預防水冷壁高溫腐蝕，控制NOx排放質量濃度不大于50 mg/m3，實現NOx的“超低排放”[6-7]，同時避免傳統貼壁風系統可能導致的諸多問題，對2臺530 MW超臨界機組對沖燃燒鍋爐進行了低氮燃燒配風改造，加裝了新型非對稱高速貼壁風系統.

1 鍋爐概況與燃煤特性

某超臨界530 MW直流鍋爐機組為“T”型布置、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、墻式對沖燃燒、固態排渣鍋爐.爐膛斷面尺寸為23 080 mm×13 864 mm,鍋爐寬深比為23∶13.8，容積熱負荷為84.32 kW/m3，截面積熱負荷為4.047 MW/m2.旋流式燃燒器每側布置4層(標高位置分別為18.35 m、22.95 m、28.95 m和33.55 m)，每層4支.

為了在爐內實現空氣分級燃燒，降低煙氣NOx排放質量濃度，在兩側墻的頂層燃燒器上方約7.75 m標高處單側墻設置10個燃盡風(OFA)噴口.在燃盡風上部6.4 m標高處前后墻分別不均等分布有8只防焦風(FJ)噴口，燃燒器主要結構及布置方式如圖1和圖2所示.

圖1 燃燒器示意圖

鍋爐燃煤主要以神華混煤為主，摻燒部分準格爾煤.設計煤種為m(神華混煤2號煤)∶m(準格爾煤2號煤)=7∶3的混煤，校核煤種為m(神華混煤3號煤)∶m(準格爾煤2號煤)=7∶3的混煤，主要煤質參數見表1.

2 數值模擬及分析

利用數值計算軟件，通過冷態速度場計算和熱態流動與反應耦合計算，考察增設貼壁風后爐膛水冷壁近壁處的氣流速度、溫度和煙氣組分濃度，優化貼壁風設計參數，設計合理的貼壁風噴口形式、尺寸、水平擺角、下傾角度及貼壁風風速和風量.優化目標是以最小的貼壁風量實現水冷壁易腐蝕區域的有效覆蓋、防止高溫腐蝕，同時盡量減小貼壁風對鍋爐運行經濟性的影響.

圖2 鍋爐結構示意圖

參數設計煤種校核煤種w(Mt)/%16.2014.40w(Mad)/%10.298.27w(Aar)/%15.8019.41w(Vdaf)/%37.0534.44Qnet,ar/(kJ·kg-1)2137019960w(Car)/%56.3252.87w(Har)/%3.402.89w(Oar)/%10.039.08w(Nar)/%0.770.69w(Sar)/%0.490.65可磨性指數(HGI)6670

2.1 數學模型

湍流流動采用k-ε方程模型[8-10]；燃燒采用非預混燃燒/概率密度函數即PDF方法；煤顆粒位移計算采用顆粒隨機軌道模型；揮發分釋放過程使用雙方程平行反應；焦炭燃燒模型為動力/擴散控制反應模型；輻射傳熱計算采用P1法[9-12].

爐膛結構和網格如圖3所示.

2.2 數值計算工況安排

在基準工況下，控制排煙O2體積分數為3.2%，經優化后最終推薦O2體積分數為2.7%.數值計算工況安排見表2.

工況1～工況5的比較結果表明：圓形噴口的覆蓋效果不如矩形噴口，選定了噴口形式；工況6～工況9表明噴口風速越大，貼壁風對爐墻的覆蓋效果越好，并確定貼壁風風速為80 m/s；工況10～工況14表明，優化調整噴口下傾角度，可達到較好的保護爐墻效果；工況15表明將上層噴口風量的5%移至第二層噴口，可達到理想的破壞還原氣氛、防止高溫腐蝕的效果.筆者以工況15作為此次設計貼壁風系統的基本方案，并與未加貼壁風的工況進行了對比.

表2 數值計算工況

3 貼壁風優化選型結果

3.1 風道布置方案

在二、三、四層燃燒器同層以及四層燃燒器與燃盡風之間(即標高22.95 m、28.95 m、33.55 m和38.55 m)共增加4層貼壁風噴口，每層2個貼壁風噴口分別布置在對應水冷壁上，噴口中心法向向量距離最近水冷壁1.0 m，貼壁風管道布置及安裝位置見圖4.

貼壁風由防焦風母管的防焦風電動風門擋板(標高42 m)前引出，貼壁風引出位置標高為37.45 m，引出后分2路在爐膛左右側形成2個貼壁風風道，左側貼壁風風道在引出標高水平引至爐膛左側距左墻6.13 m處；右側貼壁風風道在引出標高水平引至爐膛右側距右墻6.13 m處.

每個貼壁風風道分為2路，每一路分別形成貼壁風聯絡風道(距兩側墻3.88 m)，供應一側爐墻一角(一列4支貼壁風噴口)所需風量.

3.2 噴口選型

選擇矩形貼壁風噴口形式，采用高速直流風.矩形高速直流噴口設計可使貼壁風形成覆蓋面積較大的風幕，有效改善前后墻水冷壁處的還原性氣氛，同時提高貼壁風剛性，保證風幕對水冷壁的有效覆蓋.

圖4 貼壁風改造安裝位置示意圖

Fig.4 Arrangement drawing of the near-wall air distribution system

通過對數值計算結果的不斷優化，最終各層噴口采用非對稱設計，得出具體參數如下：貼壁風風率為5%；第一層貼壁風燃燒器的設計風速為80 m/s(額定工況)，噴口尺寸(寬×高×壁厚)為146 mm×280 mm×12 mm，水平下傾5°；第二層貼壁風燃燒器的設計風速為80 m/s(額定工況)，噴口尺寸(寬×高×壁厚)為158 mm×304 mm×12 mm，水平下傾10°；第三層貼壁風燃燒器的設計風速為80 m/s(額定工況)，噴口尺寸為146 mm×280 mm×12 mm(寬×高×壁厚)，水平下傾10°；第四層貼壁風燃燒器的設計風速為80 m/s(額定工況)，噴口尺寸(寬×高×壁厚)為133 mm×254 mm×12 mm，水平下傾5°.

貼壁風燃燒器示意圖見圖5.

圖5 貼壁風燃燒器示意圖

4 模擬結果與實測結果的對比分析

通過觀火孔測取爐內8個有代表性的測點溫度，并與數值模擬計算結果(圖6)進行比較.由表3可知，數值模擬計算結果較接近實測值，兩者的相對誤差控制在允許誤差5%以內，能夠應用于實際工程中[11-12].

5 設計計算結果與分析

5.1 貼壁O2體積分數

圖7給出了貼壁O2體積分數計算結果.由圖7可知，加裝矩形高速(80 m/s)直流貼壁風燃燒器后，根據鍋爐實際情況進行貼壁風不均等配風和噴口不同水平角度設置，燃燒器區域和還原區貼壁O2體積分數明顯升高，距前后墻0.4 m和1.0 m近壁處O2體積分數均由原來的接近0升高至3.0%以上，貼壁氧化性氣氛明顯改善且均勻性良好，可實現對前后墻燃燒器區域和還原區水冷壁的有效覆蓋.

圖6 模擬溫度梯度

Tab.3 Comparison of in-furnace temperature between actual measurement and numerical simulation

測點編號計算溫度/℃測量溫度/℃相對誤差/%1131713100.53212961298-0.15313221327-0.38412871297-0.775133412314.146133312443.017134913003.778131012443.64

(a)原始工況距墻0.4mO2體積分數(b)最優工況距墻0.4mO2體積分數

(c) 近壁煙氣O2體積分數比較

5.2 貼壁CO體積分數

圖8給出了貼壁煙氣CO體積分數計算結果.由圖8可知，未加裝貼壁風燃燒器的原始工況，在第二層燃燒器以上水冷壁區域逐漸出現大量未燃盡的CO，加裝矩形高速(80 m/s)直流貼壁風燃燒器后，燃燒器區域和還原區貼壁CO體積分數明顯降低，距前后墻0.4 m和1.0 m近壁處線平均值(標高處前后墻水平連線所有節點平均值)和對應水平線中間點(標高處前后墻水平連線中心點)CO體積分數均由原來的超過20 000×10-6降低至2 000×10-6以下.同時，在距前后墻1.0 m處局部區域仍有一定量CO存在，但在距前后墻0.4 m處CO體積分數已明顯降低，貼壁風覆蓋有效.

5.3 貼壁煙溫

圖9給出了貼壁溫度計算結果.由圖9可知，加裝矩形高速(80 m/s)直流貼壁風燃燒器后，貼壁處有少量冷風補充，且擾動加強，因此二層燃燒器以上區域平均貼壁煙氣溫度有所降低，由超過1 400 ℃降低至不高于1 300 ℃.同時，水冷壁貼壁煙溫趨于一致，局部高溫區顯著減少，有利于防止燃燒器側墻區域管壁超溫爆管.

(a)原始工況距墻0.4mCO體積分數(b)最優工況距墻0.4mCO體積分數

(c) 近壁煙氣CO體積分數比較

(a)原始工況距墻0.4m煙氣溫度(b)最優工況距墻0.4m煙氣溫度

(c) 近壁煙氣溫度比較

5.4 貼壁煙氣流速

圖10給出了貼壁煙氣流速計算結果.由圖10可知，加裝矩形高速(80 m/s)直流貼壁風燃燒器后，近壁0.4 m處線平均煙氣流速和對應水平線中間點煙氣流速較未加裝貼壁風燃燒器略有提高，可提高3～5 m/s；近壁1.0 m處，線平均煙氣流速在燃燒器區域明顯提高，可提高20 m/s左右，對應水平線中間點煙氣流速略有提高，也可提高3 m/s左右.加裝貼壁風燃燒器后，可加強對前后墻水冷壁近壁區域煙氣的擾動，改善近壁區域煙氣氣氛.同時，近壁0.4 m以內風速提高有限，不會沖刷管壁或造成磨損.

(a)原始工況距墻0.4m煙氣流速(b)最優工況距墻0.4m煙氣流速

(c) 近壁煙氣流速比較

6 一次風可行性模擬試驗

貼壁風系統總阻力損失在3.0 kPa左右，如圖11所示，對于一次風靜壓裕度較大，但對于二次風則無法滿足貼壁風系統阻力的要求，因此采用一次風作為貼壁風風源合理可靠.

圖11 貼壁風管道阻力計算結果

7 工程實例驗證

某電廠2臺530 MW機組鍋爐完成貼壁風改造后，現場實測結果表明：平均貼壁O2體積分數由0.3%升高至2.0%以上；平均貼壁CO體積分數由10 000×10-6以上降低至3 486×10-6；最大貼壁H2S體積分數由350×10-6降低至50×10-6以下.貼壁風門開度與貼壁煙氣組分變化如圖12所示.

(a) 貼壁O2體積分數變化

(b) 貼壁CO體積分數變化

(c) 貼壁H2S體積分數變化

在保證水冷壁安全運行的前提下，適當降低運行O2體積分數，使SCR脫硝反應器入口NOx體積分數進一步降低，提高機組運行的環保性能.

8 結 論

(1) 加裝非對稱矩形高速直流貼壁風系統，水冷壁貼壁氣氛呈非還原性，平均貼壁O2體積分數明顯升高，由0.3%升高至3.0%，還原性氣體體積分數大幅降低，水冷壁貼壁氣氛改善.

(2) 貼壁風改造后，一次風壓滿足管道布置阻力條件的限制.

(3) 通過現場試驗驗證，數值模擬結果完全可以指導現場工程改造方案.

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Numerical Analysis on Low NOxCombustion Near-wall Air Distribution System of an Opposed Firing Boiler for 530 MW Supercritical Units

DU Zhihua, MENG Yi, SUN Jun

(Xi'an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi'an 710032, China)

To reduce NOxemission of an opposed firing boiler and to prevent high-temperature corrosion of the water wall, a low-NOxcombustion retrofit was carried out by adding an air distribution system in the main combustion zone to supply a non-symmetrical rectangular high-speed direct-flow air curtain over the wall. Results show that after retrofit, the measured near-wall atmosphere has been improved significantly with a remarkable increase in volume fraction of near-wall oxygen from 0.3% to 3.0%, while the near-wall gas temperature around front and back wall has been reduced by about 100 K, lowering the risk of high-temperature tube burst of the water wall.

opposed firing boiler; low-NOxcombustion; near-wall air curtain; high-temperature corrosion; numerical simulation

2016-05-31

杜智華 (1990-)，男，陜西西安人，助理工程師，碩士研究生，研究方向為準東煤摻燒、鍋爐燃燒污染物排放控制的數值模擬. 電話(Tel.):18292169206；E-mail：duzhihua@tpri.com.cn.

1674-7607(2017)06-0425-07

TK227.1

A

470.30