350 MW對沖燃燒鍋爐側墻高溫腐蝕研究與優化措施分析

楊章寧 王杜佳 冉燊銘 李曼麗

（清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731）

隨著國家對環境保護要求的逐步提高，國內大型煤粉鍋爐均采用了低氮燃燒技術，其中空氣深度分級是普遍應用的一種技術[1][6]，空氣深度分級后爐膛內的燃燒過程大致被分為燃燒區、還原區、燃盡區，在燃燒區和還原區處于缺氧燃燒狀況，經常出現爐膛兩側墻高溫腐蝕和結焦等現象[2]，嚴重影響了機組運行的安全性和可用率。

研究表明，采用空氣分級燃燒后會導致爐膛燃燒區域過量空氣系數不足，還原性氣氛增強[3][10]，而爐膛兩側墻高溫腐蝕和結焦的強度受到側墻還原性氣氛濃度、管壁溫度和腐蝕性氣體H2S 等的影響[4]，因此降低爐膛兩側墻還原性氣氛濃度可以防止側墻的高溫腐蝕和結焦現象。目前為控制爐膛側墻區域還原性氣氛，常在側墻區域送入一股貼壁風以補充側墻區域的氧量[5]，降低還原性氣氛，但是常規的貼壁風送入并不能徹底改變側墻的強還原性氣氛環境，高溫腐蝕和結焦現象雖然得到緩解但仍然經常發生[7]。

該文對某350 MW 機組鍋爐進行了全爐膛的數值模擬，發現了爐膛內存在向兩側墻擴散流動的漩渦氣流，該漩渦氣流流動會將爐膛中部的煤粉氣流遷移至爐膛兩側墻區域，最終會提高兩側墻區域的煤粉顆粒濃度和CO 濃度，使得爐膛兩側墻氧量降低，最終導致側墻區域出現高溫腐蝕和結焦等現象。

該文分析了爐膛內向兩側墻流動的漩渦氣流的流體動力學機理，發現爐膛內兩側墻區域氣流上升阻力小而爐膛中部煤粉氣流上升阻力大是爐膛內煤粉流向兩側墻區域的根本原因，針對該漩渦氣流流動機理提出了一種改進的前后墻貼壁風結合側墻貼壁風綜合技術，一方面可有效地提高側墻區域的氣流上升阻力，抑制爐膛內的煤粉氣流向兩側遷移流動，另外還可以有效控制爐膛兩側墻的還原性氣氛環境，提高側墻氧量，降低兩側墻的H2S濃度和煤粉顆粒濃度，有效避免爐膛兩側墻高溫腐蝕和結焦。

1 側墻高溫腐蝕形成原因數值模擬計算結果與分析研究

1.1 研究對象

該次研究對象為350 MW 超臨界對沖燃煤鍋爐，參數變壓運行螺旋管圈直流爐、單爐膛、一次中間再熱、前后墻對沖燃燒方式、平衡通風、固態排渣、前煤倉布置、緊身封閉、全鋼懸吊結構π 型鍋爐。

燃燒設備采用前后墻對沖燃燒方式的旋流煤粉燃燒器，總共20 只旋流煤粉燃燒器分前墻3 層后墻2 層布置，每層4只旋流煤粉燃燒器。前、后墻旋流煤粉燃燒器的上方各布置2 層燃盡風，每層4 只燃盡風（AAP）噴口，并在前、后墻各布置有2 只側燃盡風（SAP）噴口。前墻下層燃燒器安裝微油點火系統。

燃燒用煙煤，煤質分析見表1。

表1 煤的元素分析和工業分析

1.2 模型建立

按照鍋爐實際尺寸建立爐膛的三維模型，全爐膛模型如圖1 所示。全爐膛采用結構性網格，并對燃燒器區域和燃盡風區域進行局部加密，以提高計算精度。

圖1 爐膛模型圖

1.3 計算方法

采用SIMPLE 算法對壓力-速度耦合進行求解，采用標準離散方式求解壓力，組分、速度、動量等的求解采用二階迎風方式。非預混燃燒模型模擬煤粉氣流燃燒，氣相湍流燃燒采用混合分數-概率密度函數PDF 模型。煤粉燃燒過程中各相輻射傳熱采用P1 輻射模型進行計算[8]，并用DPM 模型追蹤顆粒軌跡。

在焦炭反應模型改進方面，與合作單位清華大學在Fluent 缺省的焦炭燃燒反應/擴散聯合控制模型的基礎上加入了對高溫熱失活現象、灰分抑制作用的定量描述，同時考慮焦炭氣化反應，建立了一個新的焦炭燃燒模型并通過編寫UDF 的方式在Fluent 平臺上予以實現。與Fluent 中缺省的聯合控制模型相比，新的焦炭燃燒模型可以在整個燃燒過程中準確預測焦炭轉化率[9]。

1.4 計算結果與分析

1.4.1 對沖爐漩渦氣流現象及形成機理分析

目前對于爐膛內旋轉氣流的研究主要集中在四角切圓燃燒鍋爐，而對于對沖燃燒鍋爐，普遍認為其爐膛內氣流為垂直上升氣流，不存在類似于四角切圓鍋爐內的旋轉流動，因此對于對沖爐內的旋轉氣流的研究尚未見有相關研究文獻報道。

隨著大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等新技術的發展，大學生學習行為呈現個性化、碎片化、泛在化等特征，移動學習所占比例增長顯著。調查主要針對大學生移動學習現狀、滿意度及學習效果影響因素，以期提出改善策略。

該文通過對某電廠350 MW 超臨界對沖燃燒鍋爐進行數值模擬研究，研究發現對沖爐內也存在旋轉上升氣流，主要分布在爐膛4 個角部的側墻燃燒器區域。模擬計算燃燒器煤粉氣流一次風軌跡如圖2 和圖3 所示。

從圖2 和圖3 可見，側墻燃燒器氣流首先流向爐膛兩側墻位置，當氣流旋轉至爐膛兩側墻位置以后，再沿兩側墻移動至爐膛前后墻區域，在爐膛4 個角部形成4 個漩渦流動。

對沖燃燒布置方式為鍋爐的爐膛內燃燒器和燃盡風噴口均為對沖布置，因此從噴口進入的氣流在水平射流過程中并不會像切圓燃燒一樣產生旋轉流動。根據圖3 可知，一次風氣流向兩側墻的擴散流動主要發生在氣流上升流動過程中，因此爐膛內氣流在上升流動過程中必然存在高度方向的阻力不均衡或者爐膛寬度方向的水平受力不均衡，使氣流偏向側墻流動。

圖2 一次風煤粉氣流軌跡（爐前正視圖）

圖3 一次風煤粉氣流軌跡（爐頂俯視圖）

為了分析上升氣流的阻力，將爐膛內流動的氣流簡化為2 個方向的流動，如圖4 所示，一個為爐膛下部的上升氣流，其速度為高度方向的速度Vy，另一個為爐膛內燃燒器或者燃盡風噴口出口的水平射流，其速度為水平方向的速度Vx，當上升氣流接觸水平射流氣體時，存在一個高度方向的相對速度，因此必然會產生一個高度方向的相對作用力F+y 和F-y，其中F+y 為下部上升氣流對上部氣流的上升推力，而F-y 為上部氣流對下部氣流的上升阻力。

圖4 上升氣流受力分析

爐膛中部區域布置了大量的燃燒器和燃盡風噴口，其水平射流必然會對下部上升氣流產生高度方向的阻力，而爐膛兩側墻在未布置側墻燃盡風的情況下，不會由于水平射流產生流動阻力，因此上升氣流就會因阻力偏差向兩側墻流動，最終形成爐膛內4 個角部的旋轉上升氣流。

1.4.2 漩渦氣流對側墻區域氣氛環境的影響

煤粉爐燃燒的煤粉顆粒尺寸較小，顆粒跟隨性也較好，因此會在漩渦氣流的作用下向兩側墻流動，并因和壁面的撞擊等作用在側墻區域聚集，使得側墻區域煤粉濃度升高。

圖5 一次風煤粉氣流軌跡（爐右側視圖）

從圖5 中可見，燃燒器一次風煤粉射流在上升階段受阻力偏差影響開始向側墻傾斜，而上層燃燒器區域爐膛內氣流上升速度更高，因此上層燃燒器煤粉射流最快開始上升流動，并在高度方向不均衡的阻力影響下偏向側墻流動，使爐膛上部燃燒器區域煤粉氣流對側墻的覆蓋更寬，如引起腐蝕，面積也更大；而下部燃燒器煤粉氣流水平射流長，因此下部燃燒器煤粉氣流對側墻的覆蓋區域小。

2 措施分析及優化

爐膛內氣流上升阻力的不均衡導致了爐膛內的氣流向兩側墻流動，并最終形成對沖爐內的漩渦氣流，因此增加爐膛內兩側區域氣流上升流動的阻力，是抑制爐膛內部氣流偏向兩側墻流動的最直接的方法，合理地布置貼壁風射流可以增加側墻區域的上升流動阻力及側墻氧量。

合理地布置貼壁風射流方向可以增加側墻區域的上升流動阻力，如果將貼壁風下噴，就可以明顯地抑制側墻區域的上升流動。

針對某350 MW對沖燃燒鍋爐燃燒設備布置特點，提出前后墻貼壁風結合側墻貼壁風綜合技術，為了對比不同貼壁風方案對控制爐膛兩側墻煤粉濃度和氧濃度的效果，將表2 各工況進行數值模擬研究，并對比每個工況側墻區域各截面煤粉顆粒濃度和氧濃度的變化。

表2 數值模擬計算工況匯總表

分析顯示，前后墻貼壁風可有效抑制煤粉顆粒向側墻移動，在相同貼壁風風率下，前后墻貼壁布置12 只噴口抑制煤粉顆粒向側墻移動的效果比16 只好，主要是由于單只噴口動量大，能夠更好地消弱側墻渦流；側墻布置有貼壁風噴口的周圍，有效地補充了側墻壁面氧量水平，有效地改善了側墻還原性氣氛。

3 工程應用

3.1 實施方案

該次優化技術在某350 MW 超臨界對沖燃燒鍋爐上實施應用，貼壁風布置主要特點為前后墻分3 層布置12 只貼壁風噴口，側墻布置1 層4 只貼壁風噴口。

3.2 測試工況

該次貼壁風改造在側墻水冷壁鰭片上開孔引出測點，開孔標高位置在前后墻貼壁風噴口標高處，沿鍋爐中心線向前后墻各布置5 個測點，用于測試改造后燃燒區域避免氣氛。

該次試驗主要研究在不同的貼壁風擋板開度下，側墻的氧量及CO 情況，以便確定最佳的貼壁風擋板開度組合。

由于現場條件限制，該次工況測量做了一些精簡，各測量工況說明如下：工況1、工況2 對各層測量孔都進行了測試；工況3、工況4 主要目的是研究側墻貼壁風效果，僅對第一層、第二層測量孔進行測量，見表3。

表3 工況匯總表

3.3 測試結果

側墻O2、H2S、CO 測試結果見表4。

表4 測試結果匯總表

測試結果顯示，側墻整體氧量達到3%以上，布置有側墻貼壁風周圍H2S 濃度基本為0 ppm。

4 結論

該文通過對350 MW 對沖爐全爐膛的數值模擬研究及工程應用，獲得以下結論。1）對沖爐爐內氣流上升阻力的不均衡促進了爐膛內旋轉上升氣流的形成，改變側墻區域的貼壁風設置可以控制側墻區域的氣流上升阻力，消弱對沖爐內的旋轉上升氣流。2）由于爐膛高度方向氣流上升速度的差異，對沖爐內上層燃燒器煤粉射流最早開始偏向側墻流動，使爐膛上部燃燒器區域煤粉氣流對側墻的旋流沖刷范圍更寬，而下部燃燒器煤粉氣流水平射流長，其煤粉氣流對側墻的旋流沖刷覆蓋區域小，最終會在側墻區域形成倒三角形分布特性的高煤粉濃度區域，還原性氣氛增強，導致側墻還原區區域高溫腐蝕、結焦嚴重。3）前后墻貼壁風結合側墻貼壁風技術一方面可有效提高側墻區域的氣流上升阻力，抑制爐膛內的煤粉氣流向兩側遷移流動，另外還可以有效控制爐膛兩側墻的還原性氣氛環境，降低兩側墻的H2S 濃度和煤粉顆粒濃度，有效避免爐膛兩側墻高溫腐蝕和結焦。