燃煤電廠鍋爐機組受熱面積灰結渣研究現狀與展望

劉鵬宇,李德波,劉彥豐，陳兆立,馮永新,廖宏楷

(1.華北電力大學 動力工程系，河北 保定 071003；2.南方電網電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080)

0 引 言

根據我國能源政策，我國動力用煤主要以低品位劣質煤為主，含灰量較多[1]，因此設計燃用劣質煤的鍋爐機組在鍋爐各受熱面均存在不同程度的受熱面積灰、沾污和結渣現象[2]。即使在設計燃用煤質略好的鍋爐機組中，由于不可燃礦物質的沉積，各受熱面仍會產生不同程度的積灰和結渣，而我國各燃煤電廠普遍受限于經濟成本和地理位置的限制，無法燃用投運鍋爐設計煤種，實際燃用煤種與設計煤種偏差較大，部分電廠將2種或2種以上不同特性的煤種進行不同配比摻混燃燒，為設計燃用較好煤種的鍋爐帶來受熱面積灰結渣的問題。

在低灰分煤中，具有高揮發分、良好著火和燃盡特性的準東煤應具有優秀的積灰結渣特性，但由于其含堿性氧化物較多導致實際燃用時積灰結渣問題嚴重。因此，煤種是鍋爐積灰結渣問題最大的影響因素。

除煤種外，影響不同受熱面積灰結渣的因素也不盡相同，但鍋爐受熱面積灰結渣引起的后果比較嚴重。目前在役燃煤鍋爐機組中，受熱面積灰會造成爐膛內部煙氣流動紊亂，導致局部煙氣中飛灰濃度劇增，含塵量較高的煙氣沖刷受熱面，進一步加劇受熱面換熱管的磨損和腐蝕，使其發生爆管導致被迫停爐的可能性加劇；由于渣體的導熱系數遠低于金屬管壁，因此受熱面結渣會導致傳熱條件惡化，降低鍋爐出力并造成受熱面金屬壁溫升高甚至達到超溫條件，長期易誘發超溫爆管事故，導致被迫停爐；另一方面，鍋爐結渣較嚴重時，體積過大的渣塊由于重力小于曳力而發生墜落，砸壞冷灰斗等其他鍋爐內部設備，嚴重影響鍋爐安全運行，清除鍋爐結渣也較危險。

綜上所述，鍋爐受熱面積灰結渣問題不可避免且會導致鍋爐效率降低以及熄火和被迫停爐等事故，因此只能通過不同控制手段盡量保證鍋爐不發生或減輕積灰結渣的危害。筆者首先基于積灰、結渣的生成原因，闡述其危害和影響因素，并對影響因素相關研究和提出的數學模型進行綜述；然后總結目前積灰結渣的數值模擬工作和現階段的研究不足，提出展望，以期為更全面的鍋爐機組積灰結渣研究提供借鑒。

1 鍋爐積灰研究現狀及展望

1.1 積灰生成原因及其危害

燃煤電廠燃用的煤種中含有不可燃礦物質，隨煙氣一起流經爐膛各受熱面會受到其裹挾灰分的沖刷和沉積。積灰可根據形成時所處溫度的不同分為高溫和低溫型積灰，高溫型積灰多發生于屏式過熱器、對流過熱器等對流受熱面，而后者則易發生在低溫省煤器和空氣預熱器中[3]。

受熱面積灰主要由下述原因導致：① 煤種原因；② 鍋爐制粉系統的啟、停造成的運行調整滯后；③ 燃燒器一、二次風壓、風速發生變化，從而影響爐內燃燒工況變化后引起的飛灰升高；④ 其他換熱器入口流場不均或煙道截面積突變。

由于積灰的導熱系數較金屬小，加之受熱面積灰造成因爐膛中煙氣流通面積減小、阻力增大誘發的引風機和增壓風機電耗增加，使燃煤電廠經濟性下降；煙氣中灰分隨煙氣流動時，會對不同受熱面造成磨損和侵蝕，從而增加爆管事故發生的可能性。積灰較嚴重時可能在受熱面上出現搭橋現象，同時若灰分在受熱面出現一定量沉積，則很容易轉變為受熱面結渣，從而降低燃煤電廠安全性[3-5]。

1.2 高溫受熱面積灰研究

煤粉在爐膛中燃燒形成的煙氣整體呈上升流流經各個受熱面。由于折焰角是燃燒室和水平煙道的過渡結構，且遠離折焰角區域的爐膛中心或爐膛上部區域中煙氣流速較高，折焰角附近區域煙氣流速較低，從而形成了一個如圖1所示的回流區。煙氣在折焰角回流區處突然轉向，形成擾流，導致部分煙氣在此處停滯，煙氣中所攜帶的飛灰在此作用下下降并沉積在折焰角區域[4]。

圖1 折焰角回流區示意Fig.1 Schematic diagram of the recirculation zoneof the folded flame

在高溫煙氣飛灰沉積模型研究中，朱以周等[6]認為工程實際中，在較高的爐內溫度、較快的煙氣流速及以輻射換熱為主的3重作用影響下，沉積模型中可以忽略分子間吸引力、慣性分離、靜電力、機械網羅作用[3]的影響，只考慮穿越邊界層時的慣性力、曵力及重力的影響；飛灰在輻射受熱面上的沉積在建模時可簡化為飛灰顆粒與受熱面碰撞、黏附作用與飛灰在輻射受熱面上累積至沉積層后遭到新飛灰顆粒的侵蝕作用的疊加。針對鍋爐折焰角部位的積灰研究，崔海娣等[7]對1 a內發生3次折焰角因結渣導致停爐的某660 MW電廠進行分析，發現追求低NOx燃燒方式，采用將4層燃盡風門全開至100%、燃燒區域二次風門開度均不大于20%和部分輔助二次風門開度僅為10%的機組運行方式導致爐內火焰中心位置偏高，從而使得折焰角部位溫度高于燃用煤的軟化溫度，導致在折焰角處未燃盡碳再燃加速積灰結渣沉積物的形成，后優化二次風門組合，選擇合理的煤粉細度等措施降低火焰中心位置，有效調整鍋爐機組運行，避免了由于折焰角頻繁塌渣造成的停爐事故，但降低火焰中心位置雖然可以改善折焰角處結渣特性，但會對冷灰斗區域積灰結渣產生負面影響，因此火焰中心高度應綜合考慮。針對水平煙道的研究，喻遠清等[8]對新昌電廠超超臨界機組水平煙道積灰進行研究，發現該電廠在高溫過熱器與高溫再熱器之間和高溫再熱器與低溫再熱器之間未加裝吹灰器，導致運行時積灰累積并進一步影響煙氣流速，繼而加重積灰趨勢，其水平煙道積灰情況如圖2所示，因此停爐后在水平煙道下方間隔布置2排吹灰器并按2 d/次頻率進行吹灰作業，使得該電廠超超臨界機組積灰情況得到改善。

圖2 水平煙道積灰情況[8]Fig.2 Fouling of horizontal flue[8]

1.3 低溫受熱面積灰研究

低溫受熱面常由于其設計負荷較低，導致煙氣流經受熱面時速度較低，且煙氣中含有大量煙塵增大了受熱面受到污染和發生積灰的概率。由于鍋爐尾部煙氣中常含污染氣體，加之國家要求進一步降低尾部煙氣溫度，從而使煙氣中飛灰與SOx、NOx等產生化學反應，造成煙道積灰、堵塞[9-10]，因此改善尾部受熱面積灰對燃煤電廠鍋爐的安全、環保運行有重要意義。

針對鍋爐低溫受熱面積灰特性，陳衡等[10]基于冷態積灰試驗平臺，研究了不同運行參數的煙氣和不同形式、結構的管束對低溫受熱面的影響，發現在綜合鍋爐運行的安全性和經濟性的因素下，低溫受熱面中以較小間隔順列布置H型翅片管，從而發揮其較高的翅化系數和較低的阻力以改善低溫受熱面積灰現象的發生。從管束進一步到低低溫省煤器的布置形式方面，張知翔等[11]根據燃用煤種硫分不同，基于試驗臺對不同布置形式進行研究，發現對于中、低硫分煤種可以采用水平方式進行布置，而對于高硫分煤種則推薦采用自下而上的布置方式。在低溫受熱面工程實際中，李楠等[5]基于某300 MW機組低低溫省煤器針對積灰導致的磨損和泄漏問題展開研究，發現低低溫省煤器的布置空間較為緊張，布置緊密導致其之間易形成積灰黏結“搭橋”。針對上述現象，對低低溫省煤器的結構和受熱面尺寸進行優化設計，從而改善受熱面積灰堵塞。低低溫省煤器后的空預器中煙氣成分及含灰量進一步惡化，導致空預器蓄熱板表面接觸大量含灰量大、腐蝕性氣體體積分數較高的煙氣，造成積灰和磨損。針對此現象，陳小強等[12]基于600 MW機組對空預器的積灰現象開展研究，發現空預器中溫段及冷端由于SCR脫硝中噴入過量氨導致發生NH4HSO4積灰，從而逐漸喪失換熱能力，如圖3所示，因此將蓄熱板采用兩段式減小NH4HSO4的積灰區域來緩解空預器的積灰問題。

圖3 空氣預熱器冷端蓄熱板積灰和腐蝕[12]Fig.3 Fouling and corrosion of the heat storage plateat the cold end of the air preheater[12]

1.4 積灰解決措施及其模型

針對高低溫受熱面的積灰難題，目前解決積灰的有效手段還是吹灰，不同燃煤電廠采用的吹灰方式普遍為蒸氣、水力、燃氣脈沖、氣體激波以及聲波的物理吹灰方式。甘加耀等[13]對上述幾種吹灰方式進行比較發現，對于屏式受熱面應采用蒸氣吹灰，而尾部受熱面則可在松散狀積灰時采用蒸氣、聲波、燃氣脈沖、氣體激波吹灰，黏性積灰則可采用聲波、燃氣脈沖和氣體激波吹灰方式，氣體激波同時也可以陣列方式用于水平煙道；當燃用煤種結渣傾向較嚴重時，可以采用水力吹灰。

燃煤電廠鍋爐機組在保證吹灰效果時，應優先采用能耗較低的吹灰器[13]，但其閾值難以把控，電廠經濟性介于保證機組安全運行和降低吹灰系統能耗之間，難以兼顧，需要一種能較好均衡二者的吹灰方式，因此基于不同受熱面灰污監測技術的智能吹灰系統[2]是未來受熱面積灰處理的重要研究方向。

為了解決上述最佳吹灰周期問題提出智能吹灰。智能吹灰的優勢在于解決了傳統吹灰方法按固定時間間隔進行吹灰操作及燃煤灰分和鍋爐負荷差異較大，受熱面的積灰情況也會產生很大差異，按照固定時間間隔吹灰有很大的盲目性和隨意性，容易產生過度吹灰或吹灰不足的問題[14]；通過確定最佳吹灰周期開展定時吹灰，避免了燃煤電廠的過度吹灰，提升電廠經濟性；按既定的吹灰周期進行吹灰還可在較大程度上節約蒸氣，特別是在低負荷及煤種含灰量低的情況下更加突出[14]。

燃煤電廠智能吹灰的實現包括3部分：① 建立描述受熱面積灰狀況的物理量及含有該物理量的數學模型；② 爐膛內煙氣側溫度測量；③ 基于建立的數學模型開展程序的開發、編譯和工程應用。

而燃煤電廠各受熱面的煙氣流動和傳熱工況十分復雜。受熱面溫度受煙溫測點的材料限制和冷面輻射的影響，導致煙溫測量值不能準確指示受熱面的溫度，而受熱面煙溫的準確性在很大程度上制約智能吹灰系統中在線監測部分功能。因此對智能吹灰系統研究中，有研究者[2，14]提出通過計算各受熱面的潔凈因子來判斷積灰程度，從而確保智能吹灰系統在工程上的精確應用。

(1)

式中，FC為清潔因子；α1為煙氣對受熱面的放熱系數，kW/(m2·K)；α2為工質對受熱面的放熱系數，kW/(m2·K)；δh和λh分別為管壁煙氣側灰層厚度(m)及其導熱系數(W/mK)。

圖4 對流受熱面傳熱過程示意[2]Fig.4 Schematic diagram of heat transfer processin convection heating surface[2]

但目前關于智能吹灰的研究大多停留在受熱面積灰監測部分，融合較多影響因素的復雜智能吹灰尚在探索，是未來重要的發展方向[15]。

綜上所述，無論是高溫還是低溫受熱面，由于其換熱均需有煙氣流經，因此不可避免會發生受熱面積灰現象，目前已投產的各大燃煤鍋爐機組中采用的吹灰設施仍停留在定期吹灰或長期吹灰運行狀態下，但減少吹灰會使高溫受熱面積灰轉化為高溫受熱面結渣，且在低溫受熱面造成煙道堵塞，而過度吹灰則浪費廠電資源并降低吹灰器使用壽命。因此基于電子智能監測技術方向的智能化吹灰系統的開發和應用是目前解決鍋爐受熱面積灰的熱點。探索耦合多因素的復雜智能吹灰系統是未來重點研究方向。

2 鍋爐結渣研究現狀及展望

2.1 結渣生成原因及其影響因素

結渣的生成機理是由于煙氣灰粒中諸如鈣、鐵和堿性氧化物等成分的沉積層不斷增厚，且沉積層表面溫度進一步升高并繼續捕捉飛灰，從而形成半熔融沉積物層。因此，灰熔融溫度的高低影響渣的形成，通常選取軟化溫度TS來判斷煤燃燒的結渣情況[3]。但灰的熔融溫度并不能作為結渣傾向的決定性因素，因此不能只從灰的熔融溫度出發判斷是否容易結渣。

從結渣生成的機理可知，結渣是積灰在高溫條件下繼續演變、惡化的產物，因此結渣將在積灰危害的基礎上進一步惡化鍋爐的運行情況。鍋爐受熱面結渣會降低傳熱系數，從而影響鍋爐出力、降低鍋爐效率；結渣進一步發展、惡化時，則會出現超溫爆管及渣體墜落砸壞爐內設備，導致熄火而被迫停爐。

鍋爐結渣受多因素影響，但首要因素為煤種特性[13]，以劣質煤種為動力燃煤及煤中普遍存在的不可燃礦物是造成鍋爐機組結渣的重要因素。煤磨成粉狀送入爐膛燃燒，由于煤粉在爐膛中停留時間過短，較粗的煤粉可能來不及完全燃燒便隨煙氣離開主燃區，因此降低了燃燒效率，顯著加劇爐內結渣傾向[16]。但煤粉過細則會增加磨煤機的電耗，因此煤粉細度對結渣的影響需綜合考慮。根據文獻[7]中折焰角部位積灰塌渣現象可知，爐內形成良好的動力場諸如燃燒器擺動角度、一、二次風的配風方式等，有助于減輕火焰中心處于爐膛中心部位結渣，甚至防止爐膛四周水冷壁及折焰角部位結渣。在組織良好的動力場中燃燒時，若連續高負荷持續運行，使得爐膛溫度過高，也會引起爐膛水冷壁的大量結渣。

2.2 結渣影響因素及緩解預防方法研究

為探究鍋爐結渣的影響因素和緩解方法，有研究者通過搭建一維試驗臺進行研究。白揚等[16]基于一維火焰爐對2種不同煤種進行摻混燃燒時，發現其燃盡特性與摻混的2種煤的燃盡特性相關，且摻混2種在某一方面性質不同的煤種可以得到2種煤該方面的折中特性。白揚等[16]繼續基于350 MW鍋爐機組進行現場摻配后發現摻混結渣特性較輕的煤可顯著改善只燃用一種結渣特性較差的煤種的鍋爐結渣特性。除對摻混煤種進行改良外，不少研究者尋求在煤中加入添加劑來改善結渣現象。李宇航等[17]基于一維試驗臺(火焰爐)對不同添加劑緩解結渣的機理進行研究，得出在減輕結渣效果方面，摻混添加劑后煤灰中硅鋁比具有重要影響，而Al2O3質量分數的影響則不明顯。

在組織良好動力場中燃用低灰分、高揮發分且有良好的著火和穩燃特性的準東煤時，鍋爐輻射受熱面出現嚴重結渣導致被迫停爐檢修。不少研究者針對此現象開展研究并發現在燃用堿金屬含量高的煤種時極易發生鍋爐結渣現象[18]，且堿性氧化物的存在使得煤灰的軟化溫度大幅降低，造成灰渣在受熱面上快速積累[19]。

企業員工的個性化激勵是將員工看作企業最重要的資源的重要表現，在這一理念的影響下，企業員工管理活動中的任何一個環節，實質上都以員工自身的具體需求為基礎和前提。只有真正將員工作為企業的發展核心，才有可能為企業發展尋找新動力。在知識經濟成熟發展的今天，企業面臨的競爭進一步加劇，如何更好地開展企業經營管理活動，已經成為一項極其重要的工作。

針對堿金屬和不可燃礦物對結渣特性的研究，王萌等[20]在天池煤灰中加入蛭石后研究了礦物與灰熔融溫度之間的關系，發現蛭石可以提升煤灰的灰熔融溫度，但效果有限，在工程實際中應搭配Al含量較高的添加劑進行協同作用。朱旭初[21]在搭建的積灰試驗臺上通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)對某電廠超臨界350 MW鍋爐機組受熱面的結渣現象進行分析，認為長時間摻混高鈉煤導致1號鍋爐因結渣被迫停運，并針對此現象提出在工程實際中預摻混煤種進行燃燒時，其比例應通過專項摻混燃燒試驗確定，并儲備一定量在結渣特性方面表現優良的煤種備用。蔡軻靖等[22]利用計算機控制掃描電鏡(CCSEM)對不同動力用煤的鐵礦分布與結渣特性之間的關系進行探究，認為結渣現象不僅與煤灰中Fe2O3含量有關，鐵礦物的形式和堿性元素之間的耦合特性也有重要影響。

目前燃煤電廠鍋爐機組應用較多的四角切圓和旋流對沖燃燒方式對結渣的影響也不盡相同。針對四角切圓運行方式，當切圓半徑偏大時，易造成含煤粉的氣流貼墻，其中含有大量未燃燒的煤粉，碰到水冷壁后導致鍋爐爐膛水冷壁出現嚴重的結渣現象(圖5)。因此，對于四角切圓燃燒方式，小切圓設計及通過偏置風對切圓進行調節可有效緩解爐膛水冷壁的結渣現象[18，21，23]。對于旋流對沖燃燒方式而言，如圖6所示，前后墻一次風速偏差不平衡時會導致風粉動量小的一側射流被壓迫，從而造成對沖后的氣流出現偏斜，沖刷兩側墻，造成側墻水冷壁結渣。因此，對于旋流對沖鍋爐而言，應使前后墻一次風保持相當的一次風速，從而減輕、預防兩側墻水冷壁結渣[24]。隨著國家能源減排力度的不斷加大，我國已投產的超臨界和超超臨界鍋爐機組普遍采用低NOx燃燒技術，由于其采用分級送風的燃燒技術而造成爐內近壁處還原性氣氛濃烈，文獻[13，18，23]研究表明煤灰熔融溫度與還原性氣氛濃度呈負相關關系，即還原性氣氛越濃，煤灰熔融溫度越低，因此采用低NOx燃燒技術的超臨界及超超臨界鍋爐其水冷壁更易發生近壁處受熱面大面積結渣。

圖5 切圓半徑過大示意Fig.5 Schematic diagram of too large tangent circle radius

圖6 對沖射流壓迫示意Fig.6 Schematic diagram of opposing jet compression

針對低氮燃燒對鍋爐受熱面結渣的影響，王毅斌等[25]對某臺330 MW鍋爐機組的灰渣成分進行研究，認為低NOx燃燒所營造濃烈的還原性氣氛中，更多的金屬元素會提前從煤中以揮發態形式逸出并產生細顆粒物，且在此氣氛下，灰熔融溫度降低，可吸附更多煙氣中的粉塵及細顆粒物。對于還原性氣氛的定量研究，楊冬等[26]對2臺完成低NOx改造的鍋爐機組進行煙氣取樣測試，發現還原性氣體CO體積分數從5%增加到10%的過程中，煤灰熔融溫度由于鐵元素化合物的存在狀態和形式的變化大幅下降，如圖7所示。結合機理分析，在工程實際中對低NOx改造后的鍋爐進行研究，王慧青等[24]對進口350 MW機組改造后燃燒器噴口和側墻水冷壁易出現結渣的問題進行探究，得出在燃用易結渣煤種時，應確保燃燒器噴口風量、將3層旋流燃燒器的內、外二次風全開，并將旋流強度減小至30°，同時實施斷層CO(氣氛1)=CO(氣氛2)=0；氣氛3～氣氛6的CO體積分數依次增加5%燃燒，控制爐膛內溫度，從而降低還原性氣氛對煤灰熔融性的影響。

圖7 不同氣氛下神華煙煤的灰熔融溫度[26]Fig.7 Ash melting point of Shenhua bituminous coalin different atmospheres[26]

燃煤電廠鍋爐機組受熱面結渣后，除進行煤種摻混燃燒外，較多通過燃燒調整來改善爐內燃燒情況[27]。針對受熱面結渣的燃燒調整，寇希文等[28]基于某350 MW機組對SOFA風率與受熱面結渣的關系進行了探討，認為燃燒區的燃盡程度及氧氣濃度與SOFA風率呈負相關，從而導致燃燒區處于還原性氣氛下，促進受熱面結渣，但能增加二次燃燒區的燃盡程度，緩解燃盡區結渣，因此SOFA風率應根據燃燒區和二次燃燒區結渣情況綜合判斷。在選擇適當的SOFA風后，李建偉等[21]還認為正寶塔配風方式也可以降低火焰中心，且該種配風方式能防止因不同燃燒器層出力不同而導致的爐膛部分區域的結渣。

2.3 結渣實時監測及數學模型的建立

對于超臨界和超超臨界鍋爐機組，普遍配備實時數據在線監測系統，可較方便采集數據，因此可以實時監測鍋爐受熱面的積灰結渣情況，從而靈活調整燃燒，以避免事故發生。楊冬等[26]采用目前較主流的結渣清潔因子方法(式(2))對鍋爐積灰結渣問題進行了數值建模，其基于：① 鍋爐結渣會引起爐膛出口煙溫升高；② 反平衡法計算爐膛出口煙焓、煙溫；③ 根據熱力計算標準推導出的平均熱有效性系數計算公式方法在文獻[26]中闡述了鍋爐結渣數學模型的建立方法。 通過該數學模型求得鍋爐內實時平均熱有效性系數，從而通過監測清潔因子評估受熱面結渣情況，其基于1 000 MW鍋爐機組表明預測結果與實際結果吻合較好。

綜上可知，燃煤電廠鍋爐機組受熱面結渣是受多種因素影響和制約的復雜現象，而目前研究主要集中在改變1～2種影響因素減輕結渣，較少研究綜合摻混多煤種、不同煤種摻混情況下爐內結渣、催化劑和一、二次風及不同燃燒器負荷配置等多種因素協同一體的最優化結渣調整方法。需要指出的是近年來隨著燃煤價格普遍上漲，燃煤電廠為降低運行成本，不得不摻燒一些劣質煤，嚴重影響鍋爐安全穩定運行，如何最大限度減少大面積結渣是現場實際運行中重點關注的問題。在國家進一步要求控制污染排放的形勢下，爐內還原性氣氛濃度勢必繼續上升，如何基于多種方法協調減輕、控制結渣現象是未來研究重點。

3 積灰結渣數值模擬及工程應用

3.1 數值模擬方法及其特性

隨著電子信息技術的飛速發展及成熟應用，商用計算流體動力學CFD(Computational Fluid Dynamics)技術也得到了快速發展，使得研究人員能夠以較低成本和較短周期，針對不同問題，對鍋爐的速度場、溫度場及組分場開展全參數、變負荷的數據求解，能準確、高效地指導燃煤電廠的工程實際問題[29]。

搭建實驗臺或基于工程實際的鍋爐積灰結渣研究往往是在鍋爐機組停機檢查或受其影響被迫停爐之后，采取其灰樣通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)等研究其中成分后再相應作出調整。花費時間長且改良后措施需通過實際運行來驗證，而基于Fluent對機組開展數值模擬則可結合工程實際來比對并驗證Fluent模型的正確性[29]，從而進一步指導工程實際，如YANG等[30]對300 MW機組開展貼壁風研究，對比了CO數據來驗證模型的正確性如圖8所示。

圖8 現場測量和數值模擬的貼壁風改造前的CO體積分數以及H2S與CO的關系[30]Fig.8 In suit measured and numerically simulated COconcentration before the near-wall air retrofitting and therelation between H2S and CO[30]

3.2 基于積灰結渣的數值模擬方法

CFD技術特性適合鍋爐積灰結渣相關研究，從而實現文獻[21]中建議的具體摻混煤種比例應先通過試驗探究確定。

煤粉燃燒包括煤的熱解、點燃、燃燒等一系列復雜的物理和化學變化過程，而積灰結渣又與煙氣的流動存在強耦合作用，因此積灰結渣的數值模擬中應注重湍流流動及傳質傳熱等與煙氣流動相關的設置。

上述四角切圓和前后旋流對沖燃燒方式中都存在較強的旋流流動，因此可采用氣相湍流流動帶旋流修正的Realizablek-ε模型；氣相燃燒選用基于化學平衡計算且適用于湍流擴散火焰的非預混燃燒模型，從而可根據流場中任意一點的混合分數值來計算組分濃度、密度和溫度；為追蹤顆粒在燃燒及煙氣流動過程中的信息，顆粒運動軌跡采用綜合考慮顆?；坪屯牧饔绊懙碾S機軌道模型；爐膛中焦炭燃燒目前普遍使用動力/擴散控制模型；輻射傳熱使用可考慮顆粒影響且計算時間較短的P-1模型[6，29-30]。綜上，基于積灰結渣的數值模擬方法見表1，可較準確開展積灰結渣的數值模擬工作。

表1 積灰結渣Fluent模型

3.3 積灰結渣數值模擬研究

基于鍋爐受熱面積灰結渣的數值模擬研究中，朱以周等[6]對一臺660 MW超臨界鍋爐機組的飛灰沉特性進行了數值模擬，通過Fluent-CFD擴展功能加載飛灰沉積源模型進行計算，得出在BMCR工況下，前墻和后墻墻面中心處沉積物較多的飛灰沉積規律具有一致性，如圖9所示，且飛灰沉積速率與飛灰顆粒的大小呈正相關。而對結渣方面的數值模擬研究方面，張莉[31]等基于一臺1 000 MW塔式鍋爐的結渣特性進行數值模擬研究，認為該機組燃燒器四周水冷壁及SOFA風的下方區域結渣可能性較大，且其增長率根據水冷壁受熱面所處位置不同，其數值分布在1×10-6～5×10-6m/s；還得出在70%負荷下結渣增長率較低，這也與前述分析影響結渣的因素相吻合。在改善積灰結渣的不同煤種摻混研究方面，甘加耀等[13]針對330 MW鍋爐機組的不同配煤方案進行了探究，發現鍋爐機組在底層燃燒器燃用中等灰分煤種、中層燃燒器燃用高灰分煤種和高層燃燒器燃用低灰分煤種的搭配方案時爐膛溫度較低、結渣較輕。

圖9 前墻和后墻輻射受熱面上飛灰顆粒沉積分布[6]Fig.9 Distribution of ash particles on the radiant heatingsurface of front wall and back wall[6]

針對燃煤電廠鍋爐燃燒及污染物生成過程的數值模擬，研究者通常在揮發分燃燒模型中選用混合分數/概率密度函數(PDF)模型，但該模型在煤種摻混中存在只能研究2種煤的短板，因此煤種摻混數值模擬研究中建議采用有限元率/渦耗散模型來模擬較復雜的煤種摻混。

Fluent-CFD中擴展功能可實現較強的編譯功能，而目前通過基于其他編程軟件對Fluent自帶的邊界條件進行優化和拓展方面的研究較少，在一定程度上導致數值模擬在預測和模擬鍋爐積灰結渣部分不準確，這也是將數值模擬和工程應用相結合來解決燃煤電廠鍋爐機組積灰結渣的重要研究方向。

在ANSYS Fluent中，通過加入UDF模型，考慮更加復雜的積灰結渣數學模型，尤其是研究者理論研究成果，結合實驗室數據，修正ANSYS Fluent現有的數學模型，將會提高數值模擬預測準確性。另外結合現場鍋爐積灰結渣工程數據，將數值模擬結果與現場試驗數據進行對比驗證，從而更好指導現場優化運行工作，也是迫切需要解決的關鍵問題。

4 結論與展望

目前研究者針對不同類型鍋爐機組的受熱面積灰結渣開展了機理和預防措施的研究，指導了電廠的安全、平穩及經濟運行，但還存在以下問題：

1)燃煤鍋爐積灰的改善措施中，目前主流做法仍以吹灰為主，但吹灰的頻率、次數和持續時間仍不能按受熱面的實時狀態進行，因此可基于受熱面積灰狀態監測技術方面開展智能吹灰系統的研究和開發，提高鍋爐吹掃效果，減少無效吹灰，尤其是減少過量吹灰對鍋爐受熱面造成的吹掃問題。且在智能吹灰的數學模型上，僅采用輻射修正的誤差較大，故對于半對流半輻射受熱面應提出考慮對流、輻射綜合影響的數學模型。

2)在鍋爐機組結渣特性研究中，研究者多基于1～2種改善措施開展相關研究，而受熱面結渣是綜合多種因素的復雜現象。因此，優化結渣現象應在多煤種、不同催化劑、多形式配風和變燃燒器出力等多舉措協同優化方面開展研究，開發相應的多因素作用下鍋爐結渣特性的預測分析軟件，對于指導現場鍋爐的運行具有重要意義。

3)基于摻混煤種改善受熱面積灰結渣現象的研究中，數值模擬是一種便利的指導工具，在進行復雜煤種(2種以上)的配合方案模擬中，可以使用有限反應速率/渦耗散模型來實現。

4)在對積灰結渣現象進行數值模擬時，針對不同沉積或結渣模型，研究者可以采用ANSYS Fluent擴展功能中編譯模型代碼來實現傳統數值模擬的拓展，從而更好地指導燃煤電廠鍋爐機組受熱面積灰結渣問題,該數學模型與ANSYS Fluent軟件耦合，可提高積灰結渣數值模擬的預測精度。