配风方式及贴壁风对锅炉贴壁气氛影响规律研究

配风方式及贴壁风对锅炉贴壁气氛影响规律研究

顾有为

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司黑龙江省150036）

摘要：贴壁风是一种解决水冷壁高温腐蚀行之有效的方法，它在水冷壁表面形成一层空气膜，破坏了形成高温腐蚀所必须具备的还原性气氛。另外贴壁风来源于二次风，相对于炉膛内的高温烟气来说属于冷风，能够降低水冷壁附近的温度，有利于防止高温腐蚀。贴壁风技术以其简单可靠的优点在工程实际中受到广泛应用。

关键词：配风方式；贴壁风；锅炉贴壁气氛影响规律

目前，防治锅炉水冷壁高温腐蚀的技术路线主要有水冷壁喷涂、燃烧优化调整和安装贴壁风。水冷壁喷涂是一种被动防护措施，不能从根本上消除腐蚀根源，且需要定期更换。燃烧优化调整在一定程度上可以缓解水冷壁高温腐蚀，但是其缓解作用在很大程度上受炉膛出口ＮＯｘ排放限值的限制。贴壁风技术是通过向高温腐蚀区域定向补风，降低水冷壁贴壁烟气中腐蚀性气体的浓度，阻止高温腐蚀的发生，成为目前治理水冷壁高温腐蚀的主流技术。

一、锅炉概况

某锅炉为亚临界、自然循环、一次中间再热、摆动燃烧器调温、平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢构架、全悬吊结构、Π型布置汽包锅炉。燃烧器采用双尺度低氮燃烧器，满足低NOx的要求。锅炉CD和EE层的所有二次风喷口两侧均各安装一个贴壁风喷口。由于锅炉安装了两层燃烧器喷口，从而确立一种相对合理的贴壁风配风方案。

二、配风方式及贴壁风对锅炉贴壁气氛影响规律

1.数学模型。锅炉炉膛内的煤粉燃烧过程由多个子过程互相耦合而成，主要包含：湍流过程，颗粒相的输运，煤粉颗粒的热解和燃烧，气相反应物参与的均相燃烧反应，辐射和对流传热过程，氮氧化物等生成和还原过程等。本文针对四角切圆锅炉的具体特点，确定了模拟该煤粉锅炉燃烧过程的三维数学模型：采用方法描述炉内气相湍流流动，湍流模型选择了带旋流修正的模型；由于煤粉颗粒占气相的体积分数小于10%，因此选用离散相模型来描述颗粒相的运动；煤粉在流动的同时还伴随着挥发份析出和燃烧过程，因此采用双平行竞争反应模型模拟煤粉挥发份的析出，应用动力/扩散控制燃烧模型模拟焦炭燃烧，基于混合分数-概率密度函数模型模拟气相湍流燃烧；气相与固相之问的耦合计算采用计算单元内颗粒源项算法；选用辐射模型来模拟炉内辐射换热过程。各模型的具体描述见文献。采用结构化的网格划分方法，使用六面体网格。为了减少计算过程中的伪扩散，通过合适的网格划分使得燃烧器出口区域的网格线与流体流动方向基本一致，并将该区域网格加密，以准确模拟此区域物理量的大梯度特性。边界条件与数值求解在数值模拟计算中，入口边界条件采用速度入口条件，出口边界条件采用压力出口，方程的求解采用逐线迭代法和低松弛因子，压力与速度耦合采用SIMPLE算法，压力项离散采用PRESTO格式，其他项的离散格式为一阶迎风格式。

2.模拟结果。由于研究对象为某机组实际运行工况，故可以与热态测量数据相结合来对数值模拟准确性进行验证。所建立的几何模型、网格划分和数学模型能够合理地模拟炉膛内的流动、传热以及燃烧过程，可用于对实际锅炉运行过程中高温腐蚀状况的模拟。水冷壁的高温腐蚀与水冷壁附近烟气的温度场、速度场、烟气组份分布以及煤粉颗粒冲击水冷壁的情况有着密切联系。本文设置的贴壁风沿着平行于壁面的方向进入炉膛，直接影响水冷壁附近的相关分布。为了具体考察不同的贴壁风配风方式对水冷壁高温腐蚀的影响，选取了炉膛内平行且距离后墙0.1m处的截面，对该截面上的相关参数进行分析比较。由于在主燃区，锅炉墙面上的相关分布状况成中心对称的规律，所以截面能够代表其他面上的相关分布状况。锅炉运行中，炉膛内气流沿着逆时针方向转动上升，所以截面上气流都是从左下角流向右上角。随着CD层贴壁风风量增加，贴壁风沿壁面方向的穿透力增强，截面上CD层燃烧器及其以下区域高流速区域的面积逐渐扩大，但是增加的幅度不大。这说明贴壁风在水冷壁上形成的气膜覆盖面积得到一定的增加。然而，CD层贴壁风风量增加的同时，EE层贴壁风的风量却在减小。CD层燃烧器及其以上区域气流的高流速区域面积有较大的缩小，贴壁风对水冷壁的覆盖能力被削弱。虽然贴壁风能够冷却烟气，但并不是气流速度较高区域对应的在低氧状态下，CO含量的高低反应了烟气还原性气氛的强弱，同时CO与H2S之间也存在直接关系。当近壁烟气中CO含量较低（如小于0.03mol/L）时，可以认为烟气处于弱还原性或接近中性气氛状态，此时H2S的含量也相应较低，虽然氧量不足，但水冷壁发生高温腐蚀的可能性非常小；当近壁烟气中CO含量较高时，烟气处于强还原性气氛，同时存在大量的H2S等气体，极易造成水冷壁高温腐蚀。此外，相对于H2S和O2，CO浓度的变化范围更大，用CO浓度考察高温腐蚀状况更有利于判断。主燃区后墙附近，较高浓度的CO主要集中在右下侧。这种分布规律和四角切圆燃烧方式的流场特征有关。主燃区烟气沿逆时针方向旋转上升。后墙附近，左侧燃烧器进入炉膛气流自左向右的流动趋势与烟气流动方向一致，所以燃烧器喷射气流的穿透力得到增强，能够覆盖到截面A左上区的大部分面积，基本消除还原性气氛。而右侧燃烧器进入炉膛气流自右向左流动的速度分量本身较小，加上与烟气逆时针旋转的流动趋势相反，大部分气流自右向左流动一小段距离后均改变了流动方向，这部分气流的穿透力很弱，对还原性气氛的消除作用很弱。其中贴壁风由于沿平行壁面方向流动，其穿透力相对于和壁面成一定夹角的其他气流要强。随着贴壁风量的增加，面积逐渐扩大，但是总体来说对还原性气氛的消除作用不是很明显。

3.水冷壁附近颗粒浓度分布。贴壁风配风方式还会带来水冷壁附近颗粒物浓度分布的变化，较高的颗粒浓度主要集中在截面A主燃区的右下角区域。一次风喷口与墙面之间存在一定的夹角，煤粉颗粒喷射初期一次风气流动量消耗少，刚性较好，基本上不会冲刷墙面；随着煤粉颗粒的流动，一次风动量逐渐消耗，同时在炉内烟气的挤压作用下开始冲刷墙面。再加上流场的作用，就会出现水冷壁附近煤粉颗粒浓度的分布规律。随着的CD层贴壁风量的增加，CD层贴壁风喷口以下区域内高煤粉颗粒浓度区域面积逐渐缩小；类似地，随着EE层贴壁风量的减少，EE层贴壁风喷口以上区域高煤粉颗粒浓度区域的面积逐渐扩大。水冷壁附近较高煤粉颗粒浓度分布区域和水冷壁附近较高CO浓度分布区域重合很大，这是因为CO的生成主要是煤粉颗粒的不完全燃烧造成的。总的来说贴壁风配风方式下，近壁区域煤粉颗粒浓度相对较低，煤粉颗粒冲刷水冷壁的强度较小，对高温腐蚀的促进作用较弱。

通过对某锅炉进行贴壁风配风方式对水冷壁高温腐蚀影响的数值模拟的研究，数值模拟的结果与现场实际情况吻合比较好，验证了本文拟结果的有效性。水冷壁附近CO浓度对应的高温腐蚀危害相对最小，且水冷壁附近高煤粉颗粒浓度区域的面积最小，煤粉颗粒冲刷水冷壁的强度相对最弱，能明显减弱高温腐蚀。同时，该配风方式在保证较高的燃烧效率的同时，能够降低NOx的排放量。

参考文献：

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