方志星

（浙江浙能北侖發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800）

0 引言

目前，燃煤發(fā)電是我國電力供應(yīng)的主要形式，且在可預(yù)見的未來里，它仍將占據(jù)我國電力生產(chǎn)的首要地位[1]。因此，保障燃煤機(jī)組安全穩(wěn)定運行對于國計民生至關(guān)重要。鍋爐作為燃煤機(jī)組的三大主設(shè)備之一，是確保電站安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，但在實際運行中卻面臨著諸多威脅。其中，水冷壁高溫腐蝕是較為普遍且極具危害的一種。據(jù)統(tǒng)計，我國80%以上燃煤鍋爐出現(xiàn)了不同程度的高溫腐蝕現(xiàn)象[2]。高溫腐蝕會加速水冷壁壁厚減薄，繼而造成水冷壁泄漏和爆管，嚴(yán)重危及鍋爐機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運行。一般認(rèn)為，水冷壁高溫腐蝕主要與燃煤品質(zhì)、水冷壁壁面溫度、近壁處煙氣成分和爐內(nèi)氣固兩相的流動特性有關(guān)[3-5]。燃煤品質(zhì)降低、水冷壁壁面溫度升高、近壁處還原性氣氛加強(qiáng)、腐蝕性氣體（主要是H2S）增多以及爐內(nèi)空氣動力場組織不合理等皆會引發(fā)嚴(yán)重的高溫腐蝕問題。

近年來，為滿足日益嚴(yán)格的NOX排放標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)一大批燃煤機(jī)組紛紛采用爐膛空氣分級燃燒技術(shù)。然而，隨著空氣分級程度的提高，水冷壁高溫腐蝕狀況卻急劇惡化，主要是由于爐膛分級送風(fēng)致使燃燒器區(qū)域形成濃厚的還原性氣氛，從而加劇水冷壁高溫腐蝕[6-9]。此外，為了緩解能源緊張而改燃低階煤、鍋爐參數(shù)提高而導(dǎo)致水冷壁壁溫升高等因素都使得現(xiàn)代電站鍋爐更容易受到高溫腐蝕的威脅[10]。

目前防治高溫腐蝕的措施主要有防腐噴涂、燃燒調(diào)整和貼壁風(fēng)改造等。研究表明，加裝貼壁風(fēng)設(shè)備是其中最為有效且可靠的方法[2-4，7-9，11-15]。盡管研究者們在貼壁風(fēng)技術(shù)上做了大量的工作，但是關(guān)于深度空氣分級條件下貼壁風(fēng)防腐蝕效果的研究仍相對較少。某660 MW 前后墻對沖燃燒鍋爐在采取深度空氣分級燃燒技術(shù)后水冷壁出現(xiàn)了大面積的高溫腐蝕，且腐蝕主要集中在側(cè)墻區(qū)域。本文通過現(xiàn)場試驗，對該鍋爐側(cè)墻貼壁煙氣成分進(jìn)行測量，分析側(cè)墻產(chǎn)生高溫腐蝕的主要原因。在此基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的貼壁風(fēng)布置方案，采用數(shù)字模擬的方法，研究貼壁風(fēng)對側(cè)墻貼壁流場、組分濃度分布以及爐內(nèi)燃燒過程的影響，以此判斷其對側(cè)墻高溫腐蝕的緩解效果。

1 鍋爐運行概況

本文研究對象為1 臺IHI-FWSK 型660 MW亞臨界參數(shù)自然循環(huán)鍋爐，爐膛斷面尺寸為22 202 mm×15 970 mm。鍋爐采用燃燒器對沖布置形式，共有24 只旋流燃燒器，前、后墻各布置3 層，每層4 只，此外，在上層燃燒器上方，前、后墻各布置1 層燃盡風(fēng)噴口，每層6 只。滿負(fù)荷運行時，后墻上層燃燒器處于備用狀態(tài)。

為了在爐內(nèi)實現(xiàn)深度空氣分級燃燒，對原燃燒系統(tǒng)實施改造。改造后，燃燒器數(shù)量和相對距離不變，但整體下移3 500 mm，原上層燃燒器位置增加8 只燃盡風(fēng)噴口，同時，燃盡風(fēng)率（占總風(fēng)量）提高至35%左右，鍋爐的主要結(jié)構(gòu)及各噴口的具體布置見圖1。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)及燃盡風(fēng)噴口布置

表1 燃用煤煤質(zhì)分析結(jié)果

鍋爐運行時主要燃用低硫煤，其煤質(zhì)分析結(jié)果見表1。運行一段時間后，在停爐檢修時發(fā)現(xiàn)下層燃燒器標(biāo)高至上層燃盡風(fēng)標(biāo)高范圍內(nèi)出現(xiàn)大面積高溫腐蝕。從腐蝕的程度看，側(cè)墻比前后墻嚴(yán)重，側(cè)墻中間比兩邊嚴(yán)重，最嚴(yán)重的區(qū)域發(fā)生在上層燃燒器與下層燃盡風(fēng)之間的側(cè)墻中間區(qū)域。雖然該機(jī)組自投運以來也出現(xiàn)過高溫腐蝕現(xiàn)象，但是深度空氣分級燃燒改造后，這一現(xiàn)象有明顯增強(qiáng)趨勢。

研究發(fā)現(xiàn)，我國煤粉鍋爐水冷壁高溫腐蝕大多屬于硫化物型腐蝕，造成這種腐蝕的根本原因在于壁面附近存在強(qiáng)還原性氣氛并伴有大量腐蝕性氣體H2S[3，8-9，11-12，15-16]。為了解實際煙氣條件對水冷壁高溫腐蝕的影響，在腐蝕最嚴(yán)重的兩側(cè)墻加裝煙氣測孔，每側(cè)墻各9 個，分為3 層，從下到上分別布置在3 層燃燒器高度，每層沿側(cè)墻深度等間距分布3 個測孔，每個測孔的編號及具體位置見表2。在660 MW 負(fù)荷常規(guī)運行工況下，對側(cè)墻煙氣成分進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。由于側(cè)墻附近CO 體積分?jǐn)?shù)超出煙氣分析儀的最大量程，所以僅采用氧量作為氣氛的判別參數(shù)[13]。測量結(jié)果表明，側(cè)墻附近大部分區(qū)域氧量低于0.5%，屬于強(qiáng)還原性氣氛[15]，而側(cè)墻近壁處H2S 體積分?jǐn)?shù)并沒有預(yù)想的高，基本在200 μL/L 以下。可見，在當(dāng)前燃用低硫煤的情況下，雖然爐內(nèi)總體H2S濃度水平不高，但是強(qiáng)還原性氣氛的存在仍會導(dǎo)致水冷壁發(fā)生高溫腐蝕。特別是在采取深度空氣分級燃燒技術(shù)之后，燃燒器區(qū)域還原性氣氛加強(qiáng)，高溫腐蝕隨之加劇。此外，側(cè)墻6 個中間測孔中有3 個（5，8，11）出現(xiàn)堵孔，且堵孔僅出現(xiàn)在上層和中層燃燒器高度位置，結(jié)合實際煤粉的粒徑分布（R90>20%），推測堵孔的原因很可能是上、中層燃燒器煤粉氣流直接沖刷側(cè)墻中部所致。綜合上述分析可以得出，治理該鍋爐高溫腐蝕的關(guān)鍵主要在于2 點：一是減輕煤粉對側(cè)墻的沖刷強(qiáng)度；二是降低壁面附近還原性氣氛。

表2 側(cè)墻測孔位置及編號

表3 側(cè)墻煙氣成分測量結(jié)果

2 物理模型

大量實踐表明，通過燃燒調(diào)整可以基本消除煤粉刷墻現(xiàn)象，但水冷壁周圍強(qiáng)還原性氣氛無法得到根本改善[6，16]。針對這個問題，普遍采用貼壁風(fēng)技術(shù)來減少近壁處還原性氣氛[2，7-9，11-15]。 為此，考慮為該鍋爐加設(shè)1 組貼壁風(fēng)裝置，并采用數(shù)值模擬的方法，研究貼壁風(fēng)對側(cè)墻高溫腐蝕的緩解效果。

模擬區(qū)域選取鍋爐本體至水平煙道入口。按照鍋爐實際尺寸，建立全爐膛三維模型。采用分區(qū)域劃網(wǎng)格方法，以提高網(wǎng)格質(zhì)量，所有區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了削弱偽擴(kuò)散現(xiàn)象對計算精度的影響，沿燃燒器出口氣流流向劃分燃燒器區(qū)域網(wǎng)格并進(jìn)行加密。經(jīng)網(wǎng)格獨立性分析后，最終確定網(wǎng)格數(shù)為300 萬左右。

選用Realizable k-ε 模型模擬爐內(nèi)的湍流流動；采用混合分?jǐn)?shù)/概率密度模型描述氣相湍流燃燒；煤粉顆粒的追蹤采用隨機(jī)軌道模型；煤的熱解選用單步反應(yīng)模型；焦炭的燃燒選用動力/擴(kuò)散模型；用P1 模型計算輻射傳熱；在模擬計算過程中考慮兩相之間質(zhì)量、動量和能量傳遞；最后選擇SIMPLE 算法求解各控制方程。

選取BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況作為原始工況，各個噴口均采用速度入口邊界條件，根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)設(shè)置入口參數(shù)。爐膛出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力為-120 Pa。在結(jié)合以往工程經(jīng)驗與該鍋爐腐蝕現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計在前后墻、靠近側(cè)墻位置加裝8 只圓形貼壁風(fēng)噴口，每面墻4 只，分2 層，分別與上、中兩層燃燒器標(biāo)高一致，噴口中心與外側(cè)燃燒器中心距離為3 500 mm，噴口直徑為450 mm。貼壁風(fēng)風(fēng)速為41 m/s，占總風(fēng)量的5%，該工況視為貼壁風(fēng)工況，各工況具體參數(shù)見表4。

表4 計算工況運行參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 貼壁風(fēng)對側(cè)墻貼壁流場的影響

考慮到貼壁風(fēng)是剛性較強(qiáng)的射流，貼壁風(fēng)的引入必然會對其附近流場產(chǎn)生極大影響，如圖2所示，其中Z0為與左側(cè)墻平行且相距200 mm 的爐膛縱截面。由圖2（a）可以看出，在原始工況下，燃燒器區(qū)域側(cè)墻貼壁煙氣具有明顯的從中間向兩邊擴(kuò)散的趨勢。這主要與對沖燃燒鍋爐內(nèi)流場特性有關(guān)，即前后墻對沖氣流在爐膛中心發(fā)生碰撞后沖向側(cè)墻中間區(qū)域，并沿側(cè)墻向前墻、后墻方向進(jìn)行擴(kuò)散[3-4，17-18]。當(dāng)實施深度空氣分級燃燒技術(shù)后，燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)變小，CO 濃度升高、未燃盡碳含量增加，受爐內(nèi)流場特性影響，大量CO 和未燃盡煤粉顆粒沖向側(cè)墻，進(jìn)而導(dǎo)致側(cè)墻還原性氣氛濃厚，且加劇煤粉對側(cè)墻的沖刷。由圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，前后墻布置貼壁風(fēng)后，貼壁風(fēng)覆蓋在側(cè)墻表面形成一層氣膜，阻斷了對沖煙氣向側(cè)墻的沖刷，減輕煤粉顆粒對水冷壁的磨損，且在一定程度上稀釋了近壁面還原性氣氛。同時，貼壁風(fēng)的加入使得側(cè)墻附近氣流流速升高，氣流擾動加劇，一方面改善了貼壁風(fēng)與近壁面煙氣的混合過程，增強(qiáng)貼壁風(fēng)對可燃物的補燃效果，以此破壞側(cè)墻區(qū)域還原性氣氛；另一方面，提高側(cè)墻自吹灰能力，減少灰粒（尤其是未燃盡煤粉顆粒）在水冷壁上沉積，進(jìn)一步降低側(cè)墻發(fā)生高溫腐蝕的概率。

3.2 貼壁風(fēng)對側(cè)墻組分濃度的影響

添加貼壁風(fēng)的最主要目的是為側(cè)墻區(qū)域進(jìn)行補氧，從而改變側(cè)墻煙氣氛圍。圖3、圖4 分別為Z0截面各噴口標(biāo)高線上的O2和CO 體積分?jǐn)?shù)分布，其中線L1-L4由低到高分別對應(yīng)中層、下層燃燒器與下層、上層燃盡風(fēng)。從圖3 可以看出，原始工況下，側(cè)墻附近（L1-L4）O2體積分?jǐn)?shù)幾乎為0，處于極度缺氧狀態(tài)。而隨著貼壁風(fēng)的加入，側(cè)墻附近O2體積分?jǐn)?shù)大幅提升，大部分區(qū)域O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2%以上，貼壁風(fēng)對側(cè)墻的整體補氧效果顯著。但是從O2的具體分布情況來看，O2體積分?jǐn)?shù)在側(cè)墻上呈現(xiàn)雙峰分布，局部區(qū)域O2體積分?jǐn)?shù)仍低于0.5%，這部分區(qū)域主要集中在側(cè)墻的中心及其兩側(cè)。

圖2 Z0 截面上速度矢量場

圖3 側(cè)墻附近O2 體積分?jǐn)?shù)分布

圖4 顯示，在原始工況下，側(cè)墻附近（L1-L4）CO 體積分?jǐn)?shù)較高，基本在4.5%～8.0%，屬于強(qiáng)還原性氣氛[15]。側(cè)墻上CO 體積分?jǐn)?shù)具有中間高、兩邊低的分布特點，且上層燃燒器與下層燃盡風(fēng)標(biāo)高位置上的CO 濃度較其它位置更高，這與之前提到的鍋爐實際高溫腐蝕分布狀況大致相符，證明了模擬的準(zhǔn)確性。添加貼壁風(fēng)后，側(cè)墻附近高濃度CO 基本上得以消除，僅在中層燃燒器標(biāo)高線上中心小部分區(qū)域內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)高于3%。結(jié)合圖3 和圖4 可知，目前的貼壁風(fēng)方案基本能消除中、上層燃燒器及燃盡風(fēng)（L1-L4）側(cè)墻區(qū)域還原性氣氛，從而達(dá)到防治高溫腐蝕的要求。

圖4 側(cè)墻附近CO 體積分?jǐn)?shù)分布

3.3 貼壁風(fēng)對燃燒的影響

貼壁風(fēng)對煙氣溫度具有正反兩面影響，一方面能夠促使可燃物繼續(xù)燃燒，提高煙氣溫度；另一方面由于貼壁風(fēng)溫度較低，能在一定程度上冷卻煙氣。為了分析貼壁風(fēng)對爐內(nèi)燃燒過程的影響，選取中、上層燃燒器中心橫截面，分別以Y1 和Y2 表示，不同工況下Y1 和Y2 截面的煙溫分布變化見圖5、圖6。從圖5（a）和圖6（a）中可以看出：原始工況下，側(cè)墻附近存在較為彌散的高溫區(qū)域，溫度為1 500～1 600 K，該高溫區(qū)域的形成主要是由于在深度空氣分級條件下，大量煤粉顆粒與部分CO 在側(cè)墻附近燃燒放熱所致。水冷壁附近較高的煙氣溫度，會使得水冷壁壁面溫度升高，加速水冷壁的老化，降低其抗磨損和抗腐蝕能力，為高溫腐蝕創(chuàng)造了有利條件[7，13]。由圖5（b）和圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)：貼壁風(fēng)工況下，側(cè)墻附近煙氣溫度為1 400～1 500 K，比原始工況下降了近100 K。結(jié)合圖5 和圖6 可知，添加貼壁風(fēng)對爐膛中間區(qū)域的燃燒過程幾乎沒有影響，但能夠有效降低側(cè)墻附近煙氣溫度，縮小側(cè)墻高溫區(qū)域的范圍，進(jìn)一步抑制了側(cè)墻的高溫腐蝕。

圖5 Y1 截面上溫度分布

圖6 Y2 截面上溫度分布

4 結(jié)論

（1）某660 MW 前后墻對沖燃燒鍋爐采用深度空氣分級燃燒技術(shù)后側(cè)墻出現(xiàn)了嚴(yán)重的高溫腐蝕現(xiàn)象，且腐蝕程度沿側(cè)墻中間到兩邊遞減，最嚴(yán)重的區(qū)域發(fā)生在上層燃燒器與下層燃盡風(fēng)之間的側(cè)墻中部區(qū)域。

（2）貼壁煙氣成分測量結(jié)果表明，側(cè)墻附近強(qiáng)還原性氣氛與煤粉刷墻是造成側(cè)墻發(fā)生高溫腐蝕的主要原因。

（3）原始工況的模擬結(jié)果表明，側(cè)墻近壁處存在明顯的煤粉刷墻現(xiàn)象；側(cè)墻附近O2體積分?jǐn)?shù)幾乎為0，CO 體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3%，呈強(qiáng)還原性氣氛，且側(cè)墻上CO 體積分?jǐn)?shù)的分布特征與實際高溫腐蝕的程度分布基本吻合。

（4）添加貼壁風(fēng)后，減輕了煤粉顆粒對側(cè)墻的磨損與沉積；側(cè)墻大部分區(qū)域內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)提高到2%以上，CO 體積分?jǐn)?shù)降低至3%以下，還原性氣氛基本上得以消除。

（5）添加貼壁風(fēng)對爐膛中間區(qū)域的燃燒過程幾乎沒有影響，但使側(cè)墻附近煙溫降低100 K 左右，進(jìn)一步抑制了高溫腐蝕的出現(xiàn)。