贴壁风倾角对水冷壁高温腐蚀影响研究

武一鸣

（中国石油大庆石化公司热电厂，黑龙江大庆 163000）

0 引言

在节能减排标准日趋严格的今天，贴壁风技术的应用有助于从根本上解决锅炉水冷壁高温腐蚀的问题，学术界对其开展了广泛的研究，研究结果显示，贴壁风技术是一种提升水冷壁表面氧化气氛、降低腐蚀的有效办法。贴壁风的倾角对水冷壁高温腐蚀的影响较大，相关研究较少，通过Fluent 软件进行锅炉水冷壁贴壁风倾角的模拟，分析贴壁风量和倾角对高温腐蚀的影响，为进一步推广低氮燃烧改造奠定技术基础。

1 锅炉概况

某热电厂使用日本进口四角切圆锅炉，炉体结构为单体式，采取自适应通风控制、自动排渣、框梁钢架斜拉索模式、龙门布局、煤粉膛内直吹等技术，锅炉整体尺寸为56.70 m× 21.46 m×18.61 m，四角切圆直径1.50 m。燃烧器选择了日本三菱重工出产的MPM 型垂直吹粉下排渣燃烧器，燃烧器结构如图1 所示。

图1 燃烧器结构

图2 三维网格和横截面网格

2 物理模型和网格划分

该燃烧器采用数字建模后进行网格划分，网格形式选择六面体，整个燃烧器共分为上、中、下3 个部分，网格形式的选择在综合考虑计算效率与计算精度基础上进行，采用扩散系数进行修正，网格线尽量顺应喷煤粉方向进行划分，降低扩散系数的大小，中部处于主要燃烧区域，为进一步提升计算精度，中部采取密集网格划分，确保该区域获得接近真实工况的计算精度。

3 数学模型与计算工况

3.1 数学模型

基于热流体公式计算热量传递，建立k—ε 模型模拟堂内气流运动，按照非预混燃烧模式及相关函数确定膛内燃烧参数，通过基里连科热化学方程计算煤粉燃烧热量的产生，添加焦炭借助于第二热扩散定律建立模型，煤粉在膛内的运动方式按照随机湍流模型。在软件中利用后处理中气体生成量计算模型预测NOx的产生种类和含量，按照燃烧与温度双重平衡模式进行多迭代运算，首先在炉膛冷却状态下添入已知参数求解，根据计算结果进行炉膛燃烧状态下各项数据的计算，经过多次迭代后，使计算结果收敛。离散方程采取热平衡与压力平衡公式进行求解，求解过程引入二阶积分因子获得离散数据，确认计算结果收敛的条件为全部数据符合第二热扩散定律为止，既热传递误差低于10-6。

3.2 计算工况

该锅炉进行低氮改造后，在炉膛内的主要燃烧区域和还原区域均出现高温腐蚀问题，对这些区域进行进一步改造降低局部高温。采取的办法是在高温区设置贴壁风装置，使燃烧层与水冷壁产生一定的间隔，贴壁风喷口为矩形，距离水冷壁表面0.5 m，让贴壁风可以沿着水冷壁表面吹入炉膛，这时将贴壁风输送方向与水平面的夹角作为其倾角，贴壁风入射角度如图3 所示。贴壁风的风源设置为锅炉自带的一次送风。

图3 贴壁风入射角度

4 模拟结果与分析

4.1 模拟结果与试验结果验证

为了验证改造后锅炉的数字化建模模拟试验结果是否正确，在热电厂进行实际工况测试。距离水冷壁表面1 m 处设置热电偶传感器，沿右墙高度方向均匀设置8 个测量点，将测得的数据与数字化建模模拟试验结果进行比对。模拟试验结果如图4、图5 所示，从图中可以看出二者误差低于4%。

图4 数字化建模模拟试验炉膛温度分布

图5 真实工况下炉膛温度测量结果

4.2 速度场分析

两种工况下炉膛Y=10.37 m 截面处气流速度分布规律如图6 所示。采用铁壁峰设备后，在一次风的带动下煤粉进入炉膛可以顺利形成切圆，减少了对水冷壁的冲击，炉膛内气流分布较为对称，气流速度分布受贴壁风的影响，高速区向上偏移，使腐蚀作用降低，对水冷壁起到了一定的保护作用。

图6 工况0 和工况1 炉膛内气流速度分布规律

4.3 贴壁氧量

工况0～工况5 的膛内水冷壁附近氧气浓度分布如图7 所示，贴壁风量的增加有效提高了水冷壁附近氧气浓度，贴近水冷壁一侧的吹风角度优化，使炉膛内上部与中部区域的氧气百分比得到提升，使还原性区域和主燃烧区域的高温腐蚀现象得到了很好的抑制。

图7 工况0～工况5 贴壁O2 体积分数分布云图

4.4 贴壁烟温

优化后贴壁风量增加，炉膛内上、中、下3 个区域的水冷壁表面温度均呈下降趋势，炉膛下部区域温度降低程度最大，这是因为贴壁风采用锅炉一次风，温度远低于炉膛内的温度，炉膛下部区域获得的风量比重最大。

5 结束语

贴壁风的吹入角度和位置是决定贴壁风作用的主要因素。在高硫煤四角切圆锅炉的水冷壁表面增加贴壁风量，可以有效增强煤粉射流的强度，优化炉膛内气流分布。贴壁风量的增加，还能起到降低水冷壁表面温度的作用，对水冷壁表面发生高温腐蚀的现象起到很好的抑制作用，同时贴壁风量的增加进一步减少水冷壁表面腐蚀物的积累，起到保护水冷壁表面的作用。当距离炉膛内水冷壁表面最近的贴壁风吹入角度为60°时，炉膛内上、中、下3 个区域的氧气含量都有所提升，减少水冷壁附近CO 和H2S 等气体的产生，抑制锅炉低氮改造后水冷壁表面的高温腐蚀现象。距离炉膛内水冷壁表面最近的贴壁风吹入角度为75°时，贴壁风随堂内气流扩散，对水冷壁表面高温腐蚀现象的抑制作用降低。高硫煤四角切圆锅炉进行低氮燃烧改造后，采取贴壁风技术可以有效改善水冷壁表面的高温腐蚀，对节能减排与生态环保具有积极作用。