武一鳴

（中國(guó)石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

在節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的今天，貼壁風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用有助于從根本上解決鍋爐水冷壁高溫腐蝕的問(wèn)題，學(xué)術(shù)界對(duì)其開(kāi)展了廣泛的研究，研究結(jié)果顯示，貼壁風(fēng)技術(shù)是一種提升水冷壁表面氧化氣氛、降低腐蝕的有效辦法。貼壁風(fēng)的傾角對(duì)水冷壁高溫腐蝕的影響較大，相關(guān)研究較少，通過(guò)Fluent 軟件進(jìn)行鍋爐水冷壁貼壁風(fēng)傾角的模擬，分析貼壁風(fēng)量和傾角對(duì)高溫腐蝕的影響，為進(jìn)一步推廣低氮燃燒改造奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 鍋爐概況

某熱電廠使用日本進(jìn)口四角切圓鍋爐，爐體結(jié)構(gòu)為單體式，采取自適應(yīng)通風(fēng)控制、自動(dòng)排渣、框梁鋼架斜拉索模式、龍門布局、煤粉膛內(nèi)直吹等技術(shù)，鍋爐整體尺寸為56.70 m× 21.46 m×18.61 m，四角切圓直徑1.50 m。燃燒器選擇了日本三菱重工出產(chǎn)的MPM 型垂直吹粉下排渣燃燒器，燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)

圖2 三維網(wǎng)格和橫截面網(wǎng)格

2 物理模型和網(wǎng)格劃分

該燃燒器采用數(shù)字建模后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形式選擇六面體，整個(gè)燃燒器共分為上、中、下3 個(gè)部分，網(wǎng)格形式的選擇在綜合考慮計(jì)算效率與計(jì)算精度基礎(chǔ)上進(jìn)行，采用擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行修正，網(wǎng)格線盡量順應(yīng)噴煤粉方向進(jìn)行劃分，降低擴(kuò)散系數(shù)的大小，中部處于主要燃燒區(qū)域，為進(jìn)一步提升計(jì)算精度，中部采取密集網(wǎng)格劃分，確保該區(qū)域獲得接近真實(shí)工況的計(jì)算精度。

3 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算工況

3.1 數(shù)學(xué)模型

基于熱流體公式計(jì)算熱量傳遞，建立k—ε 模型模擬堂內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，按照非預(yù)混燃燒模式及相關(guān)函數(shù)確定膛內(nèi)燃燒參數(shù)，通過(guò)基里連科熱化學(xué)方程計(jì)算煤粉燃燒熱量的產(chǎn)生，添加焦炭借助于第二熱擴(kuò)散定律建立模型，煤粉在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方式按照隨機(jī)湍流模型。在軟件中利用后處理中氣體生成量計(jì)算模型預(yù)測(cè)NOx的產(chǎn)生種類和含量，按照燃燒與溫度雙重平衡模式進(jìn)行多迭代運(yùn)算，首先在爐膛冷卻狀態(tài)下添入已知參數(shù)求解，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行爐膛燃燒狀態(tài)下各項(xiàng)數(shù)據(jù)的計(jì)算，經(jīng)過(guò)多次迭代后，使計(jì)算結(jié)果收斂。離散方程采取熱平衡與壓力平衡公式進(jìn)行求解，求解過(guò)程引入二階積分因子獲得離散數(shù)據(jù)，確認(rèn)計(jì)算結(jié)果收斂的條件為全部數(shù)據(jù)符合第二熱擴(kuò)散定律為止，既熱傳遞誤差低于10-6。

3.2 計(jì)算工況

該鍋爐進(jìn)行低氮改造后，在爐膛內(nèi)的主要燃燒區(qū)域和還原區(qū)域均出現(xiàn)高溫腐蝕問(wèn)題，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步改造降低局部高溫。采取的辦法是在高溫區(qū)設(shè)置貼壁風(fēng)裝置，使燃燒層與水冷壁產(chǎn)生一定的間隔，貼壁風(fēng)噴口為矩形，距離水冷壁表面0.5 m，讓貼壁風(fēng)可以沿著水冷壁表面吹入爐膛，這時(shí)將貼壁風(fēng)輸送方向與水平面的夾角作為其傾角，貼壁風(fēng)入射角度如圖3 所示。貼壁風(fēng)的風(fēng)源設(shè)置為鍋爐自帶的一次送風(fēng)。

圖3 貼壁風(fēng)入射角度

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改造后鍋爐的數(shù)字化建模模擬試驗(yàn)結(jié)果是否正確，在熱電廠進(jìn)行實(shí)際工況測(cè)試。距離水冷壁表面1 m 處設(shè)置熱電偶傳感器，沿右墻高度方向均勻設(shè)置8 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)與數(shù)字化建模模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5 所示，從圖中可以看出二者誤差低于4%。

圖4 數(shù)字化建模模擬試驗(yàn)爐膛溫度分布

圖5 真實(shí)工況下?tīng)t膛溫度測(cè)量結(jié)果

4.2 速度場(chǎng)分析

兩種工況下?tīng)t膛Y=10.37 m 截面處氣流速度分布規(guī)律如圖6 所示。采用鐵壁峰設(shè)備后，在一次風(fēng)的帶動(dòng)下煤粉進(jìn)入爐膛可以順利形成切圓，減少了對(duì)水冷壁的沖擊，爐膛內(nèi)氣流分布較為對(duì)稱，氣流速度分布受貼壁風(fēng)的影響，高速區(qū)向上偏移，使腐蝕作用降低，對(duì)水冷壁起到了一定的保護(hù)作用。

圖6 工況0 和工況1 爐膛內(nèi)氣流速度分布規(guī)律

4.3 貼壁氧量

工況0～工況5 的膛內(nèi)水冷壁附近氧氣濃度分布如圖7 所示，貼壁風(fēng)量的增加有效提高了水冷壁附近氧氣濃度，貼近水冷壁一側(cè)的吹風(fēng)角度優(yōu)化，使?fàn)t膛內(nèi)上部與中部區(qū)域的氧氣百分比得到提升，使還原性區(qū)域和主燃燒區(qū)域的高溫腐蝕現(xiàn)象得到了很好的抑制。

圖7 工況0～工況5 貼壁O2 體積分?jǐn)?shù)分布云圖

4.4 貼壁煙溫

優(yōu)化后貼壁風(fēng)量增加，爐膛內(nèi)上、中、下3 個(gè)區(qū)域的水冷壁表面溫度均呈下降趨勢(shì)，爐膛下部區(qū)域溫度降低程度最大，這是因?yàn)橘N壁風(fēng)采用鍋爐一次風(fēng)，溫度遠(yuǎn)低于爐膛內(nèi)的溫度，爐膛下部區(qū)域獲得的風(fēng)量比重最大。

5 結(jié)束語(yǔ)

貼壁風(fēng)的吹入角度和位置是決定貼壁風(fēng)作用的主要因素。在高硫煤四角切圓鍋爐的水冷壁表面增加貼壁風(fēng)量，可以有效增強(qiáng)煤粉射流的強(qiáng)度，優(yōu)化爐膛內(nèi)氣流分布。貼壁風(fēng)量的增加，還能起到降低水冷壁表面溫度的作用，對(duì)水冷壁表面發(fā)生高溫腐蝕的現(xiàn)象起到很好的抑制作用，同時(shí)貼壁風(fēng)量的增加進(jìn)一步減少水冷壁表面腐蝕物的積累，起到保護(hù)水冷壁表面的作用。當(dāng)距離爐膛內(nèi)水冷壁表面最近的貼壁風(fēng)吹入角度為60°時(shí)，爐膛內(nèi)上、中、下3 個(gè)區(qū)域的氧氣含量都有所提升，減少水冷壁附近CO 和H2S 等氣體的產(chǎn)生，抑制鍋爐低氮改造后水冷壁表面的高溫腐蝕現(xiàn)象。距離爐膛內(nèi)水冷壁表面最近的貼壁風(fēng)吹入角度為75°時(shí)，貼壁風(fēng)隨堂內(nèi)氣流擴(kuò)散，對(duì)水冷壁表面高溫腐蝕現(xiàn)象的抑制作用降低。高硫煤四角切圓鍋爐進(jìn)行低氮燃燒改造后，采取貼壁風(fēng)技術(shù)可以有效改善水冷壁表面的高溫腐蝕，對(duì)節(jié)能減排與生態(tài)環(huán)保具有積極作用。