多孔壁風(fēng)對(duì)煤粉燃燒特性及高溫腐蝕的影響分析*

魏佳佳,曾娜,陳雷宇,韓佳園

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力工程系，安徽 合肥 230000)

引言

由于煤炭中含有黃鐵礦成分，在煤炭燃燒時(shí)，含黃鐵礦的煤粉與煤灰顆粒在鍋爐內(nèi)共同對(duì)水冷壁造成一定的沖擊，使其保護(hù)膜遭到破壞，煤粉與煤灰黏在水冷壁上，當(dāng)鍋爐內(nèi)的煤粉燃燒時(shí)，黃鐵礦因受熱而分解，水冷壁附近為還原氣氛，且水冷壁達(dá)到一定溫度時(shí)，黃鐵礦所含的鐵與硫原子會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成硫化亞鐵，進(jìn)而逐漸氧化.由于反應(yīng)生成的四氧化三鐵易脫落，導(dǎo)致水冷壁不斷被腐蝕[1-4].

為了避免水冷壁的高溫腐蝕問題，需要分析高溫腐蝕的影響因素并采取相應(yīng)的防護(hù)措施.近年來，為解決高溫腐蝕問題，開發(fā)了附壁空氣抗高溫腐蝕技術(shù).通過增設(shè)多孔壁，將潔凈空氣引入鍋爐還原區(qū)，使?jié)崈艨諝鈴亩嗫妆诤退浔诖怪贝迪蝈仩t爐膛，并在水冷壁表面形成一層空氣膜，使其與還原性氣氛分離，稱為“多孔壁風(fēng)”[5-8].煤粉的燃燒過程十分復(fù)雜，不僅與鍋爐燃燒器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還受空氣氣流的影響[9-12].此外，不同種類煤粉性質(zhì)也會(huì)對(duì)煤粉燃燒產(chǎn)生一定的影響.

受以上各種因素影響，如果煤粉燃燒不完全，燃燒效率會(huì)降低，煤粉燃盡率也會(huì)降低[13].對(duì)此，探討多孔壁風(fēng)對(duì)高溫腐蝕和煤粉燃燒特性的影響，并對(duì)影響作進(jìn)一步分析，對(duì)于提高煤粉燃盡率，預(yù)防高溫腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生具有一定的意義.

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

針對(duì)多孔壁風(fēng)對(duì)煤粉燃燒特性及高溫腐蝕的影響開展實(shí)驗(yàn).首先，選擇實(shí)驗(yàn)煤種和實(shí)驗(yàn)條件；其次，對(duì)多孔壁風(fēng)對(duì)煤粉燃燒特性的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并做出分析；最后，對(duì)多孔壁風(fēng)對(duì)高溫腐蝕的影響開展實(shí)驗(yàn)并做出分析，具體內(nèi)容如下.

1.1 布設(shè)采樣點(diǎn)

首先，在電廠鍋爐內(nèi)布置測點(diǎn)[14].以鍋爐燃燒器出口中心點(diǎn)作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)建立坐標(biāo)系.選取截面的某處為測量區(qū)域，在測量區(qū)域停留一定時(shí)間，使煤粉在測量區(qū)域充分反應(yīng).在燃燒器附近區(qū)域的多個(gè)截面位置，不同徑向位置和軸向位置的鍋爐爐膛中心點(diǎn)的煤粉產(chǎn)生的煙氣組分和煙氣溫度開展測量工作，并對(duì)產(chǎn)生的煤粉固體顆粒作采樣分析.

1.2 獲取數(shù)據(jù)

對(duì)電廠鍋爐爐膛內(nèi)的不同位置的煤炭煙氣采集樣品，并對(duì)煤炭煙氣組分進(jìn)行分析，在煤焦顆粒采樣后，對(duì)煤焦顆粒的組分作出分析，并測量鍋爐爐膛內(nèi)的煙氣溫度[15].具體測量過程如下：利用水冷槍，從測量孔處深入鍋爐爐膛內(nèi)部取樣，爐膛內(nèi)的煙氣在真空泵的作用下經(jīng)鍋爐爐膛傳進(jìn)水冷槍，在水冷槍的冷卻作用下，再傳入集灰器進(jìn)行過濾.將收集到的煤焦顆粒放入密閉箱中保存，留取作后續(xù)元素分析.煤粉燃燒產(chǎn)生的煙氣在經(jīng)過集灰器后，被引入濾膜除灰裝置，從而進(jìn)一步去除煙氣中的固體顆粒，減少煙氣對(duì)測量儀的損害.經(jīng)過除灰后的煙氣被引入硅膠干燥器去除其中所含的水分，得到干燥的煙氣.經(jīng)過上述過程后，對(duì)煙氣的成分在線測量.將煤焦顆粒置于恒溫箱中干燥后，利用元素分析儀作元素分析.計(jì)算煤焦燃盡率的公式如式(1)所示：

ω=[1-(ψk/ψy)]/(1-ψy)

(1)

式(1)中，ω代表煤焦燃盡率，ψk代表原煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ψy代表測量樣品的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù).碳元素和氮元素的釋放率的計(jì)算式(1)如下：

α=1-[(ψiy/ψik)(ψβk/ψβy)]

(2)

式(2)中，α代表碳、氮元素的釋放率，ψi代表質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ψβ代表灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，k代表原煤，y代表樣品.利用公式(1)～公式(2)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的煤粉燃燒相關(guān)數(shù)據(jù)作相應(yīng)的計(jì)算.

2 設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件

選擇某煤種為實(shí)驗(yàn)材料，其粒徑的平均值為30微米，其性質(zhì)及參數(shù)如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)煤種性質(zhì)及參數(shù)

利用如表1所示煤種開展實(shí)驗(yàn).所用煤粉燃燒爐的結(jié)構(gòu)主要有多孔壁、加熱筒、燃燒器、燃盡風(fēng)噴口.其中，燃燒器的結(jié)構(gòu)為同心筒，內(nèi)筒為一次風(fēng)入口，其內(nèi)徑為10 mm，環(huán)的間隙為二次風(fēng)入口，內(nèi)徑為4 mm.分別在空氣分級(jí)耦合多孔壁風(fēng)、不耦合多孔壁風(fēng)兩種工況下，選取多孔壁風(fēng)系數(shù)，為0.05和0，選取均勻配風(fēng)、正三角形配風(fēng)和倒三角形配風(fēng)方式作為多孔壁風(fēng)配風(fēng)方式，基本反應(yīng)條件如表2所示.

表2 反應(yīng)條件

按照表1所示，在上述反應(yīng)條件下開展實(shí)驗(yàn).將噴口布置在燃燒器的預(yù)燃室周圍，噴口間距離均勻且一致.

多孔壁風(fēng)均會(huì)對(duì)空氣動(dòng)力場和溫度場產(chǎn)生作用[16].具體作用過程如下：

1)多孔壁風(fēng)作用于空氣動(dòng)力場，但不會(huì)明顯改變電廠鍋爐燃燒器的動(dòng)力場分布情況.當(dāng)一次風(fēng)和二次風(fēng)從燃燒器噴出，形成方向向下并沿徑向擴(kuò)散的氣流.與此同時(shí)，中心線位置形成強(qiáng)烈回流，卷吸周圍煙氣，并不斷沖刷水冷壁面.在不耦合多孔壁風(fēng)的情況下，在水冷壁面附近的回流量增加，可以直接沖刷水冷壁面，在空氣耦合多孔壁風(fēng)的情況下，多孔壁風(fēng)在水冷壁面形成新鮮的氣流，因回流作用，新鮮的氣流也隨水冷壁面向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將回流擠壓，使回流無法直接沖刷水冷壁面.在電廠鍋爐的還原氣氛區(qū)域，主煙氣流繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，并逐漸擴(kuò)散，有向下沖刷水冷壁面的趨勢.在不耦合多孔壁風(fēng)的情況下，水冷壁面被直接沖刷；在空氣耦合情況下，擴(kuò)散的主煙氣流也有沖刷水冷壁面的趨勢，但在多孔壁風(fēng)的作用下，水冷壁面附近有新鮮氣流產(chǎn)生，使煙氣沖刷水冷壁面受到限制，保護(hù)水冷壁面不被沖刷.

綜上，多孔壁風(fēng)通過形成新鮮氣流，使回流和主煙氣流受到擠壓，從而使主燃區(qū)和還原氣氛區(qū)域的水冷壁面不被沖刷.

2)多孔壁風(fēng)作用于溫度場.煤粉氣流噴射后立即點(diǎn)火，在電廠鍋爐的燃燒器下面形成水滴型火焰.空氣耦合多孔壁風(fēng)和不耦合多孔壁風(fēng)的情況下，溫度分布情況相似.多孔壁風(fēng)不會(huì)破壞電廠鍋爐內(nèi)的燃燒組織，也不會(huì)生成氮氧化物.與不耦合多孔壁風(fēng)的情況相比，在空氣耦合多孔壁風(fēng)的情況下，主燃區(qū)和還原氣氛區(qū)域的平均溫度更高.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 多孔壁風(fēng)對(duì)煤粉燃燒特性的影響分析

多孔壁風(fēng)的形成會(huì)使燃燒爐的水冷壁周圍形成富氧燃燒氣氛[17].在常壓富氧燃燒條件下，分析多孔壁風(fēng)對(duì)煤粉燃燒特性的影響.采用均勻配風(fēng)、正三角形配風(fēng)和倒三角形配風(fēng)方式，對(duì)煤粉燃燒特性產(chǎn)生的影響作出分析.首先，測量鍋爐內(nèi)的溫度分布情況.三種多孔壁風(fēng)配風(fēng)方式下鍋爐內(nèi)的溫度分布情況如圖1所示.

圖1 不同配風(fēng)方式下鍋爐內(nèi)的溫度分布情況圖

如圖1所示，采用三種不同的多孔壁風(fēng)配風(fēng)方式，電廠鍋爐燃燒器的下層均形成了高溫火焰區(qū)，前兩種配風(fēng)方式的火焰溫度較高.火焰燃燒中心位置離鍋爐爐膛出口處較遠(yuǎn)，使煤粉的燃盡時(shí)間更長，燃燒效率較高.采用倒三角形配風(fēng)方式，煤粉燃燒的最高溫度出現(xiàn)在鍋爐燃燒器的上部，與其他兩種配風(fēng)方式相比，火焰中心的位置較高，導(dǎo)致煤粉飛灰的含碳量增加，從而造成一定的熱損失.通過分析可知，煤粉燃燒火焰的中心位置越高，煤粉的燃盡時(shí)間越少，從而導(dǎo)致煤粉燃燒不完全.因此，上述三種多孔壁風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)煤粉燃燒特性的影響如下：倒三角形配風(fēng)方式最不利于煤粉充分燃燒，均勻配風(fēng)方式和正三角形配風(fēng)方式，與倒三角形配風(fēng)方式相比，煤粉燃燒較為充分，飛灰含碳量相對(duì)較低.通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)均勻配風(fēng)、正三角形配風(fēng)和倒三角形配風(fēng)方式下的煤粉燃盡特性進(jìn)行分析，得出鍋爐爐膛出口處煤粉燃盡情況，見表3.

表3 鍋爐爐膛出口處煤粉燃盡情況表

如表3所示，三種多孔壁風(fēng)配風(fēng)方式下，揮發(fā)分的燃盡率均為100%，表明多孔壁風(fēng)的配風(fēng)方式對(duì)揮發(fā)分的燃燒無影響，均能使揮發(fā)分燃燒完全.三種多孔壁風(fēng)配風(fēng)方式下，飛灰未燃盡熱損失有差別，倒三角形配風(fēng)方式下的飛灰未燃盡熱損失比其他兩種配風(fēng)方式大，比均勻配風(fēng)方式增加了0.66%，比正三角形配風(fēng)方式的飛灰未燃盡熱損失增加了1.08%.通過分析，這是因?yàn)椴捎玫谷切闻滹L(fēng)方式時(shí)，上層二次風(fēng)量較大，使電廠鍋爐爐膛上部的氣流速率較大，使煤粉燃盡時(shí)間有所減少，部分煤粉還未燃燒完全就被煙氣氣流帶出鍋爐爐膛，導(dǎo)致飛灰未燃盡熱損失加大.

3.2 多孔壁風(fēng)對(duì)高溫腐蝕的影響分析

3.2.1 多孔壁風(fēng)量對(duì)高溫腐蝕的影響

當(dāng)鍋爐在缺乏氧氣的條件下，一氧化碳含量可以反映煤粉產(chǎn)生的煙氣的還原性大小，而硫化氫和一氧化碳之間存在一定的關(guān)系，一般情況下，硫化氫隨一氧化碳含量的升高而升高.當(dāng)水冷壁壁面附近的煙氣中一氧化碳含量低于0.3%時(shí)，將煙氣視為中性或弱還原性，此時(shí)，水冷壁不易發(fā)生高溫腐蝕；當(dāng)水冷壁壁面附近的煙氣中一氧化碳含量高于0.5%時(shí)，將煙氣視為強(qiáng)還原性，此時(shí)，有大量的硫化氫存在于水冷壁壁面，水冷壁極易發(fā)生高溫腐蝕.此外，與硫化氫相比，一氧化碳的變化范圍更大，因此用一氧化碳含量表征硫化氫含量，有利于對(duì)高溫腐蝕狀況的判斷.設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)工況見表4.

表4 設(shè)計(jì)工況參數(shù)表

由表4可知，工況A代表不耦合多孔壁風(fēng)(未投入多孔壁風(fēng))，工況B、工況D和工況I分別代表不同風(fēng)量的多孔壁風(fēng).為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，重復(fù)進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，不同多孔壁風(fēng)量對(duì)高溫腐蝕的影響結(jié)果見表5.

表5 不同多孔壁風(fēng)量對(duì)高溫腐蝕的影響結(jié)果

對(duì)比表5中不同工況下的一氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在工況B和工況I下，水冷壁附近的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)大于0.2%(大于工況D的一氧化碳體積分?jǐn)?shù))，而工況A的水冷壁附近的一氧化碳?xì)怏w高含量范圍最大，工況D的鍋爐燃燒器水冷壁面附近的顆粒含量也比其他工況的顆粒含量小.由此可以得出，投入一定量的多孔壁風(fēng)后，水冷壁壁面附近區(qū)域的一氧化碳含量大幅下降，投入多孔壁風(fēng)后，可以改善水冷壁的高溫腐蝕狀況.

此外，工況D 的多孔壁風(fēng)率為8.3%，大于工況A且小于工況I.多孔壁風(fēng)量太小無法很好的消除還原性氣氛，其原因是風(fēng)的入射剛性小，所形成的水冷壁面的多孔壁風(fēng)比較脆弱.然而，多孔壁風(fēng)來源于二次風(fēng)，而多孔壁風(fēng)量過大，會(huì)降低一次風(fēng)外包裹的二次風(fēng).此外，由于煤粉燃燒不完全，多孔壁風(fēng)會(huì)有一部分風(fēng)消耗還原性氣體，并促進(jìn)未燃盡煤粉顆粒的燃燒，但效果并不好，導(dǎo)致水冷壁面附近的還原性氣體增加.通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多孔壁風(fēng)率為8.3%左右時(shí)，對(duì)于改善水冷壁壁面的高溫腐蝕的效果最為顯著.表6為不同多孔壁風(fēng)量工況下電廠鍋爐爐膛出口的參數(shù).

表6 不同多孔壁風(fēng)量工況下鍋爐爐膛出口的參數(shù)

如表6所示，電廠鍋爐爐膛出口的一氧化碳含量和飛灰含碳量反映電廠鍋爐的燃盡情況，氮氧化物的質(zhì)量濃度反映多孔壁風(fēng)對(duì)電廠鍋爐空氣分級(jí)配風(fēng)中控制污染物排放的影響程度.通過5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氮氧化物的排放效果和燃盡效果在不同多孔壁風(fēng)量工況下無明顯變化，工況D的一氧化碳質(zhì)量濃度和飛灰含碳量在四種工況中，其結(jié)果表明多孔壁風(fēng)率在8.3%左右時(shí)，煤粉的燃燒效果最好.煤粉能夠充分燃燒，使水冷壁面附近的還原性氣氛有所改善，進(jìn)而改善水冷壁面的高溫腐蝕情況.

3.2.2 多孔壁配風(fēng)方式對(duì)高溫腐蝕的影響

通過對(duì)多孔壁風(fēng)率的考察，發(fā)現(xiàn)多孔壁風(fēng)率在8.3%左右時(shí)，對(duì)于改善火力發(fā)電廠鍋爐燃燒區(qū)水冷壁的還原性，效果最顯著，繼續(xù)考察多孔壁風(fēng)的不同配風(fēng)方式對(duì)電廠鍋爐高溫腐蝕的影響.以工況D為基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)工況，工況C的上中下三層噴口的多孔壁風(fēng)量比為1∶2∶3，工況D的上中下三層噴口的多孔壁風(fēng)量比為1∶1∶1，工況E的上中下三層噴口的多孔壁風(fēng)量比為3∶2∶1，工況F的上中下三層噴口的多孔壁風(fēng)量比為2∶1∶2.其中，工況C采用倒三角形的配風(fēng)方式，工況D采用均勻配風(fēng)方式，工況E采用正三角形的配風(fēng)方式，工況F采用縮腰形配風(fēng)方式.在上述工況下，對(duì)不同多孔壁風(fēng)的配風(fēng)方式對(duì)電廠鍋爐高溫腐蝕的影響開展實(shí)驗(yàn).不同多孔壁風(fēng)配風(fēng)方式工況下鍋爐爐膛出口參數(shù)含量見表7.

表7 不同工況下鍋爐爐膛出口參數(shù)含量表

如表7所示，重復(fù)進(jìn)行5次平行試驗(yàn)，工況C、D、E和F四種工況下電廠鍋爐的燃燒效果基本相同，由于工況C電廠鍋爐采用倒三角的配風(fēng)方式，此種配風(fēng)方式使鍋爐內(nèi)的空氣分級(jí)情況加劇，因此，與其他三種工況相比，此種工況的氮氧化物的濃度相對(duì)較低.此外，實(shí)驗(yàn)在計(jì)算水冷壁壁面附近的顆粒濃度時(shí)發(fā)現(xiàn)，工況C的水冷壁面附近的一氧化碳含量較低，四種工況下煤粉顆粒含量并無明顯差別，工況C的煤粉顆粒含量最低.總體來看，工況C的水冷壁壁面附近的還原性氣氛最低，煤粉顆粒含量相對(duì)較低.由此可知，采用倒三角的多孔壁風(fēng)配風(fēng)方式可以降低水冷壁壁面附近的還原性氣體含量和煤粉顆粒含量，因此，水冷壁的高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)最低.此外，該種配風(fēng)方式使電廠鍋爐相當(dāng)于增加了上層二次風(fēng)量，減少了中層二次風(fēng)量，使鍋爐內(nèi)的空氣分級(jí)情況加劇，同時(shí)，上層多孔壁風(fēng)量的增加，有利于上層的多孔壁風(fēng)的二次風(fēng)的貼壁程度的減小，使一氧化碳含量得以降低.綜上所述，工況C對(duì)水冷壁壁面的高溫腐蝕的形成作用較弱，有助于減小高溫腐蝕程度.

4 結(jié)論

多孔壁風(fēng)的風(fēng)量和配風(fēng)方式對(duì)電廠鍋爐煤粉燃燒特性和高溫腐蝕均會(huì)產(chǎn)生一定的影響.通過對(duì)多孔壁風(fēng)對(duì)煤粉燃燒特性及高溫腐蝕的影響分析可知，采用正三角形的多孔壁配風(fēng)方式可以使煤粉燃燒得更充分，并且有利于減少高溫腐蝕現(xiàn)象.適量的多孔壁風(fēng)可以在電廠鍋爐的主燃區(qū)和還原區(qū)形成空氣膜，有助于阻止高溫腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生.