垃圾焚烧锅炉高温过热器腐蚀冲蚀数值模拟研究

李茂东，杨 波,翟 伟，马晓茜，曾祥浩，王海川

(1.广州特种承压设备检测研究院，广东 广州 510663; 2.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

垃圾焚烧发电是解决垃圾围城、实现城市生活垃圾减量化、资源化和无害化的主要方式[1-2]。高温过热器是垃圾焚烧发电锅炉换热的重要设备，由于过热器结构紧凑、热负荷高，发生复杂的传热和传质过程,加上垃圾成分复杂导致高温烟气成分、颗粒的多样化，高温过热器很容易发生高温腐蚀和冲蚀；此外，过热器内某些管径沿宽度方向热负荷高, 特别是当换热温差增大而烟气量较少时，容易造成高温过热器超温爆管，严重时会造成锅炉非正常停机事故，影响垃圾的处理。当前，过热器爆管事故是垃圾焚烧锅炉发生频率最高的事故。

过热器的高温腐蚀与冲蚀主要与过热器管的局部高温有关[3]，一方面随着人民生活水平的提高，城市生活垃圾热值不断提高，过热器出口烟气温度不断提升；另一方面过热器清灰不及时或效果不佳，导致传热效果下降，引起高温过热器局部高温，加速了过热器管的高温腐蚀过程[4]。由于高温过热腐蚀是一个复杂的物理化学过程，目前有较多相关理论研究。Liu和Chen[5]通过研究高温过热器合金腐蚀作用的影响，腐蚀行为主要由活性氧化机理决定，金属氯化物和高温对于合金腐蚀起到主要作用，同时金属氯化物的蒸发和扩散会促进活性氧化过程加剧腐蚀。Yong Tie C[6]等人通过研究发现生物质炉的积灰会引起结渣、结垢和腐蚀问题，降低锅炉效率和寿命。当灰颗粒撞击传热表面时，惯性碰撞(大颗粒)、热泳(细颗粒)和冷凝(蒸汽)等积灰沉积机制会预测灰沉积对于腐蚀的影响。王芳[7]等通过对高温过热器锅炉结渣的原因分析，认为脱硫剂的大量使用和燃用劣质煤是造成锅炉过热器结渣的直接原因。

由于过热器实际管径排列密集，现场试验成本高、耗费时间长。与传统实验相比，计算流体力学(CFD)具有经济成本低，耗费时间短等诸多优势。本研究通过对全尺度高温过热器和局部尺寸高温过热器管径进行数值模拟，分析烟气在高温过热器内的流动和腐蚀特性，为延长垃圾焚烧发电锅炉过热器的使用寿命提供理论支持。

1 研究对象

本研究以某垃圾焚烧锅炉末级过热器为实际模型，该过热器由前、中、后三组过热器管束构成，其中前排过热器为38×14管束构成，中间过热器由54×14管束构成，尾部过热器由62×14管束构成。高温过热器长7 880 mm，宽7 600 mm，高11 166 mm，其中管束高度为7 000 mm。利用ICEM软件构件物理模型和网格模型，构建三维结构化网格模型，网格数量在1 200万左右，网格质量符合计算实际要求,模型如图1。

当过热器进入稳定工作状态时，传热学认为换热器的整体换热系数满足两条假设：一是壳程温度沿轴线呈线性分布；二是单个换热器管径的流场分布可以反映整体换热器的流场分布[8]。基于以上假设，本研究忽略换热器其他方向的温度分布特征，不考虑换热过程中的温度场变化过程。由于高温过热器全尺度模型的管束过多，管束分布密集，限制了网格的密度。为了更好的研究局部管束的腐蚀特性，捕捉管束附近的流动和传热细节，针对5×4局部管束建立模型并进行局部流场分析，同时验证总体模型的合理性。

图1 高温过热器整体结构和局部模型

2 数学模型和计算方法

2.1 数学模型

高温过热器内的传热传质过程为三维不可压缩定常流动过程，符合连续性方程、动量方程和能量方程。湍流模型采用SSTk-ω湍流模型，这是因为该模型在标准湍流模型的基础上考虑了湍流剪应力及正交发散项的影响，进而使 SSTk-ω湍流模型在近壁面和充分发展湍流流动区域内都能进行准确的模拟[9]。其中湍动能k与湍流涡耗散率ω计算如下

(1)

(2)

式中ρ——密度/kg·m-3；

u——流体的速度/m·s-1；

Γk和Γw——k和w的有效扩散系数/m2·s-1；

xi和xj——在i和j方向上的距离/m；

Gk——湍动动能；

Yk和Yw——湍流耗散项；

Dw——交叉发散项；

Sk和Sw——源项。

垃圾燃烧灰颗粒在过热器管束间的运动满足离散相方程。离散相模型要考虑颗粒与流体的相互作用，忽略颗粒之间的碰撞作用，利用拉格朗日法计算轨道，适用于模拟过热器中烟气组分颗粒对于过热器内的管径的撞击作用[10]

(3)

式中Vp为颗粒在流体中的运动速度，方程右侧为颗粒运动中受到的作用力，依次为曳力、萨夫曼升力(Fs)、布朗力(FB)和热泳力(FT)。在垃圾焚烧锅炉的炉膛内，曳力对于颗粒运动过程的影响起到主导作用。本文在计算二维局部高温过热器换热模型时，由于重力和烟气的流动方向垂直，不考虑重力对于流场的影响。

2.2 边界条件

模拟介质为烟气和水蒸气的混合物，组分分布选取典型烟气温度下垃圾焚烧锅炉各个平衡组分的分布，出口烟气平均温度为823 K。壁面采用无滑移边界条件，壁温为定壁温，同时DPM离散型设置成reflect，进口速度4 m/s，烟气温度为950 K，烟气密度为0.275 kg/m3，入口湍动速率为5.1%。采用压力出口边界，DPM离散型管壁设置成escape。

表1 典型烟气组分摩尔分数

组分摩尔分数CO20.153O20.032H2O0.110SO23.590×10 -4K2SO41.550×10-6KCl3.510×10-4SO39.660×10-7

3 结果与讨论

3.1 过热器整体流场分析

图2 过热器整体结构速度场和温度场分布

通过对过热器整体结构流场分析，过热器中烟气侧和水蒸气侧发生强烈的换热过程，结果如图2。温度变化大换热强烈的区域主要在前侧管道，所以前侧管径发生腐蚀的概率要高于中部和尾部受热面。管束会对换热器内气流的整体情况有所扰动，烟气扰流所造成的管排换热不均匀程度随烟气换热增强而减小。

过热器不同区域内的流场分布规律相似，没有发生明显的温度不均匀情况。过热器高温区主要集中在前部，随着烟气的流动，温度逐渐下降。前排管束的温度梯度大，热应力较为集中。所以调整前排管径管束的排列方式，整理烟气组织形式，减少气流对第一级屏式换热器的冲击，对于预防过热器高温腐蚀冲蚀和延长过热器寿命非常重要，这与现场的工程经验相符[11]。

3.2 过热器局部流场分析

通过对局部高温过热器的温度场和速度场数值模拟结果分析发现(如图3)，速度在管道背风区明显减小，流场出现尾迹；相邻管径由于流通面积缩小，局部流场速度增大，湍动度提高。前排管径对于来流产生强烈的阻碍作用，在管道背风面形成涡流，这也导致相邻管径间速度梯度和温度梯度增大。烟气颗粒对于前排的管径撞击作用最强，特别是前排管道迎风面最容易受到烟气颗粒的撞击；后排管径受到烟气颗粒的冲击作用较小，但是由于颗粒的运动速度更高，对于管径侧面产生很强的摩擦作用，容易受到严重的腐蚀。烟气颗粒对于管径背面的冲击很小，可以忽略。这表明高温过热器内管径的腐蚀作用主要发生在前排管径迎风面和其他管径的侧面。

3.3 过热器管径对于流场的影响

过热器流场中涡的分布与管径的节距有关。如果管径的节距过小，则相邻管径间的烟气发生强烈扰动，湍动度急剧增大，会加剧烟气颗粒对于管径的冲击作用，烟气中的KCl颗粒会对管道产生化学腐蚀。节距加大后，较少颗粒卷入到管径背风面并发生沉积。但是会延长烟气的停留时间。所以保持合理的管径分布可以减缓高温腐蚀。

表2 高温过热器管径分布布置方案

方案相关参数管径/mm横向截距/mm纵向截距/mm排数单管排数#15785.511457#2507510057#36597.513057

通过对三种管径排布方案的数值模拟分析，发现管径的改变对流场的整体分布影响(如图4)。管径的增加会减少相邻管径间的流通面积，进而管径之间的扰动更加剧烈，特别是后排管径侧面受到强烈的冲击和腐蚀；管壁迎风面特别是首排管壁迎风面沉积质量增加，如果不及时清灰，容易造成高温腐蚀。与烟气温度相比，后排管道背部来流的温度较低，温度梯度较大，对于管道会产生较大的热应力，同时对管壁形成剪切力[12]。烟气流经管束，管后尾流形成卡门涡街，两列相反方向的旋涡周期性交替脱落。涡流脱落时，流体会施加管径一个正负交替的作用力，引起管径的震动，减少过热器的寿命[13]。所以保持合适的管径和截距对于减少烟气颗粒冲蚀非常重要。三种方案中方案二的来流烟气颗粒对于管壁的冲击较少，既没有大量烟气冲刷形成的高温换热区，也没有烟气的过少形成的换热不良区，同时烟气颗粒对管径侧面的冲击较小(如图5)，烟气在管径间的气流组织较为合理。

图3 局部过热器流场分析

图4 不同管径前后区域温度场

图5 不同方案烟气颗粒对于管径的冲蚀

图6 不同管径排列方案的流场分析

3.4 排列方式对于高温过热器影响

针对高温过热器管束的流场特征和腐蚀特性，对管径的排列方式进行优化和调整。典型管束阵列排布方式有等边三角形法、同心圆法和正方形法三种方式。管径排列方式既要保持紧凑度，减少管板和壳体的直径，减少管外空间的流通面积；同时也要保证必要的强度，容易清理管径表面的积灰[14]。采用与局部管径尺寸高温过热器数值模拟过程相同的边界条件和数值模型，针对三种排列方式的流场分析，评估不同方案的烟气高温腐蚀和冲蚀效果(如图6)。

三种管径排列方式都能较好的实现蒸汽侧和烟气侧的换热，满足高温过热器的换热基本要求。对三种排列方式速度场分析发现，等边三角形法和正方形法的各个流通通道的速度场较为均匀。同心圆法的管径排列方式两侧的速度梯度大，流动情况复杂，湍动度高，管径受到各个方向的冲蚀和撞击。

对三种排列方式温度场分析，同心圆法的温度分布较为均匀，温度梯度低，这有助于减少管径受到的热应力；等边三角形法的温度梯度较大。通过对三种方案烟气颗粒的捕捉率的对比，进一步研究三种管径排列方式的积灰特性(表3所示)。同心圆法的管径壁面捕捉颗粒最多，等边三角形法颗粒捕捉率最低。这表明同心圆法的排列方式更容易在管壁面产生积灰，增加高温腐蚀的几率。尽管与其他排列方式相比，同心圆法的管径排列方式更加紧凑，布管数更多，尤其在小直径换热器中布置优势更加明显，但是更容易发生高温腐蚀的风险。

三角形法的流场和温度场分布与正方形法的整体分布情况基本相似。三角形法前排管径，特别是第二排和第四排的管径的来流面收到的冲蚀作用较强，因为这些区域同时受到来流方向和其他排烟气颗粒的冲击。某些颗粒的反复碰撞会加剧颗粒对于管道的冲蚀作用。但是三角形排列方式与其他排列方式相比，具有工艺简单、排列紧凑等优势，并且颗粒捕捉率与正方形法差别不大[15]。综合考虑管径的腐蚀情况和工艺要求，三角形法是最合理的排列方式，可以避免烟气在管束间的横向流动，延长管径的寿命，同时需要注意前排管径烟气来流方向的腐蚀情况。

表3 管径排列方式积灰率分析

A(等边三角形法)B(同心圆法)C(正方形法)跟踪颗粒数9311 176665逃离颗粒数735414457管壁捕捉颗粒数196762208积灰率0.210.650.31

4 结论

从以上模拟分析研究中可以得出以下结论:

(1)垃圾焚烧锅炉高温过热器不同区域的流场分布结果表明前排管束高温腐蚀的风险最高。通过研究高温过热器局部尺寸内管束的流场和温度场的分布情况，可以总结高温过热器管径整体的腐蚀特性和冲蚀效果影响规律。在前、中、后三个换热器区域中，前排换热器管束受到的冲击和冲蚀作用最明显。

(2)过热器前排受到的来流烟气颗粒的冲蚀作用较强，管径背面形成的涡街区产生的震动和温度分布不均匀而产生的热应力会影响管径的寿命和强度。不同管径直径对于流场的整体分布影响较小。

(3)通过对比等边三角形法、同心圆法和正方形法三种管径排列方式的流场分布情况。在综合考虑管径排列的紧凑、工艺和腐蚀冲蚀情况，等边三角形法的综合效果最优，既能满足传热的要求又能把烟气颗粒的冲蚀和积灰降到最低程度。