摘 要

电站锅炉煤燃烧过程中排放的氮氧化物对我国生态环境造成了巨大的损害，光化学烟雾、高含量硝酸雨、臭氧减少以及一些其他问题均与低浓度NO_x有关，因此火力发电厂污染物排放的控制也越来越严格。电站锅炉清洁高效燃烧是我国节能减排工作的重中之重，必须得采取适当的措施降低NO_x的排放。此外，电站锅炉水冷壁的高温腐蚀问题是造成水冷壁爆管事故的直接原因，其可靠性会直接关系到电站锅炉使用周期能否缓慢降低，能否安全有效的运行下去，以及能否给电厂带来巨大的经济效益。如何改造锅炉高温腐蚀已然成为国内外研究人员关注的热点。

本文可分为低NO_x燃烧改造和水冷壁高温防腐改造两个部分。第一部分，在掌握NO_x的生成机理后，以某厂300MW四角切圆锅炉为改造目标，在原有基础条件下利用炉膛空间充裕等特点，提出纵向三区和横向双区布置的空气分级燃烧技术改造方案，并对燃尽风区域重新布置。初步确定改造方案后，使用fluent软件对改造前后的炉膛进行数值模拟，通过对改造前后温度场、NO浓度场对比图的分析，并结合理论知识可以确定：改造后的锅炉可以有效减少NO_x的排放量。第二部分，在分析完水冷壁腐蚀的原理后，以某厂八角双切圆锅炉为改造目标，提出增加两层燃尽风、改变一次风布置方式、二次风切圆方向和减小炉内切圆直径的改造方案。方案确定后，对改造前后的炉膛进行数值模拟，通过对改造前后温度场、煤粉颗粒分布对比图的分析，并结合理论知识可以初步确定：改造后的锅炉水冷壁高温腐蚀现象会得到改善。

关键词：燃煤锅炉；低NO_x燃烧；水冷壁腐蚀；数值模拟

Abstract

Nitrogen oxides emitted during coal combustion in power plant boilers have caused great damage to the ecological environment of our country. photochemical smog, high content of nitric acid rain, ozone reduction and some other problems are all related to low concentration NO_x. The control of pollutant from thermal power plants is becoming more and more strict. Clean and efficient combustion of power station boiler is the most important work of energy saving and emission reduction in our country. In addition, the high temperature corrosion problem of water wall of boiler is the direct cause of water wall pipe burst accident, and its reliability is directly related to whether the boiler life cycle of power station can be reduced slowly and whether it is safe and effective and whether it can bring huge economic benefits to the power plant. How to transform boiler high temperature corrosion has become a hot topic for researchers at home and abroad.

This study is divided into two parts, which are briefed as follows: low NO_x combustion transformation and water wall high temperature anticorrosion transformation. The first part, after mastering the formation mechanism of the NOx, takes 300 MW quadrangular cut circular boiler of a factory as the transformation target, under the original foundation condition, uses the furnace space abundant and so on characteristic, proposes the longitudinal three zones and the transverse two zones arrangement air classification combustion technical transformation plan, and rearranges to the burnout air area. The fluent software is used to simulate the furnace before and after the transformation. Through the analysis of the contrast diagram of temperature field and NO concentration field before and after the transformation, and combined with the theoretical knowledge, it can be determined that the modified boiler can effectively reduce the emission of NOx. The second part is to analyze the water wall Based on the principle of corrosion, this paper puts forward a scheme of adding two layers of burnout air, changing the arrangement of primary air, cutting circle direction of secondary air and reducing the diameter of cut circle in furnace. After the scheme is determined, numerical simulation is carried out on the furnace before and after the transformation. Through the analysis of the temperature field and the distribution of pulverized coal particles before and after the transformation, and combined with the theoretical knowledge, it can be preliminarily determined that the high temperature corrosion phenomenon of the modified boiler water wall will be improved.

Keywords: coal-fired boiler; low NO_x combustion; water wall corrosion; numerical simulation

目 录

中文摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 降低NO_x的排放 2

1.2.2 水冷壁高温腐蚀防护 3

1.3 本课题研究内容 5

第2章 煤燃烧过程中NO_x的生成机理 6

2.1 热力型NO_x的生成机理 6

2.2 快速型NO_x的生成机理 7

2.3 燃料型NO_x的生成机理 7

2.4 本章小结 8

第3章 低NO_x燃烧的改造方案 9

3.1 入炉煤质分析 9

3.2 锅炉运行存在的问题 9

3.3 低NO_x燃烧的改造方案 10

3.3.1 纵向三区分布 10

3.3.2 横向双区分布 11

3.3.3 燃尽风区域改造 12

3.3 低NO_x燃烧改造论证 13

3.4 本章小结 15

第4章 锅炉水冷壁高温腐蚀机理 16

4.1 腐蚀分类 16

4.1.1 硫酸盐型高温腐蚀腐蚀 16

4.1.2 H₂S型高温腐蚀 17

4.1.3 氯化氢腐蚀 17

4.1.4 还原性气氛引起的高温腐蚀 18

4.2 锅炉水冷壁高温腐蚀的预防措施 18

4.2.1 燃煤品质的改善 18

4.2.2 燃烧工况 19

4.3 本章小结 19

第5章 水冷壁高温腐蚀改造 20

5.1 改造对象 20

5.2 运行煤质分析 20

5.3 改造方案及对比分析 21

5.4 本章小结 23

第6章 水冷壁高温防腐改造论证 24

6.1 仿真论证 24

6.2 本章小结 25

第7章 总结及展望 26

7.1 全文总结 26

7.2 不足和展望 26

致谢 27

参考文献 28

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

电力是国家发展的主要能源，也是国民经济长期稳定运行和维持国家安全稳定的必需品。但是在近些年来，中国人口数量急剧增加，对电的物质需要越来越迫切，使得全国很多地方出现电力供应急需紧张的局面，甚至有些贫困地区视电力如黄金。在电力供应逐渐紧张的中国，特别是在炎热的夏天和寒冷的冬天，个别地方用电需求急速增加导致很多地方被迫采取停电让电措施，尤其最近几年发生较为频繁，为了能让居民生活正常进行，工业及商业用电开始让步给生活用电，极大制约着经济的发展^[1]。

虽然煤炭在燃烧过程中会产生大量的SO_x、NO_x以及CO_2,，会对环境造成巨大的破坏，但它作为我国十分重要的一次能源，在将来很长一段时间还是要被频繁使用。我们目前需要采用一些措施来降低燃烧过程中污染物的排放。我国在“十五”期间主要解决了SO_x 的排放问题，但NO_x的排放随着火电机组发电量的不断提高而增加^[2]。科学研究发现：NO_x会和碳氢化合物在阳光作用下生成有害的蓝色烟雾，这种烟雾不仅对会直接危害人体，还会破坏动植物的生命、腐蚀建筑物等。除此之外，氮氧化物还会造成大气层臭氧的减少，导致紫外线侵害皮肤，造成一系列的皮肤疾病。2014年7月1日，最新的《火电厂大气污染物排放标准》^[3]提供了氮氧化物排放控制小于100mg/Nm³的要求。因此，作为一个火力电站，NO_x的主要排放源之一，必须采取有效措施，减少NO_x的排放。

除此之外，随着我国燃煤质量的下降，电站锅炉在运行中产生高温腐蚀的现象逐渐明显。水冷壁因为高温腐蚀而减薄从而导致泄露和爆破事故的发生，给锅炉安全运行带来很大危害，并对电力生产造成极大影响。据调查，我国200MW以上机组的锅炉中存在的结渣和高温腐蚀现象，绝大多数是由于腐蚀和侵蚀引起，少数100MW以上机组因锅炉管壁减薄而不得不大面积换管^[4]。在对某电厂锅炉设备进行检修后，若发现锅炉内壁水冷壁存在异常，并且不采取控制措施，接下来就很可能会发生水冷壁管爆破、泄漏事故。因此，对锅炉水冷壁的腐蚀原因进行分析并采取措施改进，并且对改造后的锅炉进行试验调试，使其能够长期稳定运行，具有十分重大的现实意义。