浅析卧式内燃煤粉锅炉预燃室的鼓包变形原因

作者；张毅

  煤粉锅炉由于具有热效率高和排放达标的特点，受到不少用户好评。但同时也应该看到，煤粉锅炉在设计、使用等方面还存在一些不够完善的地方，比如：燃烧器的设计、燃烧器与锅炉的匹配、煤粉细度的选取以及运行中各种参数的设定等等，这些都可能影响锅炉的安全运行，甚至会成为严重的安全隐患。某企业一台型号为WNS4-1.O-AⅡ的卧式内燃煤粉锅炉，该锅炉为异型预燃室内置三回程锅壳式煤粉火管锅炉，采用旋流燃烧器。内检时，检验人员发现锅炉前部预燃室出现严重鼓包变形。具体变形位置如图1所示。

1缺陷的检验情况

  1)预燃室顶部距锅壳前管板800mm处鼓包变形，面积350×300mm，鼓包高度100mm。鼓包向火侧呈现严重高温氧化现象，见图2。

2)利用MX-3型测厚仪对鼓包顶部及鼓包边缘正常位置各取3点进行测厚，数据见表1。查阅出厂资料，锥形炉胆设计壁厚为12mm，可见鼓包顶部壁厚减薄严重。

  3)锅炉水侧未见明显水垢。

  4)燃烧器喷管前端400mm范围内呈现弯曲变形，弯曲角度约20。。

2鼓包的原因分析

2.1材质分析

  2.1.1化学成分分析

  在鼓包处钢板心部进行取样分析，其化学成分见表2，可见锥形炉胆鼓包处钢板化学成分符合GB 713-2008((锅炉和压力容器用钢板》中Q245R(20g)的要求。

  2.1.2硬度检测

沿预燃室轴向在鼓包顶部处及其边缘正常位置进行硬度检测，每处测5点，具体数据见表3。可见，鼓包顶部处较边缘正常位置硬度降低46HB，硬度降低30%，可见鼓包顶部处钢板存在较严重的材质劣化现象。

  2.1.3金相分析

在鼓包边缘正常位置及鼓包顶部处进行取样分析，金相组织见图3、图4。

  由图3可见，边缘正常位置组织为片状珠光体+铁素体，未发生珠光体球化现象。由于钢板供货状态为热轧状态，所以其带状珠光体组织清晰可见。鼓包顶部处组织为：粒状珠光体+铁素体，珠光体出现较严重的球化现象，铁素体基体上可看到细小的碳化物颗粒。参照DL/T 674-1999  《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准）），珠光体球化程度达到4.5级。表明该处存在超温过热现象，在高温的作用下，珠光体中的片状渗碳体经过破断、扩散、聚集，形成珠光体球化现象。

2.2锅炉运行状况分析

  2.2.1水质状况分析

该锅炉水处理采用反渗透装置，设备运行状况良好。现场抽取锅炉给水进行化验，具体数据见表4，化验数据符合GB/T 1576-2008（（工业锅炉水质》要求。由锅炉水侧未见明显水垢也可判断给水无异常。

  2.2.2预燃室燃烧工况的数值模拟

  该锅炉采用旋流燃烧器。锅炉正常运行时，一次风混合煤粉由燃烧器喷管进入，二次风由喷管周围吹入。为产生回流区，稳定燃烧，提高燃尽度，喷管前端装设有管状钝体。为了解锅炉运行时，预燃室内的燃烧工况，本文运用Fluent软件，对预燃室燃烧工况进行了数值模拟。边界条件根据锅炉实际正常运行情况，入口一次风温度为400K，流速为20m/s。入口二次风温度为293K，流速为4.7m/s。由于运行过程中，煤粉与空气混合发生化学反应，预燃室内存在着强湍流流动和燃烧，因此采用标准k一E湍流模型（standard k-smodel）、组分输运和化学反应模型(Transport&Reaction)来模拟湍流流动和燃烧。预燃室内物质流动、传热、能量和扩散的数学模型可描述如下：

  1)连续性方程

式中：

  ui为——速度分量，i=X，y，z；

2)动量方程

式中：

  v-流体的运动粘度，i=x，y，z；

3)能量方程

式中：

  a——流体的热扩散率。

4)湍流动能方程

式中：

Gi—由于平均速度梯度引起的湍流能k的产生项，其式为：

式中：

  q——经验常数，取值为q =1.0。

5)湍流动能耗散率方程

式中：

C1，C2——经验常数，取C1=1.44、C2=1.92

6)化学反应对流一扩散模型

式中：

   Yi——每个组元的当地质量分数；

   Ri——第i组分在化学反应中的净生成速率；

  Si-扩散相加上用户定义的源项得到的静生成速率。

利用Fluent软件得到的预燃室速度场和温度场发布图形，如图5、图6、图7、图8所示。

  由以上各图可见，喷管变形前，一次风中的煤粉与二次风中的氧气进行燃烧，产生的火焰中心与预燃室轴向重合，火焰边缘温度较低，由图5可以看出，预燃室壁的最高温度为130℃左右。喷管变形后，导致火焰偏离轴向方向，火焰高温区直接与预燃室壁接触，由图7可见，其最高温度可达930℃左右。实际检验过程中还发现预燃室底部结焦严重，基本已经被铺满。煤粉燃烧产生的热量，更多的集中于预燃室后上部区域，导致后上部区域温度更高。一般来说，使用过程中，20g允许金属壁温在450 aC以下，锅炉正常运行情况下，金属壁温一般在280℃以下。当钢板金属壁温达到450℃以上的高温时，钢板高温力学性能显著降低，同时还会引起钢板金相组织的变化，出现珠光体球化现象。由DL/T 674-1999中附表Dl.El可见，材料的室温强度、高温强度、持久强度及硬度大幅下降。锅炉运行过程中，在外压作用下，钢板屈服变形，形成鼓包。随着珠光体球化不断加深，材料性能不断劣化，鼓包变形越来越大。

3结论与建议

  由以上分析可知，该锅炉预燃室鼓包的主要原因是锅炉运行过程中，燃烧器燃料喷管向下弯曲变形，燃烧器火焰偏离了预燃室轴向方向，火焰高温区直接接触预燃室内壁上部，钢板长期超温过热，金相组织发生变化，钢板强度大幅下降，在外压作用下，钢板屈服变形，形成鼓包。后来经过了解，该锅炉每运行2～3个月，燃烧器燃料喷管就会因超温出现不同程度的弯曲变形，而且在同类型锅炉里面都出现了喷管弯曲变形现象。为了避免燃料喷管弯曲变形的发生，我们也提出了以下几点建议。

  1)选择耐热性能更高的喷管材质，使喷管在预燃室内保持足够的高温强度；

  2)在燃料喷管外表面包覆适当厚度的隔热层，根据温度场的分布图（见图6），对喷管外表面高温区进行重点保护，降低喷管的金属壁温，使其保持足够的强度。

  3)改变喷管出口现状，让燃料在进入预燃室内时与喷管保持一定的角度，使喷管外表面高温区外移，从而降低喷管外表面温度；

  4)调整一、二次风配比，使火焰高温区前移，缩短高温区与喷管前段的距离，减小喷管自重所产生的力矩，避免喷管弯曲变形；

5)根据（（锅炉安全技术监察规程））中第7.2条要求，燃油（气）燃烧器有相应的安全技术规则，并且投用前需要进行型式试验，但对煤粉燃烧器还没有相应的要求，以后对煤粉燃烧器是否也应该提出一些相应的安全技术要求。

4摘要：针对一起卧式内燃煤粉锅炉的预燃室顶部鼓包变形的案例，本文从预燃室钢板材质和锅炉运行状况进行了综合分析，并采用Fluent软件对预燃室内煤粉的燃烧工况进行了数值模拟。结果表明：造成鼓包变形的原因是燃烧器燃料喷管弯曲变形，燃烧器火焰偏离预燃室轴向方向，预燃室局部长期超温运行，钢板过热，材料劣化，导致材料的室温强度、高温强度、持久强度及硬度大幅下降，在外压作用下，钢板屈服变形，形成鼓包。