工业锅炉燃烧优化技术的探讨

赵洪斌

（国家能源集团承德热电有限公司，河北 承德 067002）

煤炭是我国的主要能源来源，目前受限于技术及需求，大多数工业锅炉以燃煤为主。煤炭在为生活与工业提供能源的同时，也带来了十分严重的大气污染问题，其中氮氧化合物的危害尤其突出[1]。同时，根据相关专业机构对工业锅炉的效率测试报告来看，平均效率还不足80%，造成了巨大的能源浪费。但由于燃煤锅炉会对环境造成严重的污染，随着能源供应结构的不断变化以及节能环保要求的日益严格，采用清洁燃料及其相应技术的高效、节能、低污染工业锅炉将是产品发展的必然趋势。本文对工业锅炉燃烧优化技术进行分析，提出详细优化方案，从而提高燃烧效率，降低NOx的排放[2]。

1 建立工业锅炉数值模拟模型

1.1 设计几何模型尺寸及网格划分

表1给出炉膛模型几何尺寸，详细分析炉膛内各个结构所产生的数据，通过这些述职可知炉膛内所设计出的几何精准尺寸。

表1 炉膛几何模型尺寸

本文所研究的网格划分方式，为加密四面体与结构化六面体网格划分，网格尺寸最大不超过0.3米，网格数量最多不超过100万。

1.2 设置冷态气固两相流参数

工业燃煤锅炉在燃烧过程中，若要保持其稳定性与持续性，则需要对锅炉运行中的燃烧配比和送风的参数进行相应的调整，同时，根据试验所得的数据对燃煤锅炉的燃烧参数进行合理设置。该种方法得到的结果准确度更高，但是需要专业的技术人员进行大量的重复调整试验，根据试验结果进行整合分析，从而得到优化方案[3]。

本文研究选取欧拉双流体模型与模型，其中固体粘度设置为Syamlal-obrien，曳力模型选取Gidaspow，摩擦粘度设置为Schaeffer，固体体积粘度、径向分布与固体压力设置为Lun-et-al，最大堆积密度设置为0.62，固体温度设置为Gunn，摩擦压力设置为Baseed-ktgf，碰撞恢复系数设置为0.94。参数设置如表2所示，选取0.001s模拟时间步长，模拟锅炉内气固两相流的流动情况。

表2 参数设置

上表2所示，在本研究中，为简化计算，由于床料颗粒的多物性的影响对本研究的目的基本可以忽略，故而选择单一物性床料颗粒作为模拟参数设置。

2 工业锅炉燃烧优化技术详解

2.1 重新布置二次风结构

针对锅炉内氧气浓度不均匀会使氮氧化合物生成量增加这一现象，提出对二次风结构的改动，结合炉膛几何模型尺寸来调整锅炉内氧气浓度分布。在燃煤锅炉正常运行的前提下，使一次风率降低，二次风率提高，让空气分级燃烧的效果更强。一次风与尾部烟气混合后进入炉膛，煤炭粒在其中快速燃烧，二次风从经旋流器后喷口出进入，形成与主气流方向相反的旋转射流，射流不断从风口喷入，气流中心区部分因气流旋转而呈现负压状态，进而产生较稳定的回流区，将锅炉内燃烧生成的高温烟气卷吸到二次风喷口附近，调整氧气浓度[4]。在对燃煤锅炉进行多方面考虑的情况下，一次风机的机型偏大功率较高，二次风机的机型偏小功率较低，若二次风机符合提高二次风率的要求，直接调整风机参数，若不符合，结合实际情况对风机进行调整，可以用连通管将一次风机与二次风机相连，以加强二次风量；进一步调整二次风喷口，使喷口下倾角度变小，适当加大二次风喷口的横截面积；分层排列二次风喷口，改变其几何形状，实际情况中，二次风喷口多为方形，将其优化成圆形，来调整二次风刚性进而影响锅炉内氧气浓度。

2.2 调整受热面布置

考虑到炉膛内温度分布不均，尤其是局部高温对锅炉燃烧效率与氮氧化合物生成的影响，针对受热面进行调整，同时设置隔热板。调整受热面，需对每段受热面（如空气预热器段、水冷壁、水冷屏等）的锅炉内吸热量进行计算。

式中，Q表示：吸热量；c表示：过程相关比热容；m表示：反应物质量；( t−t0)表示：末温与初温之差。

根据公式(1)计算的得出各段受热面的吸热量，与各段预设理论温度进行对比，根据偏差值以及模型参数中的床料比热容与床料导热率参数，结合实际情况调整受热面。由于炉内温度受蒸发段的吸热量影响最大，增加水冷屏面积，以调整炉内温度。同时增加炉膛内的绝热面积，设置可调节隔热板，隔热板面积调节范围在炉内受热面积的20%～40%之间，根据锅炉负荷调整绝热面积。当炉内负荷高时，通过调节装置使隔热板重叠以降低绝热面积，使水冷壁的吸热量加大；当炉内负荷低时，通过调节装置使使隔热板分散铺开，使水冷壁的吸热量减小，以达到根据炉内负荷调整炉内温度的目的。

2.3 优化给煤口结构

考虑到给煤口的不合理设计会造成飞灰和灰渣含碳量的增加，导致锅炉运行效率减低，结合模型参数中的床料颗粒粒径与颗粒密度参数，针对给煤口结构进行优化。对锅炉燃烧设备设计和改造是对锅炉燃烧进行优化的最有效方式，尤其对锅炉燃烧器的改造和设计可优化炉内燃烧过程并提高锅炉的工作效率。改变播煤风口与给煤风口的设置，使二者分层布置，将原来播煤风与煤粉先混合再共同进入炉膛的方式，改成播煤风将煤粉托送至炉膛内；调整播煤风的风机机设置，使其刚度加强。

2.4 增加SNCR脱硝工艺

在燃煤锅炉中，旋风分离器入口处的温度大多在800oC～1000oC之间，烟气在其中大多可滞留1.5s～4s，SNCR是脱硝反应的最优反应器，具备反应所需的理想条件。在限制氨逃逸不超过标准的前提下，根据锅炉的实际情况，结合炉膛几何模型尺寸，在役机组中未安装SNCR脱硝反应装置的，加设该装置，原本设有SNCR脱硝反应装置的，将旋风分离器中原有的SNCR还原剂喷入点位置改设在入口段的上侧与内侧，同时加装还原剂喷入点，使其总数在3～4个之间，并使其雾化角度加大，挑选适合的SNCR喷枪。主要反映机理如下：

工业中一般采用NH3作为还原剂，SNCR的实际应用中也有使用尿素作为还原剂的情况，在本次研究中暂不做讨论。

3 热态燃烧模拟

利用已建立的模型，采用fluent模拟工业锅炉内燃烧过程，以验证本研究中提出的燃烧优化技术的有效性。将本研究提出的燃烧优化方案标记为方案1，将优化前的传统方案标记为方案2，进行热态燃烧模拟测试对比。

表2 两种方案烟温对比

由表1可知，方案1的炉膛平均烟温为1272K，方案2的炉膛平均烟温为1342K，前者比后者低了71K，方案1的炉膛出口处的烟温为1259K，方案2的炉膛出口处烟温为1309K，前者比后者低了50K。

图1 两种方案炉膛截面平均氧气体积分数沿炉膛标高分布

由图1可知，从整体上看，方案1的炉膛截面平均氧气浓度比方案2低，尤其在炉膛的密相区十分明显。

表3 两种方案氧气浓度对比

由表2可知，方案1的炉膛出口处氧气浓度为1.78%，方案2的炉膛出口处氧气浓度为4.07%，前者比后者低2.29%。

表4 两种方案燃尽率对比

表3为不同锅炉负荷下两种方案的煤粉燃尽率，当锅炉负荷为50%时，方案1的燃尽率为99.16%，比方案2燃尽率97.21%高了1.95%；当锅炉负荷为80%时，方案1的燃尽率为99.61%，比方案2的燃尽率98.20%高了1.41%。

图2 两种方案截面平均NOx浓度沿轴向变化

图1表示不同方案下截面平均NOx浓度沿轴向的变化，可知两种方案变化趋势基本相同，从整体上看，燃烧器部分截面平均NOx平均浓度大幅度升高，其升高趋势在进入炉膛后有所减缓，到炉膛后半段时，其升高趋势有稍许下降，最终逐渐稳定。由方案1与方案2对比可知，除燃烧器部分，其余沿轴向变化的平均NOx浓度，前者均低于后者。

表5 两种方案NOx浓度与脱硝效率对比

由表4可知，方案1的炉膛出口NOx浓度为268.82 mg/Nm3，方案2的炉膛出口NOx浓度为315.72 mg/Nm3，前者比后者低46.9 mg/Nm3；方案1脱硝效率为23.84%，方案2脱硝效率为8.64%，前者比后者高15.2%。

4 结束语

由上述可知，每个燃烧优化的方法均有各自的优点与缺点，应根据实际情况有机结合多种方法以改善工业锅炉的燃烧，进一步促进工业燃煤锅炉的发展。本文所研究的热态燃烧模拟结果可知，优化后的方案可以减小炉膛的平均烟温与出口烟温，使炉膛出口氧气浓度降低，提高煤粉燃尽率，从而提高锅炉的燃烧效率；还可以减少NOx的排放，提高脱硝效率。今后笔者将会持续关注工业锅炉燃烧技术的发展，多看多学，以期能献出一份力量。