燃油鍋爐水質評價及燃燒特性研究

殷超鞠澤(江蘇省安全監督檢驗研究院泰州分院，江蘇泰州225300)

1 引言

鍋爐是工業生產過程中必不可少的能量轉換設備，據不完全統計截止2018年底，我國鍋爐保有量已達40.39萬臺。2014年國家頒布了新的《安全生產法》和《環境保護法》，對企業的生產安全、節能減排和經濟運行提出了更高要求和標準。然而目前市場上的燃油鍋爐的設計一般都未考慮其使用的海拔條件，眾所周知空氣中的氧含量會隨著海拔的升高而逐漸降低，因此在高原環境下，燃油鍋爐的低氧環境燃燒(也稱不完全燃燒)將會造成燃燒效率的降低，NOx、SOx、COx等污染物的產生，有些污染物將沉積在鍋爐中[1]。本文通過對高原燃油鍋爐水處理系統的水質檢測，建立燃燒模型進行數值模擬來研究高原燃油鍋爐的燃燒特性。

表1鍋爐水質質量檢測

2 高原燃油鍋爐水質檢測

本文以某高原的WNS型燃油鍋爐(臥式三回程鍋殼鍋爐)為研究對象，鍋爐爐內的結構主要包括燃燒器、對流室、福射室、回燃室等部件。爐內采用機械壓力霧化燃料油后進行燃燒，油料經霧化器霧化成微小顆粒，并以設定的霧化角噴入爐內經擴散后與空氣充分混合，經過燃燒室的著火燃燒，生成高溫的煙氣并進行傳熱。

鍋爐的熱交換媒介通常采用的是水，水的質量好壞將直接影響鍋爐的運行情況。鍋爐的水質處理通常是按照作業人員的個人的經驗完成，而忽視系統完善的水質檢測及監控，而通過建立對鍋爐水處理系統的完整的監控體系和系統的水質檢測，可以發現鍋爐系統及水處理系統在運行過程中各環節存在的問題。該鍋爐水質質量檢測如下表1。

通過檢測從上表中可以發現燃油鍋爐水質堿度、氯根較高，研究其原因一是因為燃油鍋爐未完全燃燒導致產生過量的NOx和SOx及COx，作業人員為了防止鍋爐被酸性腐蝕而人為的大量加藥來提高爐水的堿度，以至于爐水的堿度達到國家標準的好幾倍。二是從上表中可以發現，原水和給水的氯離子含量分別達到103.74mg/L 及67.84mg/L，造成鍋水氯離子含量偏大。經調查發現作業人員在實際的操作過程中只關注給水的硬度，沒有對軟水中的氯離子含量進行檢測和監控，導致鍋水中的氯離子含量達到了485.52mg/L，氯離子含量的高低直接反映出鍋爐排污率，根據公式w=cl給-/(cl鍋--cl給-)×100%計算得到該鍋爐排污率達到16.2%以上[2]。

鍋爐排污率高首先會導致爐水結垢影響鍋爐的導熱性能，造成鍋爐局部溫度過高，同時水垢的存在會造成管壁堵塞等破壞鍋爐的水循環系統；其次容易造成鍋爐爐壁的強度下降，產生變形、穿孔、鼓包等缺陷極限情況有可能會導致爆炸；另外鍋爐水質較差會在過的水、汽界面上發生泡沫或者汽水共騰現象，造成蒸汽中的含鹽量增加，引起水擊振動，導致鍋爐水位的強烈波動，影響鍋爐的正常使用及安全運行。

3 燃油鍋爐的燃燒特性分析

該鍋爐裝置的位于海拔1756米，海拔的高度會直接影響到空氣中的氧含量，一般來說隨著海拔升高空氣壓力會降低，導致空氣越稀薄，空氣中氧含量降低。海拔升高100米，空氣中氧含量將下降16%。表2 為海拔與大氣壓和氧含量的相應關系。

過量空氣系數指的是鍋爐爐膛燃料充分燃燒所需的實際空氣量與理論空氣量的比，燃油鍋爐的燃燒特性數值模型的設置，首先需要先假設空氣過量系數保持不變，降低鍋爐空氣入口處的氧含量，對鍋爐的燃燒溫度進行對比，選取氧含量21%、19.35%、18.39%以及17.75%時的燃燒溫度特性曲線進行對比。從圖1可以發現，在相同的過量空氣系數條件下，隨著氧含量的下降，鍋爐爐膛整體溫度將隨之下降，燃燒溫度特性曲線的最高溫度和鍋爐出口處的平均溫度也隨之下降，燃燒溫度特性曲線峰值與谷值間的差距減小。另外根據燃燒溫度特性曲線可以發現氧氣濃度變低，不完全燃燒發生的幾率將隨之增大，燃燒的火焰變短，變細，產生的CO2含量也變低，這是由于隨著空氣中氧含量的下降，燃燒更容易發生在溫度偏高的軸心區域-爐膛軸心。

表2海拔高度與大氣壓和氧含量的相應關系

圖1含氧量與爐膛出口溫度的關系

因此海拔較高的燃油鍋爐在氧含量較低的情況下，必須適當提高過量空氣系數，來保證空氣中的氧含量使得鍋爐燃燒更加充分，減少鍋爐的不完全燃燒[3]。但同時也不能簡單的通過增大或減小過量空氣系數，來保證燃油鍋爐既達到較好的燃燒效果又能減少COx、NOx、SOx等氣體的排放。而是需要根據鍋爐的實際運行工況確定合理的過量空氣系數，對鍋爐的燃燒性能進行相應的調整。

4 結語

本文以高海拔地區的燃油鍋爐為研究對象，并對其水質化驗的結果進行了定性分析，通過建立鍋爐處理系統的整體水質監測可以反饋出該鍋爐不完全燃燒的情況及鍋爐的健康狀況。對于高海拔地區的鍋爐氧含量較低，燃燒條件不充分的情況，不能簡單的通過增大或減小過量空氣系數使鍋爐達到燃燒效果，必須根據實際的工況以及水質檢測的結果對空氣過量系數的選取，從而降低不完全燃燒的幾率保障高海拔地區的鍋爐經濟安全的運行。