FGR改造對燃氣工業(yè)鍋爐狀況影響分析

劉 暢 李冬屹 張寶祥 陳志剛 許崇濤

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 天津 300192）

1 前言

現(xiàn)階段，燃氣鍋爐作為清潔能源轉(zhuǎn)化設(shè)備所占比例逐年提升。以天津為例，全市大部分生產(chǎn)和供熱用鍋爐已改用燃氣。燃氣鍋爐排放的煙氣中含有的氣態(tài)污染物包括SOx、NOx、CO等，其中NOx所占比例遠大于SOx和CO。

典型的燃氣工業(yè)鍋爐低氮燃燒方式分為3種：表面燃燒、分級燃燒、煙氣再循環(huán)（FGR）[1]。其中，煙氣再循環(huán)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、燃煤電廠和燃氣輪機等[2-3]。其流程如圖1所示，將燃燒產(chǎn)生煙氣總量的15%～20%的煙氣與助燃的氧化劑混合后再次送入爐膛內(nèi)，進行二次燃燒的過程稱為煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)[4-5]。

圖1 煙氣再循環(huán)示意圖

針對FGR技術(shù)，2017年Stanislaw Gamrat等人[6]研究了外部煙氣再循環(huán)以減少焦爐電池加熱通道中NOx的排放；于治國等人[7]針對煙氣再循環(huán)技術(shù)造成的鍋爐震動問題提出了解決方案。目前，燃氣工業(yè)鍋爐經(jīng)過FGR改造后，對鍋爐本身的運行影響仍是我們需要研究的問題。本文通過用Fluent模擬爐膛內(nèi)部溫度情況，來分析FGR開啟對燃氣鍋爐爐膛內(nèi)溫度分布影響；通過對一臺燃氣蒸汽鍋爐能效測試，來分析FGR開啟對蒸汽鍋爐能效的影響。

2 燃氣工業(yè)鍋爐FGR改造對燃燒的影響

2.1 研究對象及試驗參數(shù)

為了方便模擬研究，對模擬參數(shù)進行了簡化和假設(shè)：

1）對鍋爐研究過程只保留上半部分燃燒室，即上半部分爐膛。爐膛部分包括燃燒器、燃燒室。

2）燃料采用天然氣，成分為CH4，純度為100%。

3）燃燒器燃料入口與空氣進口采用二者混合位置，選取左下角其中一點作為燃料和空氣進入爐膛點。

本章選取天然氣燃料流速Vf、空氣流速Vair、燃燒器入口氧氣濃度3個變量作為研究對象，將3種變量組成不同工況對FGR技術(shù)改造的燃氣蒸汽鍋爐燃燒特性進行研究，設(shè)計參數(shù)（見表1）進行模擬。

表1 模擬數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

●2.2.1 空氣量變化

圖2～圖4為當燃料流速和煙氣循環(huán)量不變時，空氣流速改變下的3組溫度場對照。從每張模擬圖都可以看出，模擬的火焰行程較長，在爐膛不同區(qū)域出現(xiàn)明顯的溫度層。

圖2 燃料流速450 m3/h、氧氣含量11%，空氣流速不同

圖3 燃料流速300 m3/h、氧氣含量11%，空氣流速不同

圖4 燃料流速150 m3/h、氧氣含量11%，空氣流速不同

空氣流速改變可以看作過量空氣系數(shù)的改變，根據(jù)式（1）可知，隨著空氣流速不斷增大，干煙氣中氧氣體積分數(shù)也會增大，會使過量空氣系數(shù)不斷增加。由圖2～圖4可以看出，隨著空氣流速增大，火焰的直徑變小，爐膛最高溫度火焰邊界線由爐膛邊界向爐膛內(nèi)部中心靠近，而且火焰最高溫度出現(xiàn)顯著下降、區(qū)域范圍出現(xiàn)縮小。此外，由于燃料和空氣由同一點進入混合，從圖2可以看出，與圖2（a）相比，圖2（b）的爐膛火焰拋物線最高點出現(xiàn)下降。在鍋爐進行了FGR改造后，空氣流速的變化會影響過量空氣系數(shù)，從而會影響爐膛內(nèi)部溫度變化和鍋爐熱效率。

式中：

α——過量空氣系數(shù)；

φO2，fg，d——干煙氣中氧氣體積分數(shù)，%。

●2.2.2 氧氣含量變化（循環(huán)煙氣量）

在鍋爐進行了FGR改造之后，隨著循環(huán)煙氣量的改變，也會影響燃燒區(qū)氧氣濃度和煙氣的過量空氣系數(shù)。可將氧氣濃度大小比作燃氣鍋爐尾部煙道FGR循環(huán)煙氣量大小，從圖5～圖7可以看出，當燃料流速和空氣流速保持不變，隨著循環(huán)煙氣量的調(diào)大，氧氣濃度降低，爐膛內(nèi)部溫度最高的區(qū)域邊界線逐步擴散至爐膛側(cè)面，且溫度最高區(qū)域逐步擴大；最高溫度也逐漸降低。當FGR循環(huán)煙氣量過大，過量的循環(huán)煙氣進入鍋爐燃燒器燃燒區(qū)中，使燃燒區(qū)中氧氣含量降低、過量空氣系數(shù)降低。此時，爐膛內(nèi)部會出現(xiàn)燃燒不充分，導(dǎo)致爐膛內(nèi)部溫度下降、換熱效率降低。

圖5 燃料流速450 m3/h、空氣流速4 286 m3/h，氧氣含量不同

圖5 燃料流速450 m3/h、空氣流速4 286 m3/h，氧氣含量不同（續(xù)）

圖6 燃料流速300 m3/h、空氣流速2 865 m3/h，氧氣含量不同

圖7 燃料流速150 m3/h、空氣流速1 430 m3/h，氧氣含量不同

3 FGR對鍋爐熱效率的影響

本節(jié)對一臺已經(jīng)進行FGR技術(shù)改造的燃氣蒸汽工業(yè)鍋爐進行了能效測試。鍋爐具體情況如下：

某燃氣蒸汽鍋爐具體參數(shù)如下：型號為WNS10-1.25-Y（Q）；額定出力為10 t／h；額定壓力為1.25 MPa；工作壓力為0.6 MPa。各部分組成如下：裝有一級節(jié)能器和空氣預(yù)熱器，在FGR系統(tǒng)煙道上加裝引風機，靠燃燒器鼓風機和煙道上加裝的引風機引入再循環(huán)煙氣送入爐膛。FGR系統(tǒng)開啟后會降低排煙處過量空氣系數(shù)。圖8為鍋爐系統(tǒng)圖。

圖8 WNS10-1.25-Y（Q）鍋爐系統(tǒng)圖

在不同工況下對這臺鍋爐進行多次能效測試，每種工況都分為FGR系統(tǒng)開啟及關(guān)閉2種情況。根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析采用不同形式的FGR技術(shù)對熱效率的影響。n=3.45；

αpy——排煙處過量空氣系數(shù)；

tpy——排煙溫度，℃；

tlk——入爐冷空氣溫度，℃。

因燃氣鍋爐無固體燃料，q4為零，q2僅與αpy、tpy、tlk有關(guān)。q3與一氧化碳(CO)的含量有關(guān)，q5與鍋爐噸位及運行熱負荷有關(guān)。

3.1 FGR技術(shù)對蒸汽鍋爐熱效率的影響

在入爐冷空氣25.6 ℃條件下，檢測圖8所示點C，得到該WNS10-1.25-Y（Q）蒸汽鍋爐不同負荷運行工況下測試數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)式（2）和式（3）得出在不同負荷運行工況下FGR系統(tǒng)開啟前后的鍋爐熱效率。比較系統(tǒng)開啟前后的鍋爐熱效率如圖9所示。

表2 不同負荷運行工況下系統(tǒng)開啟前后相關(guān)數(shù)據(jù)

圖9 FGR系統(tǒng)開啟前后不同負荷下的鍋爐熱效率

根據(jù)TSG 91—2021《鍋爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)程》，工業(yè)鍋爐能效測試分為產(chǎn)品能效測試、鍋爐熱效率簡單測試和鍋爐熱效率詳細測試，本鍋爐采用鍋爐熱效率簡單測試[8]。

反平衡熱效率η計算式[9]用式（2）表示：

式中：

q2——排煙熱損失；

q3——氣體不完全燃燒熱損失；

q4——固體不完全燃燒熱損失；

q5——散熱損失；

q6——灰渣物理熱損失；

q7——石灰石脫硫熱損失。

對于燃氣鍋爐，q4、q6、q7均為零，因而燃氣鍋爐反平衡熱效率僅考慮q2、q3、q5的影響。

其中排煙熱損失q2用式（3）表示：

式中：

m，n——計算系數(shù)，對于燃氣鍋爐，m=0.5，

由表2和圖9可知，F(xiàn)GR系統(tǒng)開啟之后，熱效率會有一定的提升。在經(jīng)過節(jié)能器后，該鍋爐排煙溫度仍高于露點溫度[10]，因而可以不用考慮汽化潛熱問題。由數(shù)據(jù)可知，采用FGR技術(shù)改造后，該鍋爐的熱效率有略微提升。下面對其熱效率的變化進行分析。

3.2 FGR技術(shù)對蒸汽鍋爐熱效率的影響因素分析

1）氧含量及過量空氣系數(shù)。根據(jù)WNS10-1.25-Y（Q）蒸汽鍋爐數(shù)據(jù)，從表2可以看出，在任何負荷條件下，F(xiàn)GR系統(tǒng)開啟時鍋爐煙氣含氧量和過量空氣系數(shù)均低于未開啟FGR時的煙氣含氧量和過量空氣系數(shù)，并且兩者都出現(xiàn)顯著的降低。過量空氣系數(shù)的改變，會影響鍋爐熱效率值。

根據(jù)圖8來解釋說明，造成過量空氣系數(shù)改變主要原因是鍋爐的鼓風機系統(tǒng)1和FGR的循環(huán)系統(tǒng)2相互影響。在經(jīng)過FGR系統(tǒng)的煙氣與空氣混合后，會造成鍋爐爐膛內(nèi)總體氧濃度下降，過量空氣系數(shù)下降[11]。根據(jù)式（3）可知，在保證其他參數(shù)均相同的情況下，隨著過量空氣系數(shù)的下降，q2的值會下降，鍋爐熱效率會略有提高。

2）排煙溫度。從表2可以看出，經(jīng)過節(jié)能器和空氣預(yù)熱器后出口C點的煙氣溫度，在進行FGR改造前，工況為30%～40%、50%～60%和70%～80%負荷條件下，C點的排煙溫度分別為73.5 ℃、83.6 ℃和91.8 ℃；在進行FGR改造后，C點的排煙溫度分別為70.5 ℃、78.0 ℃、79.4 ℃。在經(jīng)過節(jié)能器和空氣預(yù)熱器后，與未經(jīng)過FGR改造鍋爐相比，經(jīng)過FGR改造的鍋爐尾部排煙溫度出現(xiàn)下降，q2值出現(xiàn)下降，鍋爐熱效率略有提高。

4 結(jié)論

1）通過控制變量法模擬鍋爐溫度場得出，空氣流速增大，火焰的直徑變小；爐膛最高溫度火焰邊界線由爐膛邊界向爐膛內(nèi)部中心靠近；而且火焰最高溫度出現(xiàn)顯著下降、區(qū)域范圍出現(xiàn)縮小。另外，隨著氧氣濃度降低，爐膛溫度逐漸下降，爐膛內(nèi)最高溫度顯著降低，溫度最高的區(qū)域逐步擴散至爐膛邊界側(cè)，且溫度最高區(qū)域逐步擴大。

2）利用反平衡法測量數(shù)據(jù)并計算型號為WNS10-1.25-Y（Q）蒸汽鍋爐FGR改造前后的鍋爐熱效率得到，F(xiàn)GR系統(tǒng)開啟之后，熱效率會有一定的提升。另外從氧氣含量及過量空氣系數(shù)、排煙溫度幾方面分析了FGR開啟前后對鍋爐熱效率的影響，也說明了鍋爐開啟FGR系統(tǒng)的重要性。