FGR改造对燃气工业锅炉状况影响分析

刘 畅 李冬屹 张宝祥 陈志刚 许崇涛

（天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192）

1 前言

现阶段，燃气锅炉作为清洁能源转化设备所占比例逐年提升。以天津为例，全市大部分生产和供热用锅炉已改用燃气。燃气锅炉排放的烟气中含有的气态污染物包括SOx、NOx、CO等，其中NOx所占比例远大于SOx和CO。

典型的燃气工业锅炉低氮燃烧方式分为3种：表面燃烧、分级燃烧、烟气再循环（FGR）[1]。其中，烟气再循环被广泛应用于工业锅炉、燃煤电厂和燃气轮机等[2-3]。其流程如图1所示，将燃烧产生烟气总量的15%～20%的烟气与助燃的氧化剂混合后再次送入炉膛内，进行二次燃烧的过程称为烟气再循环燃烧技术[4-5]。

图1 烟气再循环示意图

针对FGR技术，2017年Stanislaw Gamrat等人[6]研究了外部烟气再循环以减少焦炉电池加热通道中NOx的排放；于治国等人[7]针对烟气再循环技术造成的锅炉震动问题提出了解决方案。目前，燃气工业锅炉经过FGR改造后，对锅炉本身的运行影响仍是我们需要研究的问题。本文通过用Fluent模拟炉膛内部温度情况，来分析FGR开启对燃气锅炉炉膛内温度分布影响；通过对一台燃气蒸汽锅炉能效测试，来分析FGR开启对蒸汽锅炉能效的影响。

2 燃气工业锅炉FGR改造对燃烧的影响

2.1 研究对象及试验参数

为了方便模拟研究，对模拟参数进行了简化和假设：

1）对锅炉研究过程只保留上半部分燃烧室，即上半部分炉膛。炉膛部分包括燃烧器、燃烧室。

2）燃料采用天然气，成分为CH4，纯度为100%。

3）燃烧器燃料入口与空气进口采用二者混合位置，选取左下角其中一点作为燃料和空气进入炉膛点。

本章选取天然气燃料流速Vf、空气流速Vair、燃烧器入口氧气浓度3个变量作为研究对象，将3种变量组成不同工况对FGR技术改造的燃气蒸汽锅炉燃烧特性进行研究，设计参数（见表1）进行模拟。

表1 模拟数据

2.2 数值计算结果及分析

●2.2.1 空气量变化

图2～图4为当燃料流速和烟气循环量不变时，空气流速改变下的3组温度场对照。从每张模拟图都可以看出，模拟的火焰行程较长，在炉膛不同区域出现明显的温度层。

图2 燃料流速450 m3/h、氧气含量11%，空气流速不同

图3 燃料流速300 m3/h、氧气含量11%，空气流速不同

图4 燃料流速150 m3/h、氧气含量11%，空气流速不同

空气流速改变可以看作过量空气系数的改变，根据式（1）可知，随着空气流速不断增大，干烟气中氧气体积分数也会增大，会使过量空气系数不断增加。由图2～图4可以看出，随着空气流速增大，火焰的直径变小，炉膛最高温度火焰边界线由炉膛边界向炉膛内部中心靠近，而且火焰最高温度出现显著下降、区域范围出现缩小。此外，由于燃料和空气由同一点进入混合，从图2可以看出，与图2（a）相比，图2（b）的炉膛火焰抛物线最高点出现下降。在锅炉进行了FGR改造后，空气流速的变化会影响过量空气系数，从而会影响炉膛内部温度变化和锅炉热效率。

式中：

α——过量空气系数；

φO2，fg，d——干烟气中氧气体积分数，%。

●2.2.2 氧气含量变化（循环烟气量）

在锅炉进行了FGR改造之后，随着循环烟气量的改变，也会影响燃烧区氧气浓度和烟气的过量空气系数。可将氧气浓度大小比作燃气锅炉尾部烟道FGR循环烟气量大小，从图5～图7可以看出，当燃料流速和空气流速保持不变，随着循环烟气量的调大，氧气浓度降低，炉膛内部温度最高的区域边界线逐步扩散至炉膛侧面，且温度最高区域逐步扩大；最高温度也逐渐降低。当FGR循环烟气量过大，过量的循环烟气进入锅炉燃烧器燃烧区中，使燃烧区中氧气含量降低、过量空气系数降低。此时，炉膛内部会出现燃烧不充分，导致炉膛内部温度下降、换热效率降低。

图5 燃料流速450 m3/h、空气流速4 286 m3/h，氧气含量不同

图5 燃料流速450 m3/h、空气流速4 286 m3/h，氧气含量不同（续）

图6 燃料流速300 m3/h、空气流速2 865 m3/h，氧气含量不同

图7 燃料流速150 m3/h、空气流速1 430 m3/h，氧气含量不同

3 FGR对锅炉热效率的影响

本节对一台已经进行FGR技术改造的燃气蒸汽工业锅炉进行了能效测试。锅炉具体情况如下：

某燃气蒸汽锅炉具体参数如下：型号为WNS10-1.25-Y（Q）；额定出力为10 t／h；额定压力为1.25 MPa；工作压力为0.6 MPa。各部分组成如下：装有一级节能器和空气预热器，在FGR系统烟道上加装引风机，靠燃烧器鼓风机和烟道上加装的引风机引入再循环烟气送入炉膛。FGR系统开启后会降低排烟处过量空气系数。图8为锅炉系统图。

图8 WNS10-1.25-Y（Q）锅炉系统图

在不同工况下对这台锅炉进行多次能效测试，每种工况都分为FGR系统开启及关闭2种情况。根据测试数据分析采用不同形式的FGR技术对热效率的影响。n=3.45；

αpy——排烟处过量空气系数；

tpy——排烟温度，℃；

tlk——入炉冷空气温度，℃。

因燃气锅炉无固体燃料，q4为零，q2仅与αpy、tpy、tlk有关。q3与一氧化碳(CO)的含量有关，q5与锅炉吨位及运行热负荷有关。

3.1 FGR技术对蒸汽锅炉热效率的影响

在入炉冷空气25.6 ℃条件下，检测图8所示点C，得到该WNS10-1.25-Y（Q）蒸汽锅炉不同负荷运行工况下测试数据见表2。根据式（2）和式（3）得出在不同负荷运行工况下FGR系统开启前后的锅炉热效率。比较系统开启前后的锅炉热效率如图9所示。

表2 不同负荷运行工况下系统开启前后相关数据

图9 FGR系统开启前后不同负荷下的锅炉热效率

根据TSG 91—2021《锅炉节能环保技术规程》，工业锅炉能效测试分为产品能效测试、锅炉热效率简单测试和锅炉热效率详细测试，本锅炉采用锅炉热效率简单测试[8]。

反平衡热效率η计算式[9]用式（2）表示：

式中：

q2——排烟热损失；

q3——气体不完全燃烧热损失；

q4——固体不完全燃烧热损失；

q5——散热损失；

q6——灰渣物理热损失；

q7——石灰石脱硫热损失。

对于燃气锅炉，q4、q6、q7均为零，因而燃气锅炉反平衡热效率仅考虑q2、q3、q5的影响。

其中排烟热损失q2用式（3）表示：

式中：

m，n——计算系数，对于燃气锅炉，m=0.5，

由表2和图9可知，FGR系统开启之后，热效率会有一定的提升。在经过节能器后，该锅炉排烟温度仍高于露点温度[10]，因而可以不用考虑汽化潜热问题。由数据可知，采用FGR技术改造后，该锅炉的热效率有略微提升。下面对其热效率的变化进行分析。

3.2 FGR技术对蒸汽锅炉热效率的影响因素分析

1）氧含量及过量空气系数。根据WNS10-1.25-Y（Q）蒸汽锅炉数据，从表2可以看出，在任何负荷条件下，FGR系统开启时锅炉烟气含氧量和过量空气系数均低于未开启FGR时的烟气含氧量和过量空气系数，并且两者都出现显著的降低。过量空气系数的改变，会影响锅炉热效率值。

根据图8来解释说明，造成过量空气系数改变主要原因是锅炉的鼓风机系统1和FGR的循环系统2相互影响。在经过FGR系统的烟气与空气混合后，会造成锅炉炉膛内总体氧浓度下降，过量空气系数下降[11]。根据式（3）可知，在保证其他参数均相同的情况下，随着过量空气系数的下降，q2的值会下降，锅炉热效率会略有提高。

2）排烟温度。从表2可以看出，经过节能器和空气预热器后出口C点的烟气温度，在进行FGR改造前，工况为30%～40%、50%～60%和70%～80%负荷条件下，C点的排烟温度分别为73.5 ℃、83.6 ℃和91.8 ℃；在进行FGR改造后，C点的排烟温度分别为70.5 ℃、78.0 ℃、79.4 ℃。在经过节能器和空气预热器后，与未经过FGR改造锅炉相比，经过FGR改造的锅炉尾部排烟温度出现下降，q2值出现下降，锅炉热效率略有提高。

4 结论

1）通过控制变量法模拟锅炉温度场得出，空气流速增大，火焰的直径变小；炉膛最高温度火焰边界线由炉膛边界向炉膛内部中心靠近；而且火焰最高温度出现显著下降、区域范围出现缩小。另外，随着氧气浓度降低，炉膛温度逐渐下降，炉膛内最高温度显著降低，温度最高的区域逐步扩散至炉膛边界侧，且温度最高区域逐步扩大。

2）利用反平衡法测量数据并计算型号为WNS10-1.25-Y（Q）蒸汽锅炉FGR改造前后的锅炉热效率得到，FGR系统开启之后，热效率会有一定的提升。另外从氧气含量及过量空气系数、排烟温度几方面分析了FGR开启前后对锅炉热效率的影响，也说明了锅炉开启FGR系统的重要性。