燃煤鍋爐節能減排中CFD技術的應用探討

摘 要：隨著我國可持續發展戰略的不斷深化，國內各地區均開展了大規模的節能減排技術改造活動，其中以燃煤鍋爐的節能減排技術為主，有效降低了燃煤鍋爐在生產過程中對資源的消耗和對周圍環境的污染。而CFD技術則是現代計算機模擬運算技術之一，其已經被廣泛地應用在各個行業當中。文章即是對燃煤鍋爐節能減排中CFD技術的應用進行研究，探討了CFD技術的概念，并對該技術應用的必要性進行了說明，最終闡述了CFD技術的應用情況，以期能為相關工作提供參考。

關鍵詞：燃煤鍋爐；節能減排；CFD技術；應用

現代世界各國均存在著大量的火力發電站和燃煤工業，而這些產業當中的燃煤鍋爐所排放的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等氣體物質對地區環境會造成嚴重的影響。因此，有效控制燃煤鍋爐的污染問題，提升對能源的利用率就成為了世界各地火力發電廠和燃煤企業的主要發展目標。運用現代CFD模擬技術能夠有效計算燃煤鍋爐工作當中的具體情況，為節能減排方案提供參考數據。

1 CFD技術的概述

CFD技術指的是現代計算機軟件輔助下的數值模擬測試技術，目前在國際上將CFD主要用于熱量、物質、動能等的傳遞研究上，同時也將其運用在燃燒、多相流和物質化學反應等方面的研究當中。根據包含的學科不同可以將其分為流體動力、熱傳導、燃燒流體動力學等多方面的計算，通過仿真模擬的方式，將設備運行過程中的各種流場情況通過數值的方式進行表示。因此，可以將CFD技術應用在對燃煤鍋爐內煤炭燃燒后的負荷、空氣動力等因素的分析，可為新型燃煤鍋爐的內部設計提供有效的指導[1]。

2 CFD技術在燃煤鍋爐節能減排應用中的重要性

2.1 認可度高

CFD技術在設計運用過程中表現為成本較低、運算速度快、運算得出結論完善度高等優勢，同時還可以模擬燃煤鍋爐使用過程中的實際狀態，因此采用這一技術設計的燃煤鍋爐可行性非常高。加之現代計算機數字模擬技術的不斷提升使得CFD技術進一步滿足現代人的需求。

2.2 計算方法成熟

自CFD技術研發應用至今，其對于復雜的流體動力、物質熱傳導效應等的描述程度均在提升，并且利用特定的運算方程可以將實際數據轉化為數字數據，通過計算機模擬技術將其轉化為數學模型。目前人們所應用的CFD技術主要是利用流體有限元分析方式，模擬實際鍋爐內的熱流場，其本質則是一個流體流動控制的微積分方程式，該方程式的計算結果是燃煤鍋爐內流場、溫度等的連續分布情況[2]。

2.3 誤差控制性高

CFD技術自應用以來均在不斷提升對計算誤差的控制效果。早在1986年時，美國的工程師就通過控制數值精度的模擬編輯方式來提高誤差的控制效果；而在1993年時同樣是由美國的工程師提出了CFD技術下誤差精度控制的10條標準，雖然這10條標準當中也存在著部分洞漏和爭議，但是為現代CFD技術的應用提供了更加明確的發展方向。

3 燃煤鍋爐節能減排中CFD技術的應用

3.1 解決節能和減排之間的矛盾

節能和減排是基于綠色資源應用和可持續發展理念基礎上提出的，既需要提升對資源的利用度，起到節約資源的目的，又要降低排放到環境當中的污染物質，而按照以往的能源使用技術來說，這兩個概念之間存在著一定的矛盾性。就燃煤鍋爐來說，想要提升其燃燒的效率，就必須提升鍋爐的穩燃性能、污染物控制、結渣控制以及腐蝕控制等多個內容，但這些內容之間本身也存在矛盾性，例如在提升穩燃性能時，就可能會引起鍋爐內壁結渣率增高、高溫腐蝕情況提升的問題，并且還可以增加NOx氣體的排放量；再者，如果單純降低鍋爐燃燒后所排放的NOx氣體量，則可能會影響整體燃燒效率。而鍋爐的燃燒本身是一個復雜的熱傳導和物質變化過程，鍋爐內的環境十分復雜且惡劣，如果運用常規的檢測方式測量鍋爐的燃燒效率，不僅增加了生產成本，而且所獲得的數據誤差率極大。因此應該應用CFD技術，對燃煤鍋爐內的熱態和冷態變化數值進行模擬測試，其能夠降低檢測過程中空間的束縛，并且不需要鍋爐真正處于實際運行狀態下，而是用仿真模擬的方式，需找最優的能源燃燒方案。利用CFD技術可以有效解決節能和減排型燃煤鍋爐設計當中的試驗成本問題，并且也降低了設計對燃煤鍋爐本身的損傷，保障了檢測人員的安全[3]。

3.2 CFD技術的創新設計應用

想要提升燃煤鍋爐的節能減排效果，不僅要從控制鍋爐容量和熱蒸汽效果入手，還應該考慮到燃煤的完全燃燒和鍋爐型號的創新設計。目前增加燃煤完全燃燒效果的技術主要包含兩種，其一是濃淡燃燒，其二是方向燃燒，濃淡燃燒主要與燃煤自身的性質有關；方向燃燒則主要分為切向、旋轉以及W型火焰三種，但這三種技術在設計和研發過程中均遇到了阻礙[4]。其一，濃淡燃燒主要是針對各種燃煤的燃燒點和濃度進行設計，不同煤粉所呈現的燃燒點各不相同，并不是濃縮程度越高完全燃燒性質就越好，而目前我國煤粉種類和鍋爐型號眾多，在實際測量當中投入的經費比例較大，使得節能減排無法實現。而CFD技術則可以借助計算機模擬方式，通過將不同煤粉濃縮程度、不同鍋爐型號等條件的組合，對鍋爐燃燒的新技術進行研究和設計，有效提升了研發工作的效率。其二，不同的方向燃燒同樣需要不同的鍋爐型號來配合，其中W型燃燒方式能夠有效提升穩燃性能，并且對多種煤粉的適應性較強；切向燃燒則可以有效提升低負荷下的穩燃性能；旋轉燃燒則能夠有效發揮出不同煤種的高效燃燒性能，在大規模熱電廠當中，需要根據實際的發電需求選擇不同的燃燒方式，而這也就需要CFD技術的模擬計算，利用模擬數據實現對多種煤種不同燃燒方法的效率和NOx氣體排放量的計算，獲得最優的創新設計技術。

另外，在減排方面CFD技術也發揮著重要的指導作用。目前煙氣脫硫技術是應用最廣的減排技術之一，我國也就濕法煙氣脫硫燃煤生產給出了相應的標準，但目前我國所應用的濕法脫硫技術對于大顆粒煤粉的效果較強，而對于小顆粒煤種則效果較差。國外已經將CFD技術應用在濕法煙氣脫硫的優化和創新工作當中，模擬不同煤種在脫硫時的效果，并選擇出最優的解決方案[5]。

4 結束語

燃煤鍋爐仍是現代人類所應用的能源主要生產設備，提高其節能減排的效果，就能夠有效緩解當前國際能源危機和環境危機問題，而CFD技術以其準確、方面的模擬計算能力，能夠有效提升燃煤鍋爐節能減排的效果，應該進一步深化該技術的應用。

參考文獻

[1]董廷偉.論述鍋爐節能減排技術的創新與應用[J].民營科技，2012（8）：80-81.

[2]賈彥磊.燃煤工業鍋爐節能減排技術研發與應用探究[J].資源節約與環保，2014（3）：7-8.

[3]王景.淺談工業鍋爐節能減排[J].大眾標準化，2010，11（2）：46-47.

[4]趙巖.鍋爐及供熱系統的節能措施探討[J].中國新技術新產品，2010，12（19）：116-117.

[5]劉桂榮，李林.鍋爐綜合節能技術改造實踐[J].中州煤炭，2010，9（10）：46-47.