燃煤鍋爐節(jié)能減排中CFD技術(shù)的應(yīng)用探討

摘 要：隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深化，國內(nèi)各地區(qū)均開展了大規(guī)模的節(jié)能減排技術(shù)改造活動，其中以燃煤鍋爐的節(jié)能減排技術(shù)為主，有效降低了燃煤鍋爐在生產(chǎn)過程中對資源的消耗和對周圍環(huán)境的污染。而CFD技術(shù)則是現(xiàn)代計算機模擬運算技術(shù)之一，其已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在各個行業(yè)當中。文章即是對燃煤鍋爐節(jié)能減排中CFD技術(shù)的應(yīng)用進行研究，探討了CFD技術(shù)的概念，并對該技術(shù)應(yīng)用的必要性進行了說明，最終闡述了CFD技術(shù)的應(yīng)用情況，以期能為相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；節(jié)能減排；CFD技術(shù)；應(yīng)用

現(xiàn)代世界各國均存在著大量的火力發(fā)電站和燃煤工業(yè)，而這些產(chǎn)業(yè)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(zhì)對地區(qū)環(huán)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(fā)電廠和燃煤企業(yè)的主要發(fā)展目標。運用現(xiàn)代CFD模擬技術(shù)能夠有效計算燃煤鍋爐工作當中的具體情況，為節(jié)能減排方案提供參考數(shù)據(jù)。

1 CFD技術(shù)的概述

CFD技術(shù)指的是現(xiàn)代計算機軟件輔助下的數(shù)值模擬測試技術(shù)，目前在國際上將CFD主要用于熱量、物質(zhì)、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(zhì)化學反應(yīng)等方面的研究當中。根據(jù)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(shè)備運行過程中的各種流場情況通過數(shù)值的方式進行表示。因此，可以將CFD技術(shù)應(yīng)用在對燃煤鍋爐內(nèi)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(nèi)部設(shè)計提供有效的指導[1]。

2 CFD技術(shù)在燃煤鍋爐節(jié)能減排應(yīng)用中的重要性

2.1 認可度高

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

2.2 計算方法成熟

自CFD技術(shù)研發(fā)應(yīng)用至今，其對于復雜的流體動力、物質(zhì)熱傳導效應(yīng)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字數(shù)據(jù)，通過計算機模擬技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型。目前人們所應(yīng)用的CFD技術(shù)主要是利用流體有限元分析方式，模擬實際鍋爐內(nèi)的熱流場，其本質(zhì)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(jié)果是燃煤鍋爐內(nèi)流場、溫度等的連續(xù)分布情況[2]。

2.3 誤差控制性高

CFD技術(shù)自應(yīng)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(shù)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(shù)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(xiàn)代CFD技術(shù)的應(yīng)用提供了更加明確的發(fā)展方向。

3 燃煤鍋爐節(jié)能減排中CFD技術(shù)的應(yīng)用

3.1 解決節(jié)能和減排之間的矛盾

節(jié)能和減排是基于綠色資源應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展理念基礎(chǔ)上提出的，既需要提升對資源的利用度，起到節(jié)約資源的目的，又要降低排放到環(huán)境當中的污染物質(zhì)，而按照以往的能源使用技術(shù)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(wěn)燃性能、污染物控制、結(jié)渣控制以及腐蝕控制等多個內(nèi)容，但這些內(nèi)容之間本身也存在矛盾性，例如在提升穩(wěn)燃性能時，就可能會引起鍋爐內(nèi)壁結(jié)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(zhì)變化過程，鍋爐內(nèi)的環(huán)境十分復雜且惡劣，如果運用常規(guī)的檢測方式測量鍋爐的燃燒效率，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且所獲得的數(shù)據(jù)誤差率極大。因此應(yīng)該應(yīng)用CFD技術(shù)，對燃煤鍋爐內(nèi)的熱態(tài)和冷態(tài)變化數(shù)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(tài)下，而是用仿真模擬的方式，需找最優(yōu)的能源燃燒方案。利用CFD技術(shù)可以有效解決節(jié)能和減排型燃煤鍋爐設(shè)計當中的試驗成本問題，并且也降低了設(shè)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(shù)的創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用

想要提升燃煤鍋爐的節(jié)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(yīng)該考慮到燃煤的完全燃燒和鍋爐型號的創(chuàng)新設(shè)計。目前增加燃煤完全燃燒效果的技術(shù)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(zhì)有關(guān)；方向燃燒則主要分為切向、旋轉(zhuǎn)以及W型火焰三種，但這三種技術(shù)在設(shè)計和研發(fā)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(shè)計，不同煤粉所呈現(xiàn)的燃燒點各不相同，并不是濃縮程度越高完全燃燒性質(zhì)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(jīng)費比例較大，使得節(jié)能減排無法實現(xiàn)。而CFD技術(shù)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(shù)進行研究和設(shè)計，有效提升了研發(fā)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(wěn)燃性能，并且對多種煤粉的適應(yīng)性較強；切向燃燒則可以有效提升低負荷下的穩(wěn)燃性能；旋轉(zhuǎn)燃燒則能夠有效發(fā)揮出不同煤種的高效燃燒性能，在大規(guī)模熱電廠當中，需要根據(jù)實際的發(fā)電需求選擇不同的燃燒方式，而這也就需要CFD技術(shù)的模擬計算，利用模擬數(shù)據(jù)實現(xiàn)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(yōu)的創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)。

另外，在減排方面CFD技術(shù)也發(fā)揮著重要的指導作用。目前煙氣脫硫技術(shù)是應(yīng)用最廣的減排技術(shù)之一，我國也就濕法煙氣脫硫燃煤生產(chǎn)給出了相應(yīng)的標準，但目前我國所應(yīng)用的濕法脫硫技術(shù)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(jīng)將CFD技術(shù)應(yīng)用在濕法煙氣脫硫的優(yōu)化和創(chuàng)新工作當中，模擬不同煤種在脫硫時的效果，并選擇出最優(yōu)的解決方案[5]。

4 結(jié)束語

燃煤鍋爐仍是現(xiàn)代人類所應(yīng)用的能源主要生產(chǎn)設(shè)備，提高其節(jié)能減排的效果，就能夠有效緩解當前國際能源危機和環(huán)境危機問題，而CFD技術(shù)以其準確、方面的模擬計算能力，能夠有效提升燃煤鍋爐節(jié)能減排的效果，應(yīng)該進一步深化該技術(shù)的應(yīng)用。

參考文獻

[1]董廷偉.論述鍋爐節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用[J].民營科技，2012（8）：80-81.

[2]賈彥磊.燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能減排技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用探究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2014（3）：7-8.

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

[4]趙巖.鍋爐及供熱系統(tǒng)的節(jié)能措施探討[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010，12（19）：116-117.

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