摻燒高爐煤氣對鍋爐傳熱特性影響的研究

　在鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的高爐煤氣等二次能源。如果能充分利用這類二次能源，將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。但高爐煤氣熱值很低，一般在3350k/m3左右，組成成分只有約20%的〔0及少量碳氫化合物，其余均為不可燃物質(zhì)，難以得到充分利用。國外關(guān)于高爐煤氣利用的工作開始較早，二十世紀(jì)七十年代就開始利用高爐煤氣作為動力燃料使用，利用主要集中在兩個方面：一是高爐煤氣和天然氣等高熱值燃氣混合制成混合煤氣，提高煤氣的熱值，建造氣柜調(diào)節(jié)煤氣供應(yīng)峰值，實現(xiàn)燃氣鍋爐的穩(wěn)定、高效燃燒；二是通過高爐煤氣燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)來提高高爐煤氣的熱效率。我國對高爐煤氣的回收利用起步比較晚，直至1995年國內(nèi)的18個重點鋼鐵企業(yè)高爐煤氣的平均放散率依然在12%左右�，F(xiàn)階段我國關(guān)于高爐煤氣利用的主要方式：一是高爐煤氣與煤粉混燒發(fā)電供熱；二是使用高爐煤氣燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。從能源利用角度出發(fā)，高爐煤氣燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電應(yīng)該是利用高爐煤氣的發(fā)展方向所在，但燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電初始投資非常大，就目前而言，高爐煤氣與煤粉混燒發(fā)電還是高爐煤氣高效利用的的主要發(fā)展方向，目前國內(nèi)在役混燒鍋爐的總?cè)萘吭? 000MW左右，潛在容量可達到15本文以京唐首鋼300MW燃煤鍋爐為研究對象，通過對不同灰分的煙煤在不同高爐煤氣摻燒比例工況下的熱力計算，得出高爐煤氣摻燒比例對理論燃燒溫度、爐膛出口煙氣溫度、飛灰濃度、鍋爐效率、排煙溫度、爐膛輻射換熱和對流換熱等方面的影響。計算結(jié)果可為摻燒高爐煤氣的燃煤鍋爐運行提供。

　　1研究對象該電廠鍋爐采用了單汽包自然循環(huán)、四角布置的切向擺動式燃燒器、三級噴水減溫系統(tǒng)、固態(tài)排渣；爐膛采用膜式水冷壁，爐后尾部布置兩臺三分倉容克式空氣預(yù)熱器，還設(shè)有針對摻燒高爐煤氣的保護裝置。設(shè)計燃料為煙煤，采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，同時具有摻燒（0%~30%）高爐煤氣的能力。鍋爐的技術(shù)參數(shù)見表1，煤種和高爐煤氣成分見表2.在熱力計算中熱量摻燒比例分別定為0 %，3%，7%，10%，13%，15%，18%，20%，25%.為了方便對計算結(jié)果進行分析，在熱力計算中過量空氣系數(shù)a恒定為1.表1鍋爐的主要技術(shù)參數(shù)過熱蒸汽流量/t/h過熱蒸汽出口蒸汽壓力/MPa.g過熱蒸汽出口蒸汽溫度/再熱蒸汽流量/t/h再熱蒸汽進/出口壓力/MPa.g再熱蒸汽進/出口汽溫/省煤器給水溫度/T省煤器給水壓力/MPa.g冷風(fēng)溫度/熱風(fēng)溫度/表2煤種和高爐煤氣成分項目煤種一煤種二高爐煤氣成分/ 2混合燃料計算方法根據(jù)不同燃料的計算方法，得出一些常用的混合燃料計算方法。

　　2.1固體燃料混燒固體燃料混燒最常見，其成分通常是按照煤種份額給的質(zhì)量或重量出。因此，混煤的元素成分比較容易處理，其發(fā)熱量亦可按質(zhì)量份額計算。對1kg混合煤種有：2.2氣體燃料混燒對氣體燃料混燒來說，常給出各燃料的熱量份額，即每種燃料所占鍋爐的負荷百分比，故不能直接用來計算，需要把熱量份額轉(zhuǎn)換為體積份額來計算。對于1m3燃料混燒來說有：；為燃料的熱量份額；Qnet，ar、Qnet，ar，為混合燃料、單一燃料的低位發(fā)熱量k 2.3固體（液體）、氣體燃料混燒對于固體（液體）和氣體燃料混燒來說，燃燒不是按每千克混合燃料計算，而是按1kg固體（液體）燃料進行計算，同時將氣體燃料附加計算到1kg固體（液體）燃料上面去。其計算方法如下：理論燃燒溫度及爐膛出口煙溫隨高爐煤氣摻燒比例的變化；Q、Q1、Q2為混合燃料、固體（液體）燃料、氣體燃料的低位發(fā)熱量kkg1；X為1kg固體（液體）燃料的附加氣體燃料量m3；3計算結(jié)果3.1對爐膛輻射換熱及爐膛出口煙氣溫度的影響摻燒高爐煤氣時，由于高爐煤氣的低位發(fā)熱量很低（3066k/m3），而煙煤的低位發(fā)熱量一般約為20000~30000k/kg，混合燃料的理論燃燒溫度必定下降，如下所示，兩種煤的理論燃燒溫度都隨高爐煤氣摻燒比例呈雙曲線下降，由于煤種1的低位發(fā)熱量高于煤種2的低位發(fā)熱量，所以煤種1所對應(yīng)的理論燃燒溫度高于煤種2.當(dāng)燃燒煤種2，高爐煤氣摻燒比例達到20 %時，理論燃燒溫度為1752°C.這樣的溫度水平對煤粉顆粒著火和燃盡尚不成問題，而且理論燃燒溫度的降低對減少NOx的生成很有意義。但是，理論燃燒溫度降低會使?fàn)t內(nèi)平均溫度水平下降，降低爐膛的輻射換熱量。由計算結(jié)果可知，當(dāng)燃燒煤種1，高爐煤氣摻燒比例為20 %時，理論燃燒溫度相比于純煤燃燒工況降低220C，爐膛輻射傳熱量降低12.22%；當(dāng)燃燒煤種2，高爐煤氣摻燒比例為20 %時，爐膛輻射傳熱量降低11.50%.如上所示，在高爐煤氣摻燒比例（0 %25%）范圍內(nèi)，爐膛出口煙氣溫度變化不大，當(dāng)燃燒煤種1，高爐煤氣摻燒比例為20 %時，爐膛出口煙溫為1061C，相比于純燒煤燃燒工況溫度變化不大，其原因在于隨著高爐煤氣摻燒比例的增加，雖然理論燃燒溫度降低了，但送入鍋爐的不具備輻射能力的等惰性氣體增多，這些惰性氣體在燃燒室中會吸收大量的燃燒生成熱，降低了爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物的溫度水平，使?fàn)t內(nèi)輻射換熱量減少；另外，隨著高爐煤氣摻燒比例的增大，火焰中心位置上移，煙氣在爐內(nèi)的停留時間縮短，也會減少爐內(nèi)輻射傳熱量，理論燃燒溫度降低所損失的熱量與爐膛輻射熱量的減少相平衡，所以對爐膛出口煙溫影響不大。在中，還可以發(fā)現(xiàn)燃燒煤種2所對應(yīng)的爐膛出口煙溫高于燃燒煤種1，這是因為相比于煤種1，燃燒煤種2時所生成的煙氣中具有輻射能力的CO，札O等氣體減少了，所以爐內(nèi)輻射熱量減少，導(dǎo)致煤種2的爐膛出口煙溫反而高于煤種1. 3.2對煙氣流量及飛灰濃度的影響所示為煙氣流量隨著高爐煤氣摻燒比例的變化，以不摻燒高爐煤氣為基準(zhǔn)，隨著摻燒比例的增加，煙氣流量呈增大趨勢。當(dāng)燃燒煤種1，高爐煤氣摻燒比例達為20%時，所產(chǎn)生的煙氣流量為306. 8m3/s，增加了38.1m3；當(dāng)燃燒煤種2，高爐煤氣摻燒比例達為20%時，所產(chǎn)生的煙氣流量為318.2m3/s，增加了流量的升高會增加排煙熱損失，影響排煙熱損失的因素主要是煙道尾部的排煙溫度和排煙流量。

　　高爐煤氣中幾乎不含灰塵，所以隨著高爐煤氣摻燒比例的增大，煙氣飛灰濃度成下降趨勢，由圖所示，當(dāng)燃燒煤種1，高爐煤氣摻燒比例為20%時，飛灰濃度為0.00648kg/kg，相比于純摻燒比例/%煙氣流量及飛灰濃度隨高爐煤氣摻燒比例的變化摻燒比例/%一煤種1一煤種2排煙溫度增量及鍋爐效率隨高爐煤氣摻燒比例的變化煤燃燒工況減少0.00277kg，可見摻燒比例的變化對飛灰濃度的影響不大，所以在0%~25%的摻燒比例范圍內(nèi)，高爐煤氣對煤粉燃盡性的影響不大，所以在鍋爐熱效率計算中，把固體未完全燃燒熱損失定為恒值1 %.當(dāng)燃燒煤種2時，由于飛灰濃度較高，所以把固體未完全燃燒損失<4定位恒值1.42%. 3.3對排煙溫度和鍋爐效率的影響當(dāng)不摻燒高爐煤氣時，燃燒煤種1所對應(yīng)的排煙溫度為122°C；燃燒煤種2所對應(yīng)的排煙溫度為127°C.隨著高爐煤氣摻燒比例的增加，鍋爐排煙溫度及排煙損失呈上升趨勢。如所示，當(dāng)燃燒煤種1，高爐煤氣摻燒比例為20%時，排煙溫度升高38°C；其原因在于隨著摻燒比例的增加爐膛出口煙氣流量增大，雖然煙道內(nèi)對流傳熱量也增大，但煙氣量增加所產(chǎn)生的熱量超過所增加的對流傳熱量，導(dǎo)致排煙溫度隨著高爐煤氣摻燒比例呈指數(shù)形式上升。當(dāng)燃燒煤種2，高爐煤氣摻燒比例為20 %時，排煙溫度上升45C.在鍋爐運行中，排煙溫度過高是對高爐煤氣摻燒比例的一個關(guān)鍵限制因素，所以在摻燒高爐煤氣時，建議使用低灰分、高熱值的煤種。

　　由尾部煙氣co濃度含量隨高爐煤氣摻燒比例變化的數(shù)據(jù)得出煙氣中可燃氣體含量隨摻燒比例的變化不大，所以在鍋爐熱效率計算中氣體未完全燃燒損失q3恒定為。

　　如所示，鍋爐效率隨著高爐煤氣摻燒比例的增加而降低，當(dāng)燃燒煤種1，摻燒比例為20%時，鍋爐效率為90. 42%，相比純煤燃燒工況鍋爐效率下降2.76%；當(dāng)燃燒煤種2，摻燒比例為20%時，效率為87.98%，相比純煤燃燒工況鍋爐效率下降3. 4結(jié)論由于高爐煤氣是一種低熱值的氣體燃料，摻燒高爐煤氣后會使?fàn)t膛輻射吸熱量減少，當(dāng)燃燒煤種1，摻燒比例為20 %時，爐膛輻射吸熱量減少約12.22%；當(dāng)燃燒煤種2，高爐煤氣摻燒比例為20%時，爐膛輻射傳熱量降低11.50%.摻燒高爐煤氣時對爐膛出口煙溫的影響不大。

　　摻燒高爐煤氣后煙氣流量增大，鍋爐煙道對流傳熱增強，但煙氣量增加所產(chǎn)生的熱量超過所增加的對流傳熱量，所以排煙溫度隨著摻燒比例呈指數(shù)形式上升。當(dāng)燃燒煤種1，高爐煤氣摻燒比例為20 %時，排煙溫度升高38°C；當(dāng)燃燒煤種2，高爐煤氣摻燒比例為20 %時，排煙溫度上升45C.在鍋爐運行中，排煙溫度過高是限制高爐煤氣摻燒比例的一個關(guān)鍵因素，所以在摻燒高爐煤氣時，建議使用低灰分、高熱值的煙煤。

　　過量空氣系數(shù)a恒定為1.2的情況下，隨著高爐煤氣摻燒比例的增大，鍋爐效率下降，摻燒比越大下降效果越明顯，當(dāng)燃燒煤種1，摻燒比例為20%時，鍋爐效率為90.42%，相比純煤燃燒工況鍋爐效率下降2. 76%；當(dāng)燃燒煤種2，摻燒比例為20%時，效率為87.98%，相比純煤燃燒工況鍋爐效率下降3.49%.