掺烧高炉煤气对锅炉传热特性影响的研究

掺烧高炉煤气对锅炉传热特性影响的研究

　在钢铁企业的生产过程中，会产生大量的高炉煤气等二次能源。如果能充分利用这类二次能源，将产生可观的经济效益。但高炉煤气热值很低，一般在3350k/m3左右，组成成分只有约20%的〔0及少量碳氢化合物，其余均为不可燃物质，难以得到充分利用。国外关于高炉煤气利用的工作开始较早，二十世纪七十年代就开始利用高炉煤气作为动力燃料使用，利用主要集中在两个方面：一是高炉煤气和天然气等高热值燃气混合制成混合煤气，提高煤气的热值，建造气柜调节煤气供应峰值，实现燃气锅炉的稳定、高效燃烧；二是通过高炉煤气燃气轮机联合循环来提高高炉煤气的热效率。我国对高炉煤气的回收利用起步比较晚，直至1995年国内的18个重点钢铁企业高炉煤气的平均放散率依然在12%左右。现阶段我国关于高炉煤气利用的主要方式：一是高炉煤气与煤粉混烧发电供热；二是使用高炉煤气燃气轮机联合循环发电。从能源利用角度出发，高炉煤气燃气轮机联合循环发电应该是利用高炉煤气的发展方向所在，但燃气轮机联合循环发电初始投资非常大，就目前而言，高炉煤气与煤粉混烧发电还是高炉煤气高效利用的的主要发展方向，目前国内在役混烧锅炉的总容量在8 000MW左右，潜在容量可达到15本文以京唐首钢300MW燃煤锅炉为研究对象，通过对不同灰分的烟煤在不同高炉煤气掺烧比例工况下的热力计算，得出高炉煤气掺烧比例对理论燃烧温度、炉膛出口烟气温度、飞灰浓度、锅炉效率、排烟温度、炉膛辐射换热和对流换热等方面的影响。计算结果可为掺烧高炉煤气的燃煤锅炉运行提供。

　　1研究对象该电厂锅炉采用了单汽包自然循环、四角布置的切向摆动式燃烧器、三级喷水减温系统、固态排渣；炉膛采用膜式水冷壁，炉后尾部布置两台三分仓容克式空气预热器，还设有针对掺烧高炉煤气的保护装置。设计燃料为烟煤，采用中速磨正压直吹式制粉系统，同时具有掺烧（0%~30%）高炉煤气的能力。锅炉的技术参数见表1，煤种和高炉煤气成分见表2.在热力计算中热量掺烧比例分别定为0 %，3%，7%，10%，13%，15%，18%，20%，25%.为了方便对计算结果进行分析，在热力计算中过量空气系数a恒定为1.表1锅炉的主要技术参数过热蒸汽流量/t/h过热蒸汽出口蒸汽压力/MPa.g过热蒸汽出口蒸汽温度/再热蒸汽流量/t/h再热蒸汽进/出口压力/MPa.g再热蒸汽进/出口汽温/省煤器给水温度/T省煤器给水压力/MPa.g冷风温度/热风温度/表2煤种和高炉煤气成分项目煤种一煤种二高炉煤气成分/ 2混合燃料计算方法根据不同燃料的计算方法，得出一些常用的混合燃料计算方法。

　　2.1固体燃料混烧固体燃料混烧最常见，其成分通常是按照煤种份额给的质量或重量出。因此，混煤的元素成分比较容易处理，其发热量亦可按质量份额计算。对1kg混合煤种有：2.2气体燃料混烧对气体燃料混烧来说，常给出各燃料的热量份额，即每种燃料所占锅炉的负荷百分比，故不能直接用来计算，需要把热量份额转换为体积份额来计算。对于1m3燃料混烧来说有：；为燃料的热量份额；Qnet，ar、Qnet，ar，为混合燃料、单一燃料的低位发热量k 2.3固体（液体）、气体燃料混烧对于固体（液体）和气体燃料混烧来说，燃烧不是按每千克混合燃料计算，而是按1kg固体（液体）燃料进行计算，同时将气体燃料附加计算到1kg固体（液体）燃料上面去。其计算方法如下：理论燃烧温度及炉膛出口烟温随高炉煤气掺烧比例的变化；Q、Q1、Q2为混合燃料、固体（液体）燃料、气体燃料的低位发热量kkg1；X为1kg固体（液体）燃料的附加气体燃料量m3；3计算结果3.1对炉膛辐射换热及炉膛出口烟气温度的影响掺烧高炉煤气时，由于高炉煤气的低位发热量很低（3066k/m3），而烟煤的低位发热量一般约为20000~30000k/kg，混合燃料的理论燃烧温度必定下降，如下所示，两种煤的理论燃烧温度都随高炉煤气掺烧比例呈双曲线下降，由于煤种1的低位发热量高于煤种2的低位发热量，所以煤种1所对应的理论燃烧温度高于煤种2.当燃烧煤种2，高炉煤气掺烧比例达到20 %时，理论燃烧温度为1752°C.这样的温度水平对煤粉颗粒着火和燃尽尚不成问题，而且理论燃烧温度的降低对减少NOx的生成很有意义。但是，理论燃烧温度降低会使炉内平均温度水平下降，降低炉膛的辐射换热量。由计算结果可知，当燃烧煤种1，高炉煤气掺烧比例为20 %时，理论燃烧温度相比于纯煤燃烧工况降低220C，炉膛辐射传热量降低12.22%；当燃烧煤种2，高炉煤气掺烧比例为20 %时，炉膛辐射传热量降低11.50%.如上所示，在高炉煤气掺烧比例（0 %25%）范围内，炉膛出口烟气温度变化不大，当燃烧煤种1，高炉煤气掺烧比例为20 %时，炉膛出口烟温为1061C，相比于纯烧煤燃烧工况温度变化不大，其原因在于随着高炉煤气掺烧比例的增加，虽然理论燃烧温度降低了，但送入锅炉的不具备辐射能力的等惰性气体增多，这些惰性气体在燃烧室中会吸收大量的燃烧生成热，降低了炉内燃烧产物的温度水平，使炉内辐射换热量减少；另外，随着高炉煤气掺烧比例的增大，火焰中心位置上移，烟气在炉内的停留时间缩短，也会减少炉内辐射传热量，理论燃烧温度降低所损失的热量与炉膛辐射热量的减少相平衡，所以对炉膛出口烟温影响不大。在中，还可以发现燃烧煤种2所对应的炉膛出口烟温高于燃烧煤种1，这是因为相比于煤种1，燃烧煤种2时所生成的烟气中具有辐射能力的CO，札O等气体减少了，所以炉内辐射热量减少，导致煤种2的炉膛出口烟温反而高于煤种1. 3.2对烟气流量及飞灰浓度的影响所示为烟气流量随着高炉煤气掺烧比例的变化，以不掺烧高炉煤气为基准，随着掺烧比例的增加，烟气流量呈增大趋势。当燃烧煤种1，高炉煤气掺烧比例达为20%时，所产生的烟气流量为306. 8m3/s，增加了38.1m3；当燃烧煤种2，高炉煤气掺烧比例达为20%时，所产生的烟气流量为318.2m3/s，增加了流量的升高会增加排烟热损失，影响排烟热损失的因素主要是烟道尾部的排烟温度和排烟流量。

　　高炉煤气中几乎不含灰尘，所以随着高炉煤气掺烧比例的增大，烟气飞灰浓度成下降趋势，由图所示，当燃烧煤种1，高炉煤气掺烧比例为20%时，飞灰浓度为0.00648kg/kg，相比于纯掺烧比例/%烟气流量及飞灰浓度随高炉煤气掺烧比例的变化掺烧比例/%一煤种1一煤种2排烟温度增量及锅炉效率随高炉煤气掺烧比例的变化煤燃烧工况减少0.00277kg，可见掺烧比例的变化对飞灰浓度的影响不大，所以在0%~25%的掺烧比例范围内，高炉煤气对煤粉燃尽性的影响不大，所以在锅炉热效率计算中，把固体未完全燃烧热损失定为恒值1 %.当燃烧煤种2时，由于飞灰浓度较高，所以把固体未完全燃烧损失<4定位恒值1.42%. 3.3对排烟温度和锅炉效率的影响当不掺烧高炉煤气时，燃烧煤种1所对应的排烟温度为122°C；燃烧煤种2所对应的排烟温度为127°C.随着高炉煤气掺烧比例的增加，锅炉排烟温度及排烟损失呈上升趋势。如所示，当燃烧煤种1，高炉煤气掺烧比例为20%时，排烟温度升高38°C；其原因在于随着掺烧比例的增加炉膛出口烟气流量增大，虽然烟道内对流传热量也增大，但烟气量增加所产生的热量超过所增加的对流传热量，导致排烟温度随着高炉煤气掺烧比例呈指数形式上升。当燃烧煤种2，高炉煤气掺烧比例为20 %时，排烟温度上升45C.在锅炉运行中，排烟温度过高是对高炉煤气掺烧比例的一个关键限制因素，所以在掺烧高炉煤气时，建议使用低灰分、高热值的煤种。

　　由尾部烟气co浓度含量随高炉煤气掺烧比例变化的数据得出烟气中可燃气体含量随掺烧比例的变化不大，所以在锅炉热效率计算中气体未完全燃烧损失q3恒定为。

　　如所示，锅炉效率随着高炉煤气掺烧比例的增加而降低，当燃烧煤种1，掺烧比例为20%时，锅炉效率为90. 42%，相比纯煤燃烧工况锅炉效率下降2.76%；当燃烧煤种2，掺烧比例为20%时，效率为87.98%，相比纯煤燃烧工况锅炉效率下降3. 4结论由于高炉煤气是一种低热值的气体燃料，掺烧高炉煤气后会使炉膛辐射吸热量减少，当燃烧煤种1，掺烧比例为20 %时，炉膛辐射吸热量减少约12.22%；当燃烧煤种2，高炉煤气掺烧比例为20%时，炉膛辐射传热量降低11.50%.掺烧高炉煤气时对炉膛出口烟温的影响不大。

　　掺烧高炉煤气后烟气流量增大，锅炉烟道对流传热增强，但烟气量增加所产生的热量超过所增加的对流传热量，所以排烟温度随着掺烧比例呈指数形式上升。当燃烧煤种1，高炉煤气掺烧比例为20 %时，排烟温度升高38°C；当燃烧煤种2，高炉煤气掺烧比例为20 %时，排烟温度上升45C.在锅炉运行中，排烟温度过高是限制高炉煤气掺烧比例的一个关键因素，所以在掺烧高炉煤气时，建议使用低灰分、高热值的烟煤。

　　过量空气系数a恒定为1.2的情况下，随着高炉煤气掺烧比例的增大，锅炉效率下降，掺烧比越大下降效果越明显，当燃烧煤种1，掺烧比例为20%时，锅炉效率为90.42%，相比纯煤燃烧工况锅炉效率下降2. 76%；当燃烧煤种2，掺烧比例为20%时，效率为87.98%，相比纯煤燃烧工况锅炉效率下降3.49%.