貧煤與煤氣混燒鍋爐摻燒試驗(yàn)

易正明 胡緒滿 周正 陶倩 肖慧 姜志偉

摘?要：為了研究摻燒對鍋爐排煙溫度、過熱蒸汽溫度、飛灰和灰渣含碳量以及鍋爐熱效率的影響，并提出相應(yīng)的運(yùn)行優(yōu)化方式，對某鋼廠75t/h混燒鍋爐分別進(jìn)行了焦?fàn)t煤氣與煤粉混燒、全燃高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣以及高、焦?fàn)t煤氣和煤粉混燒的燃燒試驗(yàn)。結(jié)果表明：鍋爐混燒焦?fàn)t煤氣與煤粉時(shí)，鍋爐熱效率能夠達(dá)到82.7%，但不利于企業(yè)煤氣平衡;鍋爐全燃高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣時(shí)，鍋爐熱效率能夠達(dá)到85.2%，但只能維持較低負(fù)荷運(yùn)行;在燃用實(shí)際貧煤條件下，鍋爐混燒高、焦?fàn)t煤氣與煤粉，當(dāng)三者熱值比分別為35%、35%與30%時(shí)，排煙溫度、飛灰含碳量和灰渣含碳量較改造前分別下降了4.5℃、1.06%和1.09%，熱效率為77.21%，優(yōu)化后較優(yōu)化前減少燃料消耗與節(jié)煤率分別為226.1kg/h和3.3%。

關(guān)鍵詞：混燒鍋爐;摻燒;貧煤;燃燒優(yōu)化;鍋爐熱效率

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.016

中圖分類號：?TK229.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：?A

文章編號：?1007-2683（2020）03-0102-07

Abstract：In?order?to?study?the?effects?of?blending?ratio?on?exhaust?temperature，?superheated?steam?temperature，?carbon?content?in?fly?ash?and?slag，?and?boiler?thermal?efficiency，?and?put?forward?the?corresponding?operation?optimization?method，?mixed?combustion?experiments?of?COG?（coke?oven?gas）?with?coal，?BFG?（blast?furnace?gas）?with?COG，?and?coal，?BFG?with?COG?were?performed?in?a?75t/h?combined?combustion?boiler，?respectively.?The?results?show?that?the?boiler?thermal?efficiency?can?reach?82.7%?under?the?condition?of?mixed?combustion?of?COG?and?coal，?but?the?operating?mode?is?not?economical?for?the?gas?balance?of?plant.?When?burning?BFG?and?COG?in?the?boiler，?the?boiler?thermal?efficiency?can?reach?85.2%?but?low?loading?operation.?After?the?mode?of?35%?BFG?heat?value，?35%?COG?heat?value?and?30%?lean?coal?heat?value?is?applied?in?the?boiler，?the?exhaust?temperature，?carbon?content?in?fly?ash?and?slag?decreases?by?4.5℃，?1.06%?and?1.09%，?respectively.?The?boiler?thermal?efficiency?is?77.21%.?Moreover，?the?fuel?consumption?reduces?by?226.1kg/h?and?the?coal?saving?ratio?is?3.3%.

Keywords：combined?combustion?boiler;mixed?combustion;lean?coal;combustion?optimization;boiler?thermal?efficiency

0?前?言

鋼鐵行業(yè)副產(chǎn)煤氣（高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣等）占其總能耗量的25%，其中高爐煤氣產(chǎn)量最大，煤氣混燒鍋爐是企業(yè)利用高爐煤氣的主要途徑之一。此外，隨著國家對燃煤電廠更嚴(yán)格的排放要求，煤氣混燒鍋爐較燃煤鍋爐污染物排放相對較少，目前已得到廣泛應(yīng)用。但受煤炭供應(yīng)的影響，電廠實(shí)際燃煤與設(shè)計(jì)煤粉相差較大，貧煤與煤氣混燒時(shí)鍋爐燃燒穩(wěn)定性差，著火和燃盡困難，也會影響制粉系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)大量摻燒高爐煤氣會造成排煙熱損失大、飛灰含碳量高和鍋爐熱效率低等問題[1-2]。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對混燒鍋爐進(jìn)行了數(shù)值模擬和燃燒調(diào)整研究。文[3-10]對鍋爐混煤、煤粉與高爐煤氣、煤粉與生物質(zhì)、煤粉與污泥摻燒以及鍋爐余熱回收各過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，文[11-12]介紹了煤氣混燒鍋爐的燃燒特性和NOX排放，得到了一些重要結(jié)論。張成等[13]對某100MW燃煤鍋爐進(jìn)行摻燒污泥試驗(yàn)，指出在污泥摻燒比大于20%時(shí)，鍋爐燃燒特性變差，NOX排放明顯增加。高繼錄等[14]對某電廠1000MW機(jī)組神華煤摻燒霍林河褐煤進(jìn)行試驗(yàn)，得出最佳褐煤摻燒比為30%，并且可通過燃燒調(diào)整解決摻燒褐煤引起的爐膛結(jié)焦。王爽心等[15]基于直接能量平衡思想，提出一種間接能量平衡法，構(gòu)造并預(yù)測整定出反映變負(fù)荷工況的導(dǎo)前汽溫設(shè)定值，把原串級控制系統(tǒng)中副控制器的隨動控制功能改變?yōu)槎ㄖ悼刂?，從而達(dá)到間接控制鍋爐主汽溫和再熱汽溫的目的。榮盤祥等[16]針對電廠鍋爐傳統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制效果不良，結(jié)合410t/h鍋爐的特性，提出針對磨煤機(jī)運(yùn)行方式優(yōu)選排序和送風(fēng)回路模糊比例-積分-微分的智能控制策略，提高鍋爐系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。毛曉飛等[17]對江西新昌電廠鍋爐進(jìn)行7種混煤摻燒試驗(yàn)，證明合理的摻燒比例可以提高機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。郭勇，呂洪坤等[18-19]對燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)和數(shù)值模擬，表明生物質(zhì)與煤粉相差較大，燃煤鍋爐需進(jìn)行改造以適應(yīng)生物質(zhì)燃燒。但對小容量中壓蒸汽鍋爐試驗(yàn)調(diào)整涉及較少，筆者對某75t/h煤氣混燒鍋爐在燃用貧煤條件下，進(jìn)行了高、焦?fàn)t煤氣與煤粉摻燒試驗(yàn)，對比分析摻燒對排煙溫度、飛灰濃度和鍋爐熱效率等參數(shù)的影響，在確保鍋爐熱效率前提下，提高高爐煤氣摻燒比例，提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性，以期為該類型鍋爐現(xiàn)場摻燒提供參考。

1?研究對象

該鍋爐為某75t/h煤氣混燒鍋爐，型號為B&WB-75/3.82-MQ，“π”型爐膛，爐膛縱深5450×5450mm，高18050mm，燃燒器采用四角切圓設(shè)計(jì)，分別布置在爐膛四角，反向切圓直徑為550mm，鍋爐設(shè)計(jì)全燃煤粉，兼具摻燒30%高爐煤氣的能力，爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒器布置如圖1所示。

鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，由于高爐煤氣量常有富余，混燒鍋爐運(yùn)行時(shí)高爐煤氣摻燒比遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)參數(shù)，甚至出現(xiàn)混燒鍋爐全燃高爐煤氣的工況。受鍋爐爐型及爐膛結(jié)構(gòu)的影響，混燒鍋爐大比例摻燒高爐煤氣時(shí)，往往達(dá)不到經(jīng)濟(jì)負(fù)荷，排煙熱損失大，飛灰可燃物含量偏高，排粉風(fēng)機(jī)磨損嚴(yán)重，鍋爐熱效率偏低。因此，通過高、焦?fàn)t煤氣和煤粉混燒的燃燒試驗(yàn)，分析摻燒對排煙溫度、飛灰濃度和鍋爐熱效率等參數(shù)的影響，從而為鍋爐燃燒調(diào)整及運(yùn)行優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2?測試內(nèi)容與方法

2.1?測試工況

表1～3中工況A01～A05為焦?fàn)t煤氣與貧煤摻燒工況，工況A06～A10為焦?fàn)t煤氣與高爐煤氣摻燒工況，工況A11～A15為高、焦?fàn)t煤氣與煤粉混燒工況，具體參數(shù)詳見表1～3。

2.2?燃料特性分析

試驗(yàn)燃煤和設(shè)計(jì)煤質(zhì)元素分析、工業(yè)分析和低位發(fā)熱值見表4。可以看出，鍋爐實(shí)際燃煤與設(shè)計(jì)煤質(zhì)偏差較大，其揮發(fā)分遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)煤質(zhì)，灰分含量高，但水分低于設(shè)計(jì)煤，屬于低熱值劣質(zhì)煤，與高爐煤氣混燒時(shí)，不易維持爐膛燃燒的穩(wěn)定，煤粉著火與燃盡困難，運(yùn)行時(shí)需合理控制高爐煤氣摻燒量，以保證燃料在爐內(nèi)的高效及穩(wěn)定燃燒。表5為實(shí)際高爐煤氣（BFG）和焦?fàn)t煤氣（COG）成分分析?？梢钥闯觯郀t煤氣主要可燃成分CO只有24%，不可燃成分CO2和N2超過70%，熱值低，而焦?fàn)t煤氣可燃成分多，屬于高熱值煤氣。

2.3?試驗(yàn)方法

燃燒調(diào)整試驗(yàn)主要為了測試不同摻燒方案下鍋爐過熱蒸汽溫度、排煙溫度和飛灰含碳量等參數(shù)。試驗(yàn)過程中，通過電廠DCS控制系統(tǒng)采集鍋爐過熱蒸汽溫度等主要運(yùn)行參數(shù)，通過多次采樣化驗(yàn)得到煤粉、灰渣和飛灰成分，通過MRU牌VARIO?PLUS氣體分析儀和NOVA?PLUS煙氣分析儀分別獲取高、焦?fàn)t煤氣成分和煙氣成分等參數(shù)，鍋爐熱效率采用反平衡計(jì)算。

3?試驗(yàn)調(diào)整結(jié)果及分析

3.1?焦?fàn)t煤氣與煤粉混燒特性分析

焦?fàn)t煤氣與實(shí)際貧煤摻燒工況A01～A05實(shí)測參數(shù)結(jié)果見圖2、圖3，可以看出，鍋爐焦?fàn)t煤氣熱值比為15%時(shí)，過熱蒸汽溫度、排煙溫度和飛灰含碳量分別為436.9℃、143.5℃和7.3%，而摻燒20%時(shí)分別降至434.3℃、140.9℃和6.5%，而后隨著焦?fàn)t煤氣摻燒量繼續(xù)增加，三者下降幅度均逐漸減弱。由于焦?fàn)t煤氣熱值比貧煤高，隨著焦?fàn)t煤氣摻燒比的增加，爐內(nèi)溫度水平升高，火焰中心降低，水冷壁輻射換熱量增大，過熱器對流換熱量減少，過熱蒸汽溫度降低。焦?fàn)t煤氣摻燒使得混合燃料煙氣量減少，煤粉停留時(shí)間延長，同時(shí)，高溫的煤氣在煤粉燃盡區(qū)附近，有利于煤粉的燃盡，飛灰含碳量降低?？傊?，焦?fàn)t煤氣摻燒有利于減少鍋爐排煙熱損失與機(jī)械未完全燃燒熱損失，從而熱效率提高。焦?fàn)t煤氣摻燒熱值比為15%時(shí)，鍋爐熱效率僅為78.5%，隨著焦?fàn)t煤氣摻燒熱值比的增加，鍋爐熱效率逐漸提高，當(dāng)焦?fàn)t煤氣摻燒熱值比升至30%時(shí)，鍋爐熱效率達(dá)到82.4%，熱效率上升較明顯，而隨著焦?fàn)t煤氣摻燒的增加，當(dāng)焦?fàn)t煤氣摻燒熱值比為35%時(shí)，鍋爐熱效率為82.7%，提升不明顯，焦?fàn)t煤氣摻燒經(jīng)濟(jì)性降低。

3.2?全燃高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣燃燒特性分析

焦?fàn)t煤氣與高爐混燒工況A06～A10實(shí)測參數(shù)結(jié)果見圖4?？梢钥闯觯?fàn)t煤氣、高爐煤氣混燒相對焦?fàn)t煤氣、實(shí)際貧煤摻燒，過熱蒸汽溫度和排煙溫度整體較高。焦?fàn)t煤氣熱值比為20%時(shí)，過熱蒸汽溫度為451.9℃，超過設(shè)計(jì)值450℃，排煙溫度高達(dá)184.7℃，而隨著焦?fàn)t煤氣熱值比的提高，過熱蒸汽溫度、排煙溫度逐漸下降，焦?fàn)t煤氣熱值比為35%時(shí)，過熱蒸汽溫度為441.6℃，過熱蒸汽溫度比焦?fàn)t煤氣熱值比為20%時(shí)下降了10.3℃，過熱蒸汽溫度下降明顯，而排煙溫度為181.3℃，降低較少。隨著焦?fàn)t煤氣的進(jìn)一步增加，過熱蒸汽溫度、排煙溫度下降幅度逐漸變小，焦?fàn)t煤氣對過熱蒸汽溫度、排煙溫度的影響逐漸減弱，焦?fàn)t煤氣熱值比為40%時(shí)，過熱蒸汽溫度、排煙溫度分別為439.7℃、180.7℃。

混燒鍋爐全燃高、焦?fàn)t煤氣時(shí)，沒有固體未完全燃燒熱損失，鍋爐熱效率較高，并且隨著焦?fàn)t煤氣摻燒的增加，排煙溫度下降，排煙熱損失減少，鍋爐熱效率提高。焦?fàn)t煤氣熱值比為20%時(shí)，鍋爐熱效率為80.4%，隨著焦?fàn)t煤氣摻燒的增加，鍋爐熱效率逐漸上升，焦?fàn)t煤氣熱值比為40%時(shí)，鍋爐熱效率達(dá)到85.2%。但煤氣混燒鍋爐相比全燃煤氣鍋爐縮腰式的爐膛結(jié)構(gòu)或帶有穩(wěn)燃柱的爐膛結(jié)構(gòu)，雖然鍋爐整體熱效率較高，但只能維持較低負(fù)荷運(yùn)行，鍋爐帶負(fù)荷能力下降，鍋爐燃燒穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性降低。

3.3?高、焦?fàn)t煤氣和煤粉混合摻燒特性分析

高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣與煤粉混燒工況A11～A15（A11為鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況，A12～A15為優(yōu)化工況）實(shí)測參數(shù)結(jié)果見圖5、圖6?？梢钥闯?，高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣與煤粉混燒工況的過熱器溫度介于焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣混燒與焦?fàn)t煤氣、實(shí)際貧煤摻燒之間。工況A14與工況A15的高爐煤氣摻燒量較高，煙氣量增加，爐膛火焰中心上移，排煙溫度上升，煙道內(nèi)對流換熱量增加，導(dǎo)致過熱蒸汽溫度上升;過熱蒸汽溫度相對較高，分別為444.6℃與445.1℃;A11、A12以及A13工況焦?fàn)t煤氣摻燒量較高，煙氣量減少，爐膛火焰中心較低，爐膛出口溫度下降，煙道內(nèi)對流換熱量減少，過熱蒸汽溫度相對較低，特別是工況A13，同時(shí)減少了高爐煤氣摻燒量，過熱蒸汽溫度最低，為437.6℃。

高爐煤氣生成煙氣量較多，煤粉在爐膛停留時(shí)間較短，火焰中心上移，導(dǎo)致排煙溫度上升，不利于煤粉的著火與燃盡。而焦?fàn)t煤氣摻燒時(shí)由于煙氣量減少，導(dǎo)致爐膛火焰中心下降，爐膛輻射吸熱量增加，煤粉停留時(shí)間增加，爐膛出口溫度相對較低，從而一定程度上降低了排煙溫度，有利于煤粉的著火與燃盡[20]。工況A15高爐煤氣摻燒量最大，排煙溫度最高，為179.3℃，工況A14次之，為177.5℃，而工況A13由于高爐煤氣摻燒相對較少，同時(shí)還摻燒了較多的焦?fàn)t煤氣，因而煙氣量減少，排煙溫度最低，為171.9℃。工況A11、工況A12以及工況A13由于焦?fàn)t煤氣摻燒熱值比相對較高，煤粉在爐內(nèi)燃燒相對比較充分，飛灰含碳量分別為13.67%、13.16%與12.61%，而工況A14與工況A15高爐煤氣摻燒熱值比較高，飛灰含碳量分別為21.3%與24.5%，煤粉在爐內(nèi)燃燒困難，燃燒不充分。

高爐煤氣摻燒時(shí)，排煙溫度上升，飛灰可燃物含量增加，導(dǎo)致鍋爐排煙熱損失以及機(jī)械未完全燃燒熱損失增加，鍋爐熱效率下降，而摻燒焦?fàn)t煤氣時(shí)正好相反。工況A13鍋爐排煙溫度和飛灰含碳量均最低，鍋爐熱效率最高，為77.21%;而焦?fàn)t煤氣摻燒量少、高爐煤氣摻燒高的工況A14、A15，鍋爐整體熱效率僅為68.57%、65.74%，鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。工況A13排煙溫度、飛灰含碳量與鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況A11比較分別下降了4.5℃以及1.06%，熱效率提高2.55%，通過調(diào)整焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣摻燒比例，可以改善煤粉燃燒，優(yōu)化鍋爐運(yùn)行狀況。

3.4?優(yōu)化前后燃料消耗與節(jié)煤率

鍋爐運(yùn)行優(yōu)化前實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和優(yōu)化后運(yùn)行參數(shù)分別見圖5、6的A11和A13，優(yōu)化前后飛灰和灰渣成分見表6。優(yōu)化后工況排煙溫度、飛灰含碳量和灰渣含碳量分別由實(shí)際運(yùn)行工況176.4℃、13.67%和6.3%，分別降至171.9℃、12.61%和5.21%，熱效率由優(yōu)化前74.66%升高至77.21%，鍋爐熱效率提高2.55%。鍋爐運(yùn)行負(fù)荷按52t/h，鍋爐運(yùn)行優(yōu)化前后燃料消耗折合為標(biāo)準(zhǔn)煤耗，減少燃料消耗量與節(jié)煤率分別為226.1kg/h和3.3%，按年運(yùn)行8000h計(jì)算，年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1810t，相應(yīng)可減少生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2及NOX、SO2等污染物，有利于企業(yè)的節(jié)能減排。

4?結(jié)語

對一臺75t/h煤氣混燒鍋爐在燃用實(shí)際貧煤條件下，分別進(jìn)行了焦?fàn)t煤氣與煤粉摻燒、混燒全燃高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣以及高、焦?fàn)t煤氣與煤粉的摻燒試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論。

1）燃用實(shí)際貧煤條件下，焦?fàn)t煤氣與煤粉摻燒，有利于煤粉的燃盡與降低排煙溫度，鍋爐熱效率提高，但焦?fàn)t煤氣摻燒比大于30%時(shí)，鍋爐熱效率提升不明顯，同時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)中，高爐煤氣大量剩余，而焦?fàn)t煤氣不足，混燒鍋爐大量摻燒焦?fàn)t煤氣不利于企業(yè)利用低熱值煤氣。

2）混燒鍋爐全燃高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣時(shí)，熱效率較高，隨著焦?fàn)t煤氣摻燒的增加，鍋爐熱效率逐漸上升，焦?fàn)t煤氣熱值比為40%時(shí)，鍋爐熱效率達(dá)到85.2%。但由于爐膛結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)的差異，雖然鍋爐整體熱效率較高，但只能低負(fù)荷運(yùn)行。

3）高、焦?fàn)t煤氣與煤粉熱值比分別為35%、35%與30%時(shí)，鍋爐整體熱效率77.21%，較優(yōu)化前（高、焦?fàn)t煤氣與煤粉熱值比分別為35%、45%與20%時(shí)）的74.66%，升高了2.55%。鍋爐運(yùn)行優(yōu)化前后減少燃料消耗量與節(jié)煤率分別為226.1kg/h和3.3%。

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（編輯：溫澤宇）