300MW高爐煤氣與煤粉混燃鍋爐熱力特性及經濟性分析

王春波，魏建國，黃江城

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定071003；2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013）

高爐煤氣是鋼鐵工業的副產煤氣，產量巨大，但 是由于高爐煤氣中可燃成分少、熱值低，其有效利用一直存在問題.高爐煤氣和煤粉在爐內摻燒是一種有效利用的途徑［1-3］，但高爐煤氣與煤粉混燃與純煤粉燃燒存在很大差異，如煙氣生成量、輻射和對流傳熱特性不同等［4-5］.筆者對某鋼廠300 MW 機組高爐煤氣與煤粉混燃鍋爐進行熱力計算，研究其受熱面的傳熱特性，為鍋爐運行提供指導，并對該鍋爐機組進行經濟性分析，探討摻燒高爐煤氣的最佳經濟效益.

1 研究對象

該鍋爐為亞臨界參數、一次中間再熱、自然循環汽包爐，采用四角切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、露天布置和全鋼構架.鍋爐深12.468 m，寬14.048m，高58.9m.設計燃料為煙煤，具有同時摻燒0%～30%（熱量百分比，設計摻燒比例為20%）高爐煤氣及0～35 000m3／h焦爐煤氣的能力.當該機組電負荷為320 MW（BMCR 工況）時，鍋爐的最大連續蒸發量為1 025t／h；機組電負荷為300 MW（TRL工況）時，鍋爐的額定蒸發量為960t／h.鍋爐共布置7層燃燒器，其中上5層為煤粉噴口，下2層為高爐煤氣噴口.采用水平濃淡煤粉燃燒器（具有較高的燃盡度）、燃燒器分級布置等措施能保證燃用設計煤種及摻燒高爐煤氣時及時著火和充分燃盡.

汽溫調節方式不僅需要考慮完全燃用設計煤種的工況，還需要重點兼顧摻燒高爐煤氣的工況.過熱器汽溫調節采用三級五點噴水.再熱器的調溫主要靠燃燒器的擺動，并設有二級噴水減溫器.在完全燃用設計煤種時，噴水減溫器只作為事故噴水減溫器；在摻燒高爐煤氣時，噴水減溫器參與調節再熱蒸汽溫度.

各受熱面布置見圖1.

圖1 受熱面布置圖Fig.1 Arrangement of heat surfaces

2 燃料特性分析

燃用煤種的元素分析和工業分析見表1，高爐煤氣成分分析見表2.

表1 煤的元素分析和工業分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of the coal

表2 高爐煤氣成分分析Tab.2 Composition analysis of the BFG

煤粉燃燒的理論空氣量：

式中：V0coal為煤粉燃燒的理論空氣量，m3／kg；w（Car）、w（Har）、w（Oar）和w（Sar）分別為煤中碳、氫、氧和硫元素的質量分數。

煤粉燃燒的理論煙氣量：

高爐煤氣燃燒的理論空氣量：

式中：V0BGF為高爐煤氣燃燒所需理論空氣量，m3／m3.

高爐煤氣燃燒產生的理論煙氣量：

式中：為高爐煤氣燃燒產生的理論煙氣量，m3／kg；ρBFG為高爐煤氣的密度，kg／m3.

煤粉燃燒的理論空氣量和理論煙氣量根據元素分析數據計算，高爐煤氣燃燒的理論空氣量和理論煙氣量根據氣體成分體積分數數據計算［6］.由式（1）～式（4）可計算得：高爐煤氣燃燒的理論空氣量為0.52 m3／kg，理論煙氣量為1.268m3／kg；而煤粉燃燒的理論空氣量為6.238 m3／kg，理論煙氣量為6.812 m3／kg.可見，高爐煤氣燃燒的理論空氣量和理論煙氣量都比煤粉的小.

以混合燃料計算，x表示混合燃料中高爐煤氣的熱量摻燒比，則混合燃料的理論煙氣量為：

式中：V0y為混合燃料燃燒的理論煙氣量，m3／kg；和分別表示混合燃料中煤粉和高爐煤氣的質量分數.

高爐煤氣熱量摻燒比和發熱量的關系曲線示于圖2.

圖2 高爐煤氣熱量摻燒比對混合燃料發熱量的影響Fig.2 The effect of BFG blending ratio on heat value of the fuel mixture

隨高爐煤氣熱量摻燒比的增大，每千克混合燃料產生的煙氣量是減小的，發熱量也是減小的.但是摻燒高爐煤氣后，因燃料的發熱量減小，獲取相同熱量所需的總燃料量增加，最終產生的總煙氣量增加.當以每千克煤的發熱量計算時，混合燃料產生的煙氣量為

式中：V為按每千克煤的發熱量計算所得混合燃料產生的理論煙氣量，m3／kg.

理論總煙氣量隨摻燒比變化的曲線見圖3.由圖3的擬合直線可知，當熱量摻燒比為0時，理論煙氣量即為煤粉燃燒的理論煙氣量6.812 m3／kg；當熱量摻燒比為100%時，理論煙氣量為13.421m3，也就是純燃燒高爐煤氣產生1kg煤的熱量時產生的理論煙氣量，是純煤粉燃燒的1.97倍.

圖3 高爐煤氣熱量摻燒比對煙氣量的影響Fig.3 The effect of BFG blending ratio on flue gas volume

3 熱力特性分析

高爐煤氣的發熱量只有3.066 MJ／m3，不到煤粉發熱量（24.040 MJ／kg）的1／8，高爐煤氣經過預熱之后的理論燃燒溫度也只有1 300～1 450 ℃［7］.較低的理論燃燒溫度使爐內溫度水平降低，煤粉的著火和燃盡變得困難，這也就限制了高爐煤氣熱量摻燒比不能過大.參考了文獻［8］～文獻［10］對4種摻燒比0%（即純燃煤）、10%、20%和30%進行計算.

火焰的輻射力主要取決于爐內溫度水平，所以爐內輻射吸熱能力的大小取決于理論燃燒溫度.理論燃燒溫度和爐內輻射吸熱功率隨高爐煤氣熱量摻燒比的變化見圖4.

圖4 理論燃燒溫度和爐內輻射吸熱功率隨高爐煤氣熱量摻燒比的變化Fig.4 Curves of theoretic combustion temperature and radiation heat varying with BFG blending ratio

計算得到純燃煤的理論燃燒溫度高達2 005℃，而純燃高爐煤氣的理論燃燒溫度只有1 126 ℃.摻燒高爐煤氣后理論燃燒溫度顯著降低，且隨高爐煤氣熱量摻燒比的增大而降低，高爐煤氣熱量摻燒比為30%的理論燃燒溫度只有1 635 ℃.理論燃燒溫度的降低直接導致爐內輻射吸熱量減少，從而影響對流受熱面的吸熱情況［11］.

圖5給出了輻射和半輻射式受熱面吸熱功率隨高爐煤氣熱量摻燒比的變化.

圖5 輻射和半輻射式受熱面吸熱功率隨高爐煤氣熱量摻燒比的變化Fig.5 Curves of heat absorption by radiation and semi-radiation heat surface varying with BFG blending ratio

高爐煤氣熱量摻燒比增大，爐內溫度下降，輻射吸熱量減少，對流吸熱量增大.前屏（分隔屏）過熱器為輻射式過熱器，輻射吸熱量隨高爐煤氣熱量摻燒比的增大而減小.后屏過熱器輻射吸熱量的減少量與對流吸熱量的增加量大致相等，其總的吸熱量隨高爐煤氣熱量摻燒比沒有發生明顯變化.布置在后屏過熱器之后的屏式再熱器，其對流吸熱量的增加量超過輻射吸熱量的減少量，因此屏式過熱器的總吸熱量隨高爐煤氣熱量摻燒比增大而增加.

屏式再熱器之后的受熱面都呈現出對流受熱面的特性（見圖6），高爐煤氣熱量摻燒比增大，受熱面的吸熱功率增加.

圖6 其他受熱面吸熱功率隨高爐煤氣熱量摻燒比的變化Fig.6 Curves of heat absorption by other heat surfaces varying with BFG blending ratio

圖7給出了不同高爐煤氣熱量摻燒比下的排煙溫度和鍋爐效率.由圖7可知，摻燒高爐煤氣后，爐內溫度降低，產生的煙氣量增加，輻射吸熱量減少，對流吸熱量增加.但爐膛出口煙溫隨高爐煤氣熱量摻燒比的增大而升高，這就有可能導致過熱器和再熱器超溫.最終，隨高爐煤氣熱量摻燒比的增大，排煙溫度呈升高趨勢.圖中的3個散點分別為純燃煤、高爐煤氣熱量摻燒比為20%和30%時的原設計排煙溫度值.由于排煙損失的增大，鍋爐效率降低.當高爐煤氣熱量摻燒比為30%時，排煙溫度高達180℃，鍋爐效率降至86.45%，比純燃煤鍋爐效率91.72%下降了5.27%.

圖7 排煙溫度與鍋爐效率隨高爐煤氣熱量摻燒比的變化Fig.7 Curves of exhaust gas temperature and boiler efficiency varying with BFG blending ratio

4 混燃時鍋爐經濟性分析

高爐煤氣／煤粉混燃與純燃煤相比，在燃煤量、空氣量以及產生的煙氣量上有較大不同，由此對全廠經濟性產生一系列影響.廠用電量的變化主要體現在磨煤機、一次風機、引風機和脫硫設備的耗電上.煤耗減少，磨煤機電耗減少，一次風機電耗也隨之減少.但是摻燒高爐煤氣后產生的煙氣量增加，引風機電耗和脫硫設備電耗明顯增加.參考了文獻［12］，結合該鍋爐機組的實際運行數據，綜合計算各項設備用電，廠用電率隨高爐煤氣熱量摻燒比的增大略有升高.計算得到廠用電率見表3.

表4給出了x為0%、10%、20%和30%時的煤耗和發電燃煤成本.從表4可以看出，隨高爐煤氣熱量摻燒比增大，發電煤耗減少，發電燃煤成本降低.其中，高爐煤氣熱量摻燒比為30%時的發電煤耗比純燃煤減少78g／（kW·h），發電燃煤成本只有純燃煤情況下的74.4%.

評價經濟性的一個關鍵指標是發電成本［13-17］.將發電成本按費用的性質劃分為變動成本與固定成本.變動成本包括燃料費、購入電力費及水費；固定成本包括折舊費、工資及福利費、修理費、材料費和其他費用.發電成本的計算參考了文獻［18］和文獻［19］，將各項費用折算成單位電量下的成本費，結果見表5.

圖8為不計入高爐煤氣的發電成本和計入高爐煤氣的發電成本的柱狀圖.不計入高爐煤氣的發電成本隨高爐煤氣熱量摻燒比的增大而明顯降低，熱量摻燒比為10%、20%和30%時的發電成本比純燃煤的發電成本分別降低0.022 3 元／（kW·h）、0.040 8元／（kW·h）和0.058 5元／（kW·h）.

表3 廠用電率的計算Tab.3 Calculation results of house power consumption rate

表4 煤耗和發電燃煤成本Tab.4 Coal consumption and cost for power generation

圖8 不同摻燒比下的發電成本Fig.8 Power generating cost at different BFG blending ratios

表5 發電成本計算結果Tab.5 Calculation results of power generating cost元／（kW·h）

當以0.049 6元／m3計入高爐煤氣的成本時，由于鍋爐效率降低，總的燃料消耗量有所增加，燃料總成本相對增加，發電成本隨著熱量摻燒比的增大仍然呈下降趨勢，但已不明顯.

5 結 論

（1）高爐煤氣與煤粉混燃比純燃煤時的理論燃燒溫度低，產生的煙氣量增加.

（2）高爐煤氣與煤粉混燃引起爐內溫度水平降低，而爐膛出口及其后的煙溫隨高爐煤氣熱量摻燒比的增大而升高，輻射吸熱量減少，對流吸熱量增加.摻燒高爐煤氣后排煙溫度升高，鍋爐效率降低.

（3）隨高爐煤氣熱量摻燒比的增大，混燃鍋爐機組廠用電率略有增加，發電煤耗降低，有效地利用了低熱值的燃料，節省了燃煤，使發電燃煤成本降低，最終的發電成本降低.從利用高爐煤氣的角度考慮，產生的經濟效益是非常巨大的.

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