火電廠鍋爐摻燒氣體燃料的可行性研究

張魯峻， 李江榮， 方 磊， 李 劍

（1.武漢鋼電股份有限公司，武漢 430081；2.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

火電廠鍋爐摻燒氣體燃料的可行性研究

張魯峻1， 李江榮2， 方 磊2， 李 劍2

（1.武漢鋼電股份有限公司，武漢 430081；2.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

合理應(yīng)用氣體燃料特別是可燃工業(yè)廢氣，可以幫助火電企業(yè)降低生產(chǎn)成本，減輕運營壓力。介紹了氣體燃料的應(yīng)用范圍、使用措施及應(yīng)用中存在的困難，并對氣體燃料的應(yīng)用推廣提出了建議，可為其在火力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用提供借鑒。

火電廠；鍋爐；摻燒；可燃?xì)怏w；可行性

隨著我國能源形勢的不斷嚴(yán)峻和國家環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，采用與實際情況相適應(yīng)的發(fā)電技術(shù)以降低運行維護(hù)成本、保證機(jī)組安全，已經(jīng)成為發(fā)電企業(yè)越來越迫切的需要。采用氣體燃料特別是可燃工業(yè)廢氣作為補(bǔ)充燃料，不但可以幫助發(fā)電企業(yè)降低生產(chǎn)成本，還能有效減少NOX等污染物的排放，是很有意義的舉措。

1 氣體燃料的應(yīng)用范圍

氣體燃料易燃易爆且大多具有毒性，使用中對控制措施和安全要求較高，但同時也具備比重小、擴(kuò)散快、易混合均勻、流動壓損小等優(yōu)點。

1.1 幫助穩(wěn)燃

氣體燃料擴(kuò)散是分子級擴(kuò)散，與其相比，煤粉無論如何制備，其比表面積都不可能達(dá)到氣體燃料的水平。進(jìn)入爐膛后，氣體燃料的著火和燃盡時間都遠(yuǎn)低于煤粉，而火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性和速度則高于煤粉氣流。

利用發(fā)熱量較高的氣體燃料（如焦?fàn)t煤氣，發(fā)熱量達(dá)16 200 kJ/m3，以下簡稱焦煤或COG），完全可以在爐內(nèi)形成可靠的穩(wěn)燃火焰，起到良好的穩(wěn)燃作用。而發(fā)熱量較低的氣體燃料（如高爐煤氣，發(fā)熱量約3 200 kJ/m3，以下簡稱高煤或BFG）如果應(yīng)用得當(dāng)，也可以提高爐內(nèi)火焰的穩(wěn)定性。例如某鋼電公司1號鍋爐最下層布置了兩層高爐煤氣噴嘴，在高煤投入時，爐膛下部平均溫度被大幅提升，火焰穩(wěn)定性大大提高。特別是當(dāng)爐底水封被破壞等原因造成大量冷風(fēng)漏入爐膛時，因為有穩(wěn)定的高爐煤氣火焰支持，下層煤粉燃燒器區(qū)域的溫度不會出現(xiàn)急劇下降，爐內(nèi)燃燒未受到較大影響，從而起到穩(wěn)燃的作用。

1.2 代替燃油實現(xiàn)啟停

目前燃油價格一路走高，各種降低機(jī)組啟停成本的技術(shù)也應(yīng)運而生，但不論是微油點火還是等離子點火，都存在一些限制：對煤質(zhì)有較高要求、一次性投資較大、啟動時間較長等，而利用氣體燃料啟動則在一定程度上可以避免以上問題。比如某鋼電股份有限公司的670 t/h燃煤鍋爐已實現(xiàn)了“焦煤+高煤”的聯(lián)合啟動，負(fù)荷達(dá)到35%BMCR后投入煤粉，避免了投油時不能投入電除塵、煤粉燃燒不完全、低負(fù)荷時制粉系統(tǒng)效率低下等問題；某電廠也實現(xiàn)了“高爐+焦煤長明火+煤粉”的啟動方式，多年來未投過油槍，大大降低了啟動成本。

1.3 初步脫硝

目前燃煤機(jī)組的主流初步脫硝技術(shù)是采用分級燃燒等燃燒優(yōu)化技術(shù)或超細(xì)煤粉的再燃技術(shù)，分級燃燒是在主燃區(qū)控制風(fēng)量，保持還原性氣氛，再燃技術(shù)則是在主燃區(qū)上方形成還原區(qū)。氣體燃料同樣可以達(dá)到形成還原性氣氛的要求，相比煤粉射流，氣-氣混合射流具有擴(kuò)散快、混合均勻的優(yōu)點，在建立均勻穩(wěn)定的還原性氣氛、控制NOX產(chǎn)生方面，燃?xì)獾男Ч糜诿悍邸?/p>

2 應(yīng)用中的常見問題及有效措施

目前國內(nèi)摻燒氣體燃料的燃煤鍋爐很少且普遍應(yīng)用水平不高，燃用的多是發(fā)熱量比較低、價格便宜的工業(yè)廢氣，在應(yīng)用中的常見問題和應(yīng)對措施如下。

2.1 高爐煤氣等低熱值燃?xì)獾膽?yīng)用

2.1.1 摻燒低熱值燃?xì)獾某Ｒ妴栴}

低熱值燃?xì)庥捎跓嶂递^低、用量較大，會造成煙氣量大、爐內(nèi)平均溫度下降、火焰中心上移、對流換熱增強(qiáng)，容易導(dǎo)致對流換熱面超溫、磨損加劇、排煙溫度升高、熱效率降低等問題，不但降低了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性，也限制了鍋爐摻燒低熱值燃?xì)獾哪芰?，如國?nèi)某電廠的1-3號機(jī)組鍋爐設(shè)計可摻燒60%高爐煤氣，另一電廠480 t/h爐設(shè)計可摻燒65%高爐煤氣，最終都只能達(dá)到10%~20%的摻燒量（BMCR工況），表1為某鍋爐全煤工況與摻燒20%BFG工況的參數(shù)比較。從表1可見，在摻燒BFG時，煙氣體積增大，減溫水耗量大幅增加，鍋爐排煙溫度上升，鍋爐效率明顯下降。

2.1.2 應(yīng)對措施

分析比較可知，造成燃用低熱值燃?xì)飧鞣N問題的主要原因是投用低熱值燃?xì)夂鬅煔怏w積變大、輻射換熱量的比重下降，筆者認(rèn)為可以通過以下措施加以控制：

表1 全煤與摻燒20%高爐煤氣的BMCR工況參數(shù)比較

（1）對低熱值燃?xì)膺M(jìn)行預(yù)熱。低熱值燃?xì)獾幕鹧鏈囟韧ǔ］^低，如某鋼電公司的高爐煤氣燃燒器出口火焰溫度在700℃左右（現(xiàn)場測取值），對水冷壁的輻射換熱效果很弱，如果將低熱值燃?xì)鉁囟忍岣叩?00℃以上再進(jìn)入爐膛，可提高火焰溫度和輻射換熱效果，有效控制爐膛出口煙溫。

（2）優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)。低熱值燃?xì)鈬娍诙嗍呛唵螙鸥袷剑灰卓刂凭植垦?燃料的摩爾比。從實際應(yīng)用看，燃?xì)馊紵龝r過量空氣系數(shù)越接近1.1~1.2，反應(yīng)時間越短，火焰溫度越高。因此在設(shè)計時采用預(yù)混燃燒及優(yōu)化著火穩(wěn)燃技術(shù)，合理選擇噴口結(jié)構(gòu)（如開縫鈍體等），優(yōu)化燃燒器噴口的氧/燃料摩爾比，將會大大改善低熱值燃?xì)獾闹鸺叭紵隣顩r。

（3）采用三級減溫器。最常見的對流受熱面是鍋爐尾部的低再、低過受熱面，在大量投入低熱值燃?xì)庠斐蔁煔饬魉?、溫度都升高時，容易導(dǎo)致對流受熱面過負(fù)荷、工質(zhì)出口溫度和金屬溫度快速上升，如果控制不好，還會進(jìn)一步影響屏式受熱面和高溫受熱面，引起減溫水量大幅增加。以燃煤鍋爐的過熱器系統(tǒng)為例，一般鍋爐多采用二級減溫，即在前后屏和高過前布置兩級減溫，在火焰中心上移、對流換熱量增大的情況下易發(fā)生前屏入口溫度大幅升高，而運行中缺乏有效的調(diào)節(jié)手段，最終只能降低負(fù)荷。對一、二級減溫器而言，也存在減溫水流量大幅增加，減溫器前后溫差及其應(yīng)力增加、超溫難以控制的問題。比較合適的方法是增加減溫器級數(shù)，有效控制每一級受熱面的溫升，特別是控制低過出口的溫度水平，以保證水平煙道內(nèi)受熱面不超溫。

（4）采用螺旋管水冷壁提高輻射換熱效率，降低爐膛出口煙溫。

（5）增加省煤器的換熱面積，提高省煤器出口溫度，從而減少水冷壁內(nèi)工質(zhì)的欠焓，提高蒸發(fā)量，控制受熱面超溫和降低排煙溫度。

（6）對流受熱面前排采取防磨措施，如護(hù)板、假管等。

（7）提高熱風(fēng)溫度，如使用熱風(fēng)再循環(huán)等，從而改善爐內(nèi)燃燒工況。

2.2 高熱值燃?xì)獾膽?yīng)用

高熱值燃?xì)?，如焦?fàn)t煤氣、天然氣等，在燃燒時由于單位發(fā)熱量與煙氣發(fā)生量的比值與煤接近或更高，一般不會造成運行參數(shù)有較大偏離，即使由于對流換熱量比重減少而出現(xiàn)了主汽溫下降，也可以通過加大送風(fēng)等手段在運行中進(jìn)行調(diào)整。若流量較大，考慮其燃盡時間短的特點，在設(shè)計時宜布置在燃燒器上層。

燃用高熱值燃?xì)庠谶\行中的主要問題是啟動時易對受熱面和除塵器造成沾污和低溫腐蝕。高熱值燃?xì)庵械腍2和CmHn含量很高，如焦?fàn)t煤氣中這兩種質(zhì)量的份額合計會達(dá)到39%左右，這些成分燃燒后會產(chǎn)生大量的水蒸汽。在冷爐啟動時，水蒸汽將凝結(jié)在溫度較低的金屬表面，極易造成換熱面沾污和低溫腐蝕。所以利用高熱值燃?xì)鈫訒r，一是要保證足夠的給水溫度（有爐底加熱裝置時應(yīng)及時投入）；二是控制啟動速度，開啟熱風(fēng)再循環(huán)，盡量提高熱風(fēng)溫度，在熱風(fēng)溫度和排煙溫度達(dá)到一定水平后（即煙溫大于煙氣露點后）再投入煤粉。對使用管式空預(yù)器的鍋爐，一般排煙溫度應(yīng)大于80℃，尾部受熱面和除塵器就基本不會發(fā)生沾污和低溫腐蝕了。

3 目前存在的困難

盡管燃煤鍋爐摻燒部分可燃?xì)怏w能夠降低發(fā)電成本，但在現(xiàn)階段推廣仍存在許多困難。

（1）難以獲得穩(wěn)定的氣源。這是目前國內(nèi)火電機(jī)組很少使用可燃?xì)怏w的主要原因。能滿足工業(yè)應(yīng)用條件的可燃?xì)怏w發(fā)生源一般集中在鋼鐵、石化、煉焦等行業(yè)，此類行業(yè)的多數(shù)企業(yè)已對可燃?xì)怏w進(jìn)行了副產(chǎn)品開發(fā)，如加熱、制氫等，可外供的資源不但數(shù)量少，而且因為壓力和流量與發(fā)生源的主工藝直接相關(guān)，參數(shù)波動比較大并受到嚴(yán)格控制。

（2）價格的影響。一般來說，低熱值燃?xì)饷考苟℅J）的價格是低于煤炭的，品質(zhì)越低價格差越大；高熱值燃?xì)饷考苟鷥r格則高于煤炭，如天然氣，有的地區(qū)每立方米價格在4.2元左右，每吉焦耳價格是煤炭的3~4倍。

（3）有一定的危險性。燃?xì)庖兹肌⒁妆?，大多具有毒性和腐蝕性，對于不熟悉其應(yīng)用技術(shù)的用戶，具有安全隱患。

（4）難以貯存。與煤炭不同，燃?xì)怏w積大、重量輕，同樣熱值的燃?xì)馀c煤炭相比，其貯存空間是煤炭的幾百甚至幾千倍，如COG與低位發(fā)熱值22 000 kJ/kg煤炭相比，同熱值貯存體積前者約是后者的705倍，對于蒸發(fā)量為670 t/h、摻燒20%BFG的鍋爐，1臺20萬m3的氣柜僅能滿足其1 h的緩沖要求。

4 推廣應(yīng)用的建議

筆者認(rèn)為，在鋼鐵、石化行業(yè)以外的火力發(fā)電廠應(yīng)用燃煤鍋爐摻燒可燃?xì)怏w可以考慮以下幾個思路。

4.1 天然氣的小流量應(yīng)用

靠近產(chǎn)氣區(qū)和天然氣輸送管道的電廠，可以在耗油量較大的穩(wěn)燃和點火啟動階段，用天然氣作為燃油的替代燃料以節(jié)約發(fā)電成本，雖然天然氣比煤昂貴，但與燃油相比仍有價格優(yōu)勢。表2為低位發(fā)熱量22 000 kJ/kg的燃煤、天然氣和輕柴油單位發(fā)熱量價格的比較。

表2 發(fā)熱量價格比較

另外，也可以考慮將天然氣用于初步脫硝。對于天然氣回?zé)醪矫撓?，美國猶他大學(xué)在20世紀(jì)60年代就有相關(guān)的研究和工業(yè)應(yīng)用，最大的問題是天然氣性質(zhì)比較活潑，進(jìn)入爐膛后一部分會立即和煙氣中的氧反應(yīng)，且其氣流剛性不強(qiáng)，要達(dá)到整個爐膛截面的均布并形成還原區(qū)比較困難，因此需要的天然氣流量比較大。而天然氣價格高，大流量意味著成本的上升。對此，筆者提出以下設(shè)想：

如圖1所示，天然氣和溫度較高、含氧量低的再循環(huán)煙氣（可取自空預(yù)器前后）預(yù)混后，形成溫度、壓力較高的再燃燃?xì)?，在主燃燒區(qū)域上方噴入爐膛。這樣，再燃燃?xì)饬鞯膭傂蕴岣吡?，并可通過煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)的出力進(jìn)行調(diào)節(jié)，對截面均布有利；天然氣預(yù)熱后，其中的還原性分子活性提高，與NOX的反應(yīng)時間縮短；新煙氣中相對富集的氧在穿過還原區(qū)時，因為再燃?xì)庵械目扇汲煞窒陆担斐傻娜紵谋容^??；可以達(dá)到天然氣較小流量時均布還原區(qū)的目的。

圖1 應(yīng)用煙氣－天然氣預(yù)混裝置的初步脫硝裝置

4.2 煤氣化技術(shù)的應(yīng)用

單一的氣化爐投資較大，煤氣化流程和后續(xù)工藝流程互相制約。目前流行的煤氣化IGCC發(fā)電項目在能源清潔利用方面有明顯優(yōu)勢，但也存在機(jī)組剛性大（負(fù)荷低于70%以后效率下降較多）、難以參與調(diào)峰、對燃?xì)鉄嶂狄髧?yán)格、國產(chǎn)化率低、投資大、大修比較頻繁等問題。對于IGCC來說，不論是出于燃?xì)獬煞植▌舆€是氣化出力波動的考慮，都需要穩(wěn)定的緩沖用戶，因此可以將IGCC與傳統(tǒng)火電機(jī)組集中建設(shè)，將火電鍋爐就近作為IGCC的緩沖燃?xì)庥脩?，這樣不但可以解決IGCC的緩沖問題，火電鍋爐也可以獲得相對穩(wěn)定的氣源用于摻燒穩(wěn)燃。

5 結(jié)語

在能源多樣化、清潔化的今天，傳統(tǒng)火電企業(yè)承受了越來越大的壓力。對氣體燃料特別是可燃工業(yè)廢氣的合理應(yīng)用，可以幫助火電企業(yè)降低生產(chǎn)成本，減輕生產(chǎn)運營的壓力。

[1]金晶，張忠孝，李瑞陽，等．超細(xì)煤粉燃燒氮氧化物釋放特性的研究[J]．動力工程，2004，24（5）∶716－720．

（本文編輯：徐 晗）

Feasibility Study for Blended Gas Fuel Combustion in Boilers of Thermal Power Plant

ZHANG Lu-jun，LI Jiang-rong，F(xiàn)ANG Lei，LI Jian

（1.Wuhan Steel&Electric Co.，Ltd，Wuhan 430081，China；2.Zhejiang Electric Power Test&Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The reasonable application of gas fuel,especially the combustible industrial waste gas can reduce the production cost and operation pressure of thermal power companies.This paper introduces the application range of gas fuel,use measures and difficulties in application,put forwards the proposals of the application and promotion of gas fuel and offers a reference for its application to thermal power units.

thermalpower plant；boiler；blended fuelcombustion；combustible gas；feasibility

TQ038.1

B

1007-1881（2010）10-0036-04

2010-06-02

張魯峻（1973－），男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事發(fā)電廠鍋爐與環(huán)保技術(shù)管理工作。