300MW煙煤／高爐煤氣混燃鍋爐摻燒褐煤燃燒特性的數(shù)值模擬及經(jīng)濟(jì)性分析

王春波， 李 偉

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，保定071003）

鋼鐵企業(yè)在煉鋼過程中會(huì)產(chǎn)生大量的高爐煤氣，由于高爐煤氣量大且熱值低［1］，其有效利用是迫切需要解決的問題［2－3］.在已有的高爐煤氣利用方法中，煤粉／高爐煤氣混燃技術(shù)是較為有效的手段之一［4－9］.由于高爐煤氣的熱值低，在摻燒過程中需要添加相對(duì)較高品質(zhì)的煤，如一般采用發(fā)熱量較高、燃燒特性較好的煙煤.

我國(guó)褐煤資源豐富，已經(jīng)探明的褐煤保有儲(chǔ)量為1 311.42億t，約占煤炭總保有儲(chǔ)量的13%［10］.與煙煤和無煙煤相比，目前對(duì)褐煤的開發(fā)利用還不夠充分.同時(shí)我國(guó)煤炭供應(yīng)緊張、價(jià)格上漲，電煤價(jià)格矛盾突出，發(fā)電企業(yè)一度虧損嚴(yán)重.褐煤資源豐富且價(jià)格便宜，因此如何有效地利用褐煤資源顯得尤為重要［11］.在保證鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提下，很多燃煤電廠開展了褐煤摻燒工作［12－15］，以緩解電煤供應(yīng)緊張.筆者以某鋼廠300MW煙煤／高爐煤氣混燃鍋爐為例，在原設(shè)計(jì)煤種（煙煤）的基礎(chǔ)上摻燒褐煤，對(duì)該鍋爐進(jìn)行熱力特性數(shù)值模擬和經(jīng)濟(jì)性分析，以期為該類混燃鍋爐燃料優(yōu)化提供一定的參考.

1 研究對(duì)象

以某鋼廠300MW機(jī)組煙煤／高爐煤氣混燃鍋爐為模擬對(duì)象.該鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包鍋爐，燃燒方式為四角切圓燃燒，設(shè)計(jì)煤種為煙煤，具有摻燒0～30%高爐煤氣的能力.設(shè)計(jì)煤種和擬摻燒褐煤的煤質(zhì)分析見表1，高爐煤氣成分分析見表2.

表1 煤質(zhì)分析Tab.1 Analysis of coal quality

表2 高爐煤氣的成分分析Tab.2 Chemical composition of the BFG

該鍋爐為單爐膛，燃燒器為四角布置的擺動(dòng)式燃燒器，切向燃燒，上下擺動(dòng)的最大角度為±30°.一次風(fēng)、二次風(fēng)出口中心線和燃盡風(fēng)出口中心線與水冷壁中心線的夾角分別為38°和44°，在爐膛中心形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的2個(gè)直徑不同的假想切圓.為了削弱爐膛出口煙氣的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和減小由四角切圓燃燒引起的爐膛出口煙氣溫度偏差，燃盡風(fēng)室設(shè)計(jì)為反切，使其噴嘴出口中心線與主噴嘴中心線成12°的夾角.鍋爐寬度為14 048mm，深度為12 468mm，高度為58 900mm.鍋爐共布置7層燃燒器噴口，其中上5層為煤粉噴口，下2層為高爐煤氣噴口.鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒器布置見圖1.

圖1 鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒器布置示意圖（單位：mm）Fig.1 Structural diagram of boiler furnace and arrangement of burners（unit：mm）

2 數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值模擬采用Fluent軟件.爐膛網(wǎng)格采用分段劃分方法，從冷灰斗至爐膛出口共劃分為7部分.爐膛截面網(wǎng)格采用Paving方法生成非結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格，體網(wǎng)格采用Cooper方法沿著爐膛高度方向鋪展生成六面體網(wǎng)格.整個(gè)爐膛網(wǎng)格總數(shù)為120萬(wàn).

數(shù)值計(jì)算中湍流流動(dòng)采用k－ε雙方程模型，輻射傳熱采用P－1模型［16］，離散相顆粒軌跡采用隨機(jī)跟蹤模型，焦炭燃燒采用動(dòng)力－擴(kuò)散限制模型，揮發(fā)分熱解采用兩步競(jìng)相反應(yīng)模型，氣相湍流燃燒采用混合分?jǐn)?shù)／概率密度函數(shù)方法（Mixture raction／PDF）［17］.模擬對(duì)象包括煤粉和高爐煤氣2種燃料，采用二混合分?jǐn)?shù)方法將煤粉流定義為燃料流，并將高爐煤氣定義為二次流.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 褐煤完全取代煙煤后與高爐煤氣混燃的燃燒特性

褐煤價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煙煤，在保證安全運(yùn)行的前提下，褐煤若能完全取代煙煤將是最有利的情況.在滿負(fù)荷條件下，對(duì)該混燃鍋爐分別進(jìn)行80%褐煤＋20%高爐煤氣與80%煙煤＋20%高爐煤氣混燒的模擬，其燃燒特性見圖2.

圖2 褐煤、煙煤與20%高爐煤氣混燃的燃燒特性Fig.2 Co－firing characteristics of lignite and bituminous coal with 20%BFG mixed

由圖2（a）可知，無論褐煤還是煙煤，在與高爐煤氣混燃后，爐內(nèi)溫度隨爐膛高度的變化趨勢(shì)非常相似，爐內(nèi)的最高溫度均出現(xiàn)在燃燒器略上區(qū)域.但與煙煤相比，褐煤與高爐煤氣混燃后的溫度場(chǎng)發(fā)生了2個(gè)顯著的變化：一是爐內(nèi)溫度有所下降，如最高點(diǎn)溫度下降近100K；二是爐膛出口煙氣溫度顯著提高.這是因?yàn)椋号c煙煤相比，褐煤的發(fā)熱量較低，在鍋爐負(fù)荷一定的條件下，褐煤的送入量較多.褐煤一個(gè)很明顯的特征是水分大，由于大量水分引入需要吸收大量的汽化潛熱，因而爐內(nèi)溫度降低.爐內(nèi)溫度的下降直接導(dǎo)致水冷壁輻射吸熱量減少，具體表現(xiàn)為爐膛出口煙氣溫度升高.

由圖2（b）可知，2種煤種對(duì)應(yīng)的CO平均摩爾分?jǐn)?shù)（以下簡(jiǎn)稱摩爾分?jǐn)?shù)）峰值均出現(xiàn)在燃燒器區(qū)域，但煙煤與高爐煤氣混燒的CO摩爾分?jǐn)?shù)最大值明顯大于褐煤與高爐煤氣混燃的CO摩爾分?jǐn)?shù)最大值.另外，爐膛出口處褐煤與高爐煤氣混燃生成的煙氣中CO摩爾分?jǐn)?shù)要大于煙煤與高爐煤氣混燃的CO摩爾分?jǐn)?shù)，表明其燃燒效果劣于煙煤與高爐煤氣混燃的燃燒效果，原因可能為：與煙煤相比，褐煤與高爐煤氣混燃后的爐內(nèi)溫度顯著下降，從而影響了CO的燃盡.

綜上所述，如果用褐煤完全代替煙煤，爐內(nèi)溫度會(huì)顯著下降（約100K），且爐膛出口煙氣溫度明顯升高.這可能會(huì)導(dǎo)致2個(gè)嚴(yán)重問題：一是水冷壁吸熱量的大大減小會(huì)影響水循環(huán)的安全和穩(wěn)定性；二是爐膛出口煙氣溫度的顯著升高會(huì)導(dǎo)致爐膛出口受熱面結(jié)渣從而影響安全運(yùn)行.結(jié)合圖2（b）中爐膛出口CO摩爾分?jǐn)?shù)增大的趨勢(shì)，表明褐煤完全代替煙煤后爐內(nèi)燃燒水平下降.因此，從安全性方面考慮，用褐煤完全取代煙煤是不合適的.

3.2 褐煤取代部分煙煤后與高爐煤氣混燃的燃燒特性

用褐煤完全取代煙煤會(huì)嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行的安全性，因此考慮用褐煤取代部分煙煤后與高爐煤氣混燃.其中摻燒高爐煤氣的比例為20%，滿負(fù)荷下混燃的燃燒特性見圖3.

由圖3（a）可知，3種摻燒比例下溫度場(chǎng)分布的總體趨勢(shì)相似，但隨著褐煤摻燒比例的增大，溫度峰值逐漸降低，爐膛出口溫度逐漸升高.由圖3（b）可知，隨著褐煤摻燒比例的增大，CO摩爾分?jǐn)?shù)峰值逐漸減小，但仍出現(xiàn)在燃燒器附近.而在爐膛其他區(qū)域，摻燒不同比例的褐煤后CO摩爾分?jǐn)?shù)幾乎相同，說明在這幾種摻燒比例下，除燃燒器附近外，其他區(qū)域CO摩爾分?jǐn)?shù)所受的影響不大且CO能較好地燃盡.對(duì)比圖2和圖3可知，利用褐煤取代部分煙煤來實(shí)現(xiàn)與高爐煤氣混燃在安全性方面是可行的.在模擬的幾種比例中，摻混40%褐煤是比較理想的比例.

圖3 不同摻燒比例褐煤、煙煤與20%高爐煤氣混燃的燃燒特性Fig.3 Co－firing characteristics of lignite and bituminous coal at different blending ratios with 20%BFG mixed

3.3 不同高爐煤氣摻燒比例的影響

高爐煤氣摻燒比例是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行非常重要的參數(shù).因?yàn)楸M可能多地?fù)綗郀t煤氣將會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益.該鍋爐原設(shè)計(jì)煙煤可摻燒30%的高爐煤氣.對(duì)摻燒40%褐煤條件下的燃燒進(jìn)行研究，改變高爐煤氣摻燒比例后爐內(nèi)燃燒的數(shù)值模擬結(jié)果見圖4.

圖4 摻燒不同比例高爐煤氣時(shí)的燃燒特性Fig.4 Co－firing characteristics at different blending ratios of BFG

由圖4（a）可以看出，在高爐煤氣噴口處，溫度隨著高爐煤氣摻燒比例的增大而升高，這是因?yàn)楦郀t煤氣易于著火，從而造成局部性高溫.在燃燒器區(qū)域，由于高爐煤氣熱值明顯小于煙煤而煙氣量增大，隨著高爐煤氣摻燒比例的增大，溫度呈明顯下降的規(guī)律.此外，爐膛出口附近溫度的變化與燃燒器區(qū)域溫度的變化呈相反趨勢(shì)，即爐膛出口煙氣溫度隨高爐煤氣摻燒比例的增大而升高，主要原因是摻燒高爐煤氣使得爐內(nèi)溫度總體下降，水冷壁吸熱量減少，因此爐膛出口煙氣溫度升高.

由圖4（b）可以看出，在高爐煤氣噴口以下，隨著高爐煤氣摻燒比例的增大，CO摩爾分?jǐn)?shù)顯著增大，這與高爐煤氣中含有20%左右的CO密切相關(guān).另外，CO摩爾分?jǐn)?shù)的峰值均出現(xiàn)在煤粉燃燒器區(qū)域，但隨著高爐煤氣摻燒比例的增大，CO摩爾分?jǐn)?shù)明顯減小.如摻燒10%高爐煤氣時(shí)CO摩爾分?jǐn)?shù)最大，約為9%；摻燒30%高爐煤氣時(shí)CO摩爾分?jǐn)?shù)減小為5%左右.CO摩爾分?jǐn)?shù)的峰值位置隨高爐煤氣摻燒比例的增大向右偏移，可能是因?yàn)楦郀t煤氣的摻入推遲了煤粉的著火.3種工況下爐膛出口CO摩爾分?jǐn)?shù)均很小且在允許范圍內(nèi)，表明爐膛出口處的燃料已基本燃燒完全.

4 熱力計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性分析

以上主要從運(yùn)行安全性角度進(jìn)行分析.為了更全面地分析摻燒褐煤的問題，還需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估.在摻燒40%褐煤的情況下，對(duì)高爐煤氣摻燒比例為0、10%、20%和30%4種情況進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，結(jié)果見表3.由表3可以看出，排煙溫度隨著高爐煤氣摻燒比例的增大而升高.由于褐煤熱值遠(yuǎn)小于煙煤，產(chǎn)生同樣多的熱量需要的褐煤量大大增加.給煤量和高爐煤氣摻燒比例的增大導(dǎo)致煙氣量增加，排煙溫度升高，從而造成排煙熱損失和固體不完全燃燒熱損失增大.隨著高爐煤氣摻燒比例的增大，鍋爐效率明顯降低.

發(fā)電成本計(jì)算結(jié)果見表4.由表4可知，純燒設(shè)計(jì)煤種煙煤的發(fā)電成本是117 090元／h，而摻燒20%高爐煤氣（高爐煤氣為鋼廠的副產(chǎn)品不需要成本）時(shí)發(fā)電成本降為102 158元／h，降低了12.75%.由于褐煤?jiǎn)蝺r(jià)更便宜，褐煤?jiǎn)蝺r(jià)約為煙煤的1／3，當(dāng)摻燒40%褐煤和20%高爐煤氣時(shí)，發(fā)電成本降為80 107元／h，相對(duì)設(shè)計(jì)煤種降低了31.59%，因此利用高爐煤氣和適當(dāng)?shù)負(fù)綗置核a(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是非常巨大的.

表3 熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of the thermal economy

表4 發(fā)電成本計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of the power generation cost

5 結(jié) 論

（1）在摻燒20%高爐煤氣的條件下，采用褐煤完全取代設(shè)計(jì)煤種（煙煤）后，爐內(nèi)溫度比燃用設(shè)計(jì)煤種低100K左右，排煙溫度大幅升高，影響鍋爐運(yùn)行的安全性.

（2）隨著褐煤摻燒比例的增大，爐內(nèi)溫度逐漸下降，排煙溫度升高.隨著高爐煤氣摻燒比例的增大，爐內(nèi)溫度下降，排煙溫度升高，鍋爐效率降低.

（3）經(jīng)濟(jì)性分析表明，純燒煙煤的發(fā)電成本為117 090元／h，當(dāng)摻燒40%褐煤和20%高爐煤氣時(shí)，發(fā)電成本降為80 107元／h，發(fā)電成本降低了31.59%，適當(dāng)摻燒褐煤可產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益.

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