鋼廠煤氣混燒鍋爐運行優(yōu)化的試驗研究

易正明，肖 慧，杜炳旭

(武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081)

鋼鐵工業(yè)是我國能耗大戶之一，其能耗約占我國工業(yè)總能耗的12%，而鋼鐵工業(yè)的高爐煤氣(BFG)、焦爐煤氣(COG)及轉爐煤氣(LDG)等副產煤氣總熱值約相當于鋼鐵工業(yè)總能耗量的25%，其中我國又以BFG產量最多，其年發(fā)生量高達3×1012m3[1-2]。因此利用好副產煤氣，尤其是產量最大的BFG，這對鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗有著重要的意義。目前，通過煤氣混燒鍋爐燃燒發(fā)電是我國鋼鐵企業(yè)利用副產煤氣的主要途徑之一，但由于BFG存在熱值低、不易著火、燃燒不穩(wěn)定等原因，鍋爐進行BFG摻燒時，其燃燒特性與純燃煤粉時有較大不同，易出現過/再熱器超溫、飛灰含碳量以及排煙溫度過高等問題，使鍋爐熱效率較低[3-5]。在實際煤氣混燒鍋爐運行中，為了維持煤氣平衡，往往摻燒過量的BFG，這樣更加惡化了煤粉的燃燒及鍋爐的運行狀況。而由于COG熱值高、理論燃燒溫度高和燃燒穩(wěn)定性好，在摻燒BFG的同時摻燒COG，可改善煤粉燃燒條件，使鍋爐運行優(yōu)化，提高鍋爐熱效率[6-7]。為此，本文對某鋼廠75 t/h煤氣混燒鍋爐進行BFG、COG摻燒調整試驗，分析摻燒對鍋爐排煙溫度、飛灰含碳量和過熱蒸汽溫度等的影響，并對鍋爐運行進行了優(yōu)化，在保證鍋爐整體熱效率條件下，增加BFG摻燒比例，以期為提高低熱值BFG利用效率、促進鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗提供依據。

1 試驗

1.1 鍋爐設計參數

試驗對象為某鋼廠75 t/h煤氣混燒鍋爐，型號為B&WB-75/3.82-MQ，煤氣摻燒率為30%，兼具全燒煤粉的能力，其設計參數如表1所示。

表1 鍋爐主要設計參數Table 1 Main design parameters of the boiler

1.2 煤粉及煤氣分析

表2為鍋爐煤粉的元素組成和工業(yè)分析結果。由表2可看出，鍋爐實際燃用煤粉成分較設計煤粉存在較大的偏差，其揮發(fā)分含量為16.57%，灰分含量為47.43%，低位發(fā)熱值僅15654kJ/kg，是典型的低熱值貧瘦煤，煤粉難著火，燃燒性差。表3為BFG、COG成分分析結果。由表3可看出，BFG的可燃成分H2、CO及CH4含量僅為27.2%，而N2、CO2不可燃成分含量高達72.5%，低位發(fā)熱值僅為3631.5 kJ/m3，屬于典型低熱值氣體燃料；而COG可燃成分H2、CH4及CO等含量超過93.3%，低位發(fā)熱值為18 213 kJ/m3，是典型的高熱值氣體燃料。

表2 煤粉的元素組成和工業(yè)分析Table 2 Elemental and proximate analysis of the coal

表3 BFG、COG成分分析Table 3 Composition analysis of BFG and COG

1.3 測試分析

摻燒試驗的蒸汽溫度等參數通過電廠集控運行中的DCS系統(tǒng)獲得，采用MRU牌NOVA PLUS型多功能煙氣分析儀在鍋爐尾部煙道布置測點測定煙氣溫度、煙氣成分等參數，并對飛灰多次采樣進行可燃物分析。

鍋爐熱效率采用反平衡計算，鍋爐運行試驗符合《GB10184—88電站鍋爐性能試驗規(guī)程》，試驗過程中鍋爐無排污，負荷保持相對穩(wěn)定。

2 結果與分析

2.1 COG摻燒對鍋爐排煙溫度的影響

圖1為COG摻燒熱值比對鍋爐排煙溫度的影響。由圖1可看出，鍋爐排煙溫度隨著COG摻燒的增加而逐漸下降。當COG摻燒熱值比為9%時，排煙溫度為158 ℃；當COG摻燒熱值比增至36.8%時，排煙溫度降至146 ℃。隨著COG摻燒量的增加，排煙溫度下降幅度逐漸減弱。這是由于COG的摻燒提高了爐膛溫度，改善了煤粉的燃燒，同時COG產生煙氣量少(相同熱值下，COG煙氣量僅為煤粉的1/10)，降低爐膛火焰中心高度，增加爐膛輻射吸熱量而減少鍋爐的對流換熱量，從而降低了排煙溫度[7]。

圖1 COG摻燒熱值比對鍋爐排煙溫度的影響

Fig.1EffectofCOGblendingcaloricvalueratioonexhausttemperatureoftheboiler

2.2 COG摻燒對鍋爐過熱蒸汽溫度的影響

圖2為COG摻燒熱值比對鍋爐過熱蒸汽溫度的影響。由圖2可看出，過熱蒸汽溫度隨著COG摻燒的增加而逐漸降低。當COG摻燒熱值比由9%增至36%時，過熱蒸汽溫度由440.5 ℃降至431 ℃。但隨著COG摻燒量的增加，過熱蒸汽溫度下降逐漸變緩，COG摻燒對過熱蒸汽溫度的影響程度也逐漸降低。這是由于COG摻燒時煙氣量減少，導致爐膛火焰中心下降，爐膛出口溫度降低，輻射傳熱量增加，對流換熱量減少，因而過熱蒸汽溫度降低[7]。

圖2 COG摻燒熱值比對鍋爐過熱蒸汽溫度的影響

Fig.2EffectofCOGblendingcaloricvalueratioonsuperheatedsteamtemperatureoftheboiler

2.3 COG摻燒對鍋爐飛灰含碳量的影響

圖3為COG摻燒熱值比對鍋爐飛灰含碳量的影響。由圖3可看出，由于鍋爐燃用煤粉質量較差，導致飛灰含碳量整體較高，而COG摻燒對飛灰含碳量的影響較明顯。當COG摻燒熱值比為9%時，飛灰含碳量為9.2%，隨著COG摻燒的。增加，飛灰含碳量迅速降低；當COG摻燒熱值比增至28.2%時，飛灰含碳量降至5.6%。隨著COG摻燒的進一步增加，煤粉燃燒比較充分，飛灰含碳量隨著COG摻燒的變化幅度逐漸減弱，其維持在較低的水平。這是由于COG摻燒整體上提高爐膛溫度，降低爐膛火焰中心高度，延長煤粉爐膛停留時間[7]，有利于煤粉的充分燃燒，從而使飛灰含碳量降低

圖3 COG摻燒熱值比對鍋爐飛灰含碳量的影響

Fig.3EffectofCOGblendingcaloricvalueratioonflyashcarboncontentoftheboiler

2.4 COG摻燒對鍋爐熱效率的影響

圖4為COG摻燒熱值比對鍋爐熱效率的影響。由圖4可看出，鍋爐熱效率隨著COG摻燒熱值比的增加而逐漸提高。當COG摻燒熱值比為9%時，鍋爐整體熱效率僅為78.8%；而當COG摻燒熱值比升至32.8%時，鍋爐熱效率達到85.4%。隨著COG摻燒量增加，鍋爐熱效率提高幅度逐漸降低。

圖4 COG摻燒熱值比對鍋爐熱效率的影響

Fig.4EffectofCOGblendingcaloricvalueratioonthermalefficiencyoftheboiler

COG摻燒結果表明，COG的摻燒有利于鍋爐排煙溫度、飛灰含碳量、過熱蒸汽溫度的降低以及鍋爐熱效率的提高，且維持較高的COG摻燒熱值比，有利于鍋爐的運行及熱效率的提高。但從煤氣平衡的角度考慮，混燒鍋爐大量摻燒COG，不利于鋼廠的煤氣平衡，且當COG摻燒熱值比超過32.8%后，其對鍋爐熱效率的提高不明顯，摻燒的經濟性逐漸降低。因此，為保證COG摻燒的經濟性，COG摻燒熱值比應控制在30%左右。

2.5 BFG、COG混合摻燒對鍋爐排煙溫度的影響

圖5為BFG、COG摻燒熱值比對鍋爐排煙溫度的影響。由圖5可看出，排煙溫度隨著COG摻燒量的增加而逐漸降低，但隨著BFG摻燒量的增加而逐漸升高。隨著BFG摻燒量的增加，排煙溫度升高幅度逐漸變大。在COG摻燒熱值比為10%條件下，BFG摻燒熱值比由15%增至45%時，排煙溫度由163.1 ℃升至192.3 ℃，上升了約29 ℃，且BFG摻燒熱值比超過40%后，排煙溫度超過184 ℃的設計值。隨著COG摻燒量的增加，排煙溫度整體下降，在COG摻燒熱值比為30%條件下，BFG摻燒熱值比由15%增至45%時，排煙溫度由157.6℃升至173.2 ℃，排煙溫度較COG摻燒熱值比為10%時有較大幅度的下降。隨著COG摻燒熱值比的進一步增加，排煙溫度進一步降低，但下降幅度逐漸減小，COG摻燒對排煙溫度的影響也逐漸減弱。這是由于BFG的摻燒雖然降低了爐膛的整體溫度，但由于BFG產生煙氣量大，煤粉在爐膛停留時間較短，爐膛火焰中心上移，導致排煙溫度上升[8-9]。

圖5 BFG、COG摻燒熱值比對鍋爐排煙溫度的影響

Fig.5Effectofgasblendingcaloricvalueratioonexhausttemperatureoftheboiler

2.6 BFG、COG混合摻燒對鍋爐飛灰含碳量的影響

圖6為BFG、COG摻燒熱值比對鍋爐飛灰含碳量的影響。由圖6可看出，在COG摻燒熱值比為10%條件下，BFG摻燒熱值比由15%增至45%時，飛灰含碳量由9.8%快速增至21.9%，且隨著BFG摻燒量的增加，飛灰含碳量增加越明顯。這是由于煤粉可燃性差，在低COG摻燒條件下，爐膛溫度低，BFG摻燒十分不利于煤粉的燃燼，飛灰含碳量較高[10]。但隨著COG摻燒量的增加，飛灰含碳量整體下降，COG摻燒熱值比為30%條件下，BFG摻燒熱值比從15%增至45%時，飛灰含碳量由7.1%增至13.9%，飛灰含碳量較COG摻燒熱值比為10%時下降較明顯。隨著COG摻燒量的進一步增加，飛灰含碳量繼續(xù)下降，但BFG摻燒量對飛灰含碳量的影響逐漸減弱。當COG摻燒熱值比超過30%且BFG摻燒熱值比低于35%時，飛灰含碳量基本上控制在10%以下。

圖6 BFG、COG摻燒熱值比對鍋爐飛灰含碳量的影響

Fig.6Effectofgasblendingcaloricvalueratioonflyashcarboncontentoftheboiler

2.7 BFG、COG混合摻燒對鍋爐過熱蒸汽溫度的影響

圖7為BFG、COG摻燒熱值比對鍋爐過熱蒸汽溫度的影響。由圖7可看出，過熱蒸汽溫度隨著BFG摻燒量的增加而逐漸上升，且變化越來越明顯，這是由于BFG摻燒導致爐膛火焰中心上移，煙道煙氣流速加快，對流換熱量增加，過熱蒸汽溫度明顯上升[11-12]。但隨著COG摻燒量的增加，過熱蒸汽溫度逐漸下降。在COG摻燒熱值比為10%的條件下，當BFG摻燒熱值比為15%時，過熱蒸汽溫度為424.2 ℃，而當BFG摻燒熱值比增至45%時，過熱蒸汽溫度升至443.9 ℃，上升近20 ℃。隨著COG摻燒量的增加，過熱蒸汽溫度整體逐漸下降，在COG摻燒熱值比為40%條件下，當BFG摻燒熱值比由15%增至45%時，過熱蒸汽溫度由418.7 ℃升至427.6 ℃，上升約9 ℃。過熱蒸汽溫度隨BFG摻燒量增加的變化幅度較COG摻燒熱值比為10%時減小，COG的摻燒削弱了BFG對過熱蒸汽溫度的影響。

圖7 BFG、COG摻燒熱值比對鍋爐過熱蒸汽溫度的影響

Fig.7Effectofgasblendingcaloricvalueratioonsuperheatedsteamtemperatureoftheboiler

2.8 BFG、COG混合摻燒對鍋爐熱效率的影響

圖8為BFG、COG摻燒熱值比對鍋爐熱效率的影響。由圖8可看出，鍋爐熱效率隨著BFG摻燒熱值比的增加而逐漸下降，且下降幅度逐漸增大，但隨COG摻燒熱值比的增加，鍋爐熱效率卻逐漸上升。在COG摻燒熱值比為10%條件下，當BFG摻燒熱值比為15%時，鍋爐熱效率為76.5%，而BFG摻燒熱值比為45%時，熱效率僅為66.3%，鍋爐熱效率隨著BFG摻燒熱值比的增加下降明顯。隨著COG摻燒熱值比的增加，在COG摻燒熱值比為30%條件下，當BFG摻燒熱值比為15%時，鍋爐熱效率為81.6%，而BFG摻燒熱值比為45%時，鍋爐熱效率為72.6%，鍋爐熱效率隨COG摻燒量增加而整體上升明顯。隨著COG摻燒量的進一步增加，鍋爐熱效率繼續(xù)上升，但上升幅度逐漸減弱，COG摻燒的經濟性卻降低。

圖8 BFG、COG摻燒熱值比對鍋爐熱效率的影響

Fig.8Effectofgasblendingcaloricvalueratioonthermalefficiencyoftheboiler

BFG、COG摻燒結果表明，BFG的摻燒十分不利于煤粉的燃燒以及鍋爐的運行，而通過調整COG、BFG摻燒，可以改善煤粉燃燒，優(yōu)化鍋爐運行狀況以及維持鋼廠的煤氣平衡。當COG摻燒熱值比為40%且BFG摻燒熱值比為30%時，鍋爐排煙溫度為161 ℃、飛灰含碳量為8.3%、過熱蒸汽溫度為421.9 ℃、鍋爐熱效率為80.9%。此時鍋爐運行穩(wěn)定，爐膛無滅火事故發(fā)生，煤氣摻燒率較設計值有大幅度提高，既實現了BFG的較大比例摻燒，又有利于生產過程的煤氣平衡以及鍋爐的安全運行。

3 結論

(1)COG的摻燒提高了爐膛火焰的穩(wěn)定性，減少滅火事故的發(fā)生，有利于煤粉的充分燃燒，降低了飛灰未燃物含量，鍋爐整體熱效率提高。但大比例摻燒COG時，其對鍋爐熱效率的提高不明顯，且不利于煤氣平衡，COG摻燒的經濟性不高。混燒鍋爐采用煤粉/COG方式運行時，COG摻燒熱值比應控制在30%左右。

(2)混燒鍋爐同時摻燒BFG、COG時，為保證煤粉的燃燒以及鍋爐熱效率，BFG熱值比不宜超過40%，且COG熱值比不宜低于30%。當BFG摻燒熱值比為30%且COG摻燒熱值比為40%時，飛灰含碳量為8.4%，排煙溫度為160.6 ℃，熱效率為80.9%，煤氣摻燒率較設計值有大幅度提高，既實現了BFG的較大比例摻燒，又解決了BFG大量過剩問題，具有較好的經濟性。

[1] 王春波，魏建國，黃江城. 300 MW高爐煤氣與煤粉混燃鍋爐熱力特性及經濟性分析[J]. 動力工程學報，2012，32(7)：517-522.

[2] 董謙之. 200 MW鍋爐煤/煤氣混燒試驗研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[3] 任建興，章德龍，周偉國，等. 低熱值高爐煤氣在發(fā)電設備中的應用[J]. 上海電力學院學報，2001，17(2)：1-4.

[4] H K Ma，F S Wu. Effect of BFG co-firing on unburned carbon formation in a coal-fired boiler[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 1992, 19(13):409-421.

[5] S S Hou, C H Chen, C Y Chang,et al. Firing blast furnace gas without support fuel in steel mill boilers[J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52: 2758-2767.

[6] 王海風，張春霞，胡長慶，等. 鋼鐵企業(yè)焦爐煤氣利用的一個重要發(fā)展方向[J]. 鋼鐵研究學報，2008，20(3)：1-5.

[7] 王文歡，潘衛(wèi)國，任建興，等. 350 MW煤/氣混燒電站鍋爐運行特性的試驗研究[J]. 上海電力學院學報，2006，22(3)：221-228.

[8] 劉定平，陳紅艷. 低熱值高爐煤氣與煤粉混燒技術的探討[J]. 鍋爐技術，2003，34(6)：44-48.

[9] 韓光磊. 摻燒高爐煤氣的300 MW發(fā)電機組燃煤鍋爐特點及其節(jié)能效果[J]. 能源技術，2010，31(5)：299-302.

[10]湛志鋼，陳剛. 煤粉鍋爐摻燒高爐煤氣對煤粉燃燼影響的研究[J]. 動力工程，2004，24(2)：179-182.

[11]趙林鳳，王文歡，宗仰煒，等. 煤/氣混燒電站鍋爐對流受熱面?zhèn)鳠崽匦缘难芯縖J]. 上海電力學院學報，2007，23(4)：341-344.

[12]方立軍，武 生，胡月龍，等. 摻燒高爐煤氣對鍋爐傳熱特性影響的研究[J]. 華北電力大學學報，2013，40(1)：66-70.