基于提高煤粉煤氣混燒鍋爐經(jīng)濟(jì)性運行方法研究

高 磊，陳偉鵬

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古特種設(shè)備檢驗院包頭分院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 設(shè)備概況

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、焦?fàn)t煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣等副產(chǎn)煤氣總熱值約相當(dāng)于鋼鐵工業(yè)總能耗量的25%，其中我國又以高爐煤氣產(chǎn)量最多，其年發(fā)生量高達(dá)3×1012m3。因此利用好副產(chǎn)煤氣，尤其是產(chǎn)量最大的高爐煤氣，這對鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗有著重要的意義[1-2]。目前，通過煤氣、煤粉混燒鍋爐燃燒發(fā)電是我國鋼鐵企業(yè)利用副產(chǎn)煤氣，提高經(jīng)濟(jì)性的主要途徑之一[3-4]，包鋼熱電廠現(xiàn)有10臺鍋爐，其中1號、2號、3號鍋爐為煤粉、煤氣混燒鍋爐，在高爐檢修、停運、煤氣量大量不足時承擔(dān)著重要的供熱、發(fā)電、供風(fēng)任務(wù)，是重要的生產(chǎn)設(shè)備，而研究煤粉、煤氣混燒鍋爐的經(jīng)濟(jì)性，在當(dāng)前鋼鐵行業(yè)顯得尤為重要。

2015年，我國提出了史上最為嚴(yán)格的“環(huán)保法”，對于燃煤鍋爐來說，其主要污染物為粉塵、二氧化硫及氮氧化物，其中粉塵、二氧化硫的排放量主要受煤質(zhì)影響，隨著電廠煤質(zhì)逐步趨于穩(wěn)定，并于2011年新增設(shè)布袋除塵、石灰石-石膏濕法脫硫工藝設(shè)備，粉塵及二氧化硫排放量已達(dá)到國家環(huán)保要求，運營成本已趨于穩(wěn)定[5-6]；而氮氧化物的生成受到溫度、氧量、停留時間及燃料氮氧化物含量等因素影響，不同工況、不同操作方法，會對氮氧化物的生成產(chǎn)生極大差異，1號鍋爐采用的是“低氮燃燒器+SNCR”工藝，主要成本體現(xiàn)在吸收劑，即尿素的消耗量上，分析煤氣摻燒對煤粉燃燒產(chǎn)生氮氧化物的影響，編制一套合理、科學(xué)、節(jié)約的操作方法，對降低環(huán)保成本極為重要[7-8]。

2 原有煤粉、煤氣混燒鍋爐運行調(diào)整方法

運行方法為70～130 t/h負(fù)荷時，煤粉火咀投入量及給粉機(jī)轉(zhuǎn)速無要求，高焦?fàn)t煤氣投入量隨意調(diào)整。高焦?fàn)t煤氣投入量無明確要求，從成本角度，煤粉制備成本高于煤氣成本，影響鍋爐運行經(jīng)濟(jì)性；原有操作法未考慮以下問題：煤粉消耗量對成本的影響；未考慮煤氣煤粉不同摻燒量對成本的影響；未考慮運行過程中煤氣對脫硝成本的影響。

3 試驗方法與分析過程

3.1 煤粉燃燒試驗

試驗?zāi)康模捍_定煤粉燃燒量，規(guī)范煤粉燃燒調(diào)整方法。

試驗方法：控制鍋爐氧量在5%～8%，爐膛負(fù)壓在-50～-100 Pa,分負(fù)荷段調(diào)整上下2層共8臺給粉機(jī)轉(zhuǎn)速，隔絕高焦?fàn)t煤氣，根據(jù)四角均勻配粉原則，盡量調(diào)至給粉機(jī)最低轉(zhuǎn)速可得出以下結(jié)論。

1號鍋爐在70 t/h負(fù)荷時上下2層給粉機(jī)最低轉(zhuǎn)速控制在450 r/min；80 t/h負(fù)荷時上層給粉機(jī)最低轉(zhuǎn)速控制在500 r/min，下層給粉機(jī)最低轉(zhuǎn)速控制在500 r/min；90 t/h負(fù)荷時上下2層給粉機(jī)最低轉(zhuǎn)速控制在550 r/min，100 t/h負(fù)荷時上下2層給粉機(jī)最低轉(zhuǎn)速控制在600 r/min，110 t/h負(fù)荷時上下2層給粉機(jī)最低轉(zhuǎn)速控制在650 r/min，120 t/h負(fù)荷時上下2層給粉機(jī)最低轉(zhuǎn)速控制在700 r/min，130 t/h負(fù)荷時上下2層給粉機(jī)最低轉(zhuǎn)速控制在900 r/min。

給粉機(jī)0.5 t/min下70～130 t/h負(fù)荷段鍋爐換熱效率見表1，隨鍋爐負(fù)荷上升，鍋爐換熱效率增加，當(dāng)負(fù)荷在120 t/h時，換熱效率達(dá)到最大，而如果繼續(xù)提升鍋爐負(fù)荷，效率顯著下降。

表1 給粉機(jī)0.5 t/min下70～130 t/h負(fù)荷段鍋爐換熱效率

3.2 高煤不同比例混合燃燒試驗

試驗?zāi)康模捍_定高煤對鍋爐各主要參數(shù)影響程度，規(guī)范高煤混燒調(diào)整方法。

試驗方法：在不同負(fù)荷段調(diào)整給粉機(jī)轉(zhuǎn)速至結(jié)論值，分別投入高焦?fàn)t煤氣，控制氧量在5%～8%，爐膛負(fù)壓在-50～-100 Pa，盡量調(diào)至給粉機(jī)最低轉(zhuǎn)速可得出如下結(jié)論。

a.焦?fàn)t煤氣由于熱值較高，投入時對給粉機(jī)轉(zhuǎn)速影響較大，投入1000 m3/h時，對給粉機(jī)轉(zhuǎn)速影響在25 r/min左右，投入2000 m3/h時，對給粉機(jī)轉(zhuǎn)速影響在55 r/min左右。

b.高爐煤氣由于熱值較低，投入時對給粉機(jī)轉(zhuǎn)速影響較小，投入2000 m3/h時，對給粉機(jī)轉(zhuǎn)速影響在12 r/min左右；投入4000 m3/h時，對給粉機(jī)轉(zhuǎn)速影響在22 r/min左右；投入6000 m3/h時，對給粉機(jī)轉(zhuǎn)速影響在35 r/min左右，投入8000 m3/h時，對給粉機(jī)轉(zhuǎn)速影響在44 r/min左右；投入10 000 m3/h時，對給粉機(jī)轉(zhuǎn)速影響在56 r/min左右，投入12 000 m3/h時，對給粉機(jī)轉(zhuǎn)速影響在68 r/min左右。

c.高焦?fàn)t煤氣摻燒對鍋爐換熱效率的影響是：隨焦煤量增加，排煙溫度降低，鍋爐熱效率增加；隨高煤量增加，排煙溫度升高，鍋爐熱效率降低。

d.由于風(fēng)機(jī)最大出力在320 000 m3/h，純高煤摻燒工況，當(dāng)負(fù)荷提升至110 t/h時，高煤摻燒量至最大12 000 m3/h，隨負(fù)荷升高，由于吸風(fēng)機(jī)出力限制，高煤摻燒量逐漸減小，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到130 t/h時，高煤摻燒量只能達(dá)到2500 m3/h，如投入焦煤，可小幅度提升高煤摻燒量，負(fù)荷提升至115 t/h時，高煤摻燒量至最大12 000 m3/h，隨負(fù)荷升高，由于吸風(fēng)機(jī)出力限制，高煤摻燒量逐漸減小，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到130 t/h時，高煤摻燒量只能達(dá)到6500 m3/h。

3.3 脫硝系統(tǒng)影響試驗

試驗?zāi)康模捍_定高煤摻燒對NOx生成的影響，從成本角度改進(jìn)高煤調(diào)整方法。

試驗方法：由于已知高煤對NOx的生產(chǎn)有抑制效果，在鍋爐不同負(fù)荷段，調(diào)整煤粉、高煤、焦煤摻燒量，控制氧量5%～8%，爐膛負(fù)壓-50～-100 Pa,收集脫硫后NOx折算值、二次風(fēng)門開度、尿素流量、燃盡風(fēng)門開度、排煙溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析。

脫硝系統(tǒng)影響試驗見表2，由表2可得出如下結(jié)論。

表2 脫硝系統(tǒng)影響試驗

a.隨著負(fù)荷降低，NO濃度呈下降趨勢。主要原因為隨著負(fù)荷降低，燃料量有所減少，燃料型NO排放減少，同時爐內(nèi)溫度有所降低，熱力型NO降低，所以總的氮氧化物減少，進(jìn)而表現(xiàn)為NO濃度分布的下降。

b.高爐煤氣對NOx的影響較大，由于高爐煤氣中的惰性氣體在爐內(nèi)大量吸收燃燒熱量，使?fàn)t內(nèi)燃燒產(chǎn)物的溫度水平降低，抑制熱力型NOx的生成；同時由于摻燒高爐煤氣，減少了煤粉中原料型NOx的生產(chǎn)，其中投入2000 m3/h高煤減少尿素流量0.02 m3/h, 投入4000 m3/h高煤減少尿素流量0.04 m3/h,投入6000 m3/h高煤減少尿素流量0.05 m3/h, 投入8000 m3/h高煤減少尿素流量0.07 m3/h,投入10 000 m3/h高煤減少尿素流量0.1 m3/h,投入12 000 m3/h高煤減少尿素流量0.12 m3/h。

c.高爐煤氣投入對排煙溫度影響較小，雖然摻燒高爐煤氣會使火焰中心上移，爐膛輻射吸熱量減少，爐膛出口煙溫升高，但由于1號鍋爐高煤摻燒量較小，對排煙溫度影響在5 ℃以內(nèi)。

4 優(yōu)化措施

通過前期試驗可對現(xiàn)有煤粉、煤氣混燒鍋爐運行調(diào)整方法進(jìn)行成本核算。

核算方法：成本=耗煤量×煤價+煤氣耗量×煤氣熱值×煤氣價格+制粉系統(tǒng)電耗+風(fēng)煙系統(tǒng)電耗。其中：耗煤量=給粉機(jī)轉(zhuǎn)速/額定轉(zhuǎn)速×給粉機(jī)額定供煤量；煤價通過進(jìn)煤獲得；煤氣熱值通過化驗獲得(包括高煤、焦煤)；制粉系統(tǒng)電耗=排粉機(jī)電耗+磨煤機(jī)電耗；風(fēng)煙系統(tǒng)電耗=吸風(fēng)機(jī)電耗+送風(fēng)機(jī)電耗。

最優(yōu)煤氣摻燒比例見表3，可得出各負(fù)荷段的以下運行操作方式。

表3 最優(yōu)煤氣摻燒比例

a.80 t/h負(fù)荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機(jī)轉(zhuǎn)速380 r/min，焦?fàn)t煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入4000 m3/h。

b.90 t/h負(fù)荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機(jī)轉(zhuǎn)速430 r/min，焦?fàn)t煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入5000 m3/h。

c.100 t/h負(fù)荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機(jī)轉(zhuǎn)速480 r/min，焦?fàn)t煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入6000 m3/h。

d.110 t/h負(fù)荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機(jī)轉(zhuǎn)速530 r/min，焦?fàn)t煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入7000 m3/h。

e.120 t/h負(fù)荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機(jī)轉(zhuǎn)速590 r/min，焦?fàn)t煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入8000 m3/h。

f.130 t/h負(fù)荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機(jī)轉(zhuǎn)速810 r/min，焦?fàn)t煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入7000 m3/h。

5 經(jīng)濟(jì)效益與推廣應(yīng)用

以1號鍋爐為例，2015年全年運行5000 h計算，平均負(fù)荷按100 t/h，按原有運行方式(12 000 m3/h高煤，2000 m3/h焦煤)，煤氣價格按14元/GJ，焦煤熱值按16 000 kJ/Nm3，高煤熱值按3600 kJ/Nm3,燃煤量為21.975 t/h，煤價按305元/t，生產(chǎn)成本為7789元/h，全年運行成本為3894.5萬元。

調(diào)整煤氣摻燒量后(6000 m3/h高煤，2000 m3/h焦煤)，燃煤量為22.8 t/h，生產(chǎn)成本為7735元/h,全年運行成本為3867.5萬元。單臺煤粉爐每年可節(jié)約27萬元，而減少的6000 m3/h高煤可用于煤氣爐生產(chǎn)，以現(xiàn)有運行方式，結(jié)余煤氣可用于5號、6號煤氣爐生產(chǎn)，每h可生產(chǎn)6 t中壓蒸汽，按全年運行5000 h計算，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益278.4萬元。全年累計經(jīng)濟(jì)效益為305.4萬元。

該運行方法已在動供總廠1號鍋爐正式運行，目前運行良好，下一步將對2號、3號鍋爐運用同樣方法進(jìn)行應(yīng)用并指導(dǎo)運行，同時該運行方法也可應(yīng)用于同類型煤粉煤氣鍋爐，作為提升效率的理論依據(jù)，具有一定的應(yīng)用推廣價值。