300MW高炉煤气与煤粉混燃锅炉热力特性及经济性分析

王春波，魏建国，黄江城

（1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，保定071003；2.山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）

高炉煤气是钢铁工业的副产煤气，产量巨大，但 是由于高炉煤气中可燃成分少、热值低，其有效利用一直存在问题.高炉煤气和煤粉在炉内掺烧是一种有效利用的途径［1-3］，但高炉煤气与煤粉混燃与纯煤粉燃烧存在很大差异，如烟气生成量、辐射和对流传热特性不同等［4-5］.笔者对某钢厂300 MW 机组高炉煤气与煤粉混燃锅炉进行热力计算，研究其受热面的传热特性，为锅炉运行提供指导，并对该锅炉机组进行经济性分析，探讨掺烧高炉煤气的最佳经济效益.

1 研究对象

该锅炉为亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉，采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、露天布置和全钢构架.锅炉深12.468 m，宽14.048m，高58.9m.设计燃料为烟煤，具有同时掺烧0%～30%（热量百分比，设计掺烧比例为20%）高炉煤气及0～35 000m3／h焦炉煤气的能力.当该机组电负荷为320 MW（BMCR 工况）时，锅炉的最大连续蒸发量为1 025t／h；机组电负荷为300 MW（TRL工况）时，锅炉的额定蒸发量为960t／h.锅炉共布置7层燃烧器，其中上5层为煤粉喷口，下2层为高炉煤气喷口.采用水平浓淡煤粉燃烧器（具有较高的燃尽度）、燃烧器分级布置等措施能保证燃用设计煤种及掺烧高炉煤气时及时着火和充分燃尽.

汽温调节方式不仅需要考虑完全燃用设计煤种的工况，还需要重点兼顾掺烧高炉煤气的工况.过热器汽温调节采用三级五点喷水.再热器的调温主要靠燃烧器的摆动，并设有二级喷水减温器.在完全燃用设计煤种时，喷水减温器只作为事故喷水减温器；在掺烧高炉煤气时，喷水减温器参与调节再热蒸汽温度.

各受热面布置见图1.

图1 受热面布置图Fig.1 Arrangement of heat surfaces

2 燃料特性分析

燃用煤种的元素分析和工业分析见表1，高炉煤气成分分析见表2.

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

表2 高炉煤气成分分析Tab.2 Composition analysis of the BFG

煤粉燃烧的理论空气量：

式中：V0coal为煤粉燃烧的理论空气量，m3／kg；w（Car）、w（Har）、w（Oar）和w（Sar）分别为煤中碳、氢、氧和硫元素的质量分数。

煤粉燃烧的理论烟气量：

高炉煤气燃烧的理论空气量：

式中：V0BGF为高炉煤气燃烧所需理论空气量，m3／m3.

高炉煤气燃烧产生的理论烟气量：

式中：为高炉煤气燃烧产生的理论烟气量，m3／kg；ρBFG为高炉煤气的密度，kg／m3.

煤粉燃烧的理论空气量和理论烟气量根据元素分析数据计算，高炉煤气燃烧的理论空气量和理论烟气量根据气体成分体积分数数据计算［6］.由式（1）～式（4）可计算得：高炉煤气燃烧的理论空气量为0.52 m3／kg，理论烟气量为1.268m3／kg；而煤粉燃烧的理论空气量为6.238 m3／kg，理论烟气量为6.812 m3／kg.可见，高炉煤气燃烧的理论空气量和理论烟气量都比煤粉的小.

以混合燃料计算，x表示混合燃料中高炉煤气的热量掺烧比，则混合燃料的理论烟气量为：

式中：V0y为混合燃料燃烧的理论烟气量，m3／kg；和分别表示混合燃料中煤粉和高炉煤气的质量分数.

高炉煤气热量掺烧比和发热量的关系曲线示于图2.

图2 高炉煤气热量掺烧比对混合燃料发热量的影响Fig.2 The effect of BFG blending ratio on heat value of the fuel mixture

随高炉煤气热量掺烧比的增大，每千克混合燃料产生的烟气量是减小的，发热量也是减小的.但是掺烧高炉煤气后，因燃料的发热量减小，获取相同热量所需的总燃料量增加，最终产生的总烟气量增加.当以每千克煤的发热量计算时，混合燃料产生的烟气量为

式中：V为按每千克煤的发热量计算所得混合燃料产生的理论烟气量，m3／kg.

理论总烟气量随掺烧比变化的曲线见图3.由图3的拟合直线可知，当热量掺烧比为0时，理论烟气量即为煤粉燃烧的理论烟气量6.812 m3／kg；当热量掺烧比为100%时，理论烟气量为13.421m3，也就是纯燃烧高炉煤气产生1kg煤的热量时产生的理论烟气量，是纯煤粉燃烧的1.97倍.

图3 高炉煤气热量掺烧比对烟气量的影响Fig.3 The effect of BFG blending ratio on flue gas volume

3 热力特性分析

高炉煤气的发热量只有3.066 MJ／m3，不到煤粉发热量（24.040 MJ／kg）的1／8，高炉煤气经过预热之后的理论燃烧温度也只有1 300～1 450 ℃［7］.较低的理论燃烧温度使炉内温度水平降低，煤粉的着火和燃尽变得困难，这也就限制了高炉煤气热量掺烧比不能过大.参考了文献［8］～文献［10］对4种掺烧比0%（即纯燃煤）、10%、20%和30%进行计算.

火焰的辐射力主要取决于炉内温度水平，所以炉内辐射吸热能力的大小取决于理论燃烧温度.理论燃烧温度和炉内辐射吸热功率随高炉煤气热量掺烧比的变化见图4.

图4 理论燃烧温度和炉内辐射吸热功率随高炉煤气热量掺烧比的变化Fig.4 Curves of theoretic combustion temperature and radiation heat varying with BFG blending ratio

计算得到纯燃煤的理论燃烧温度高达2 005℃，而纯燃高炉煤气的理论燃烧温度只有1 126 ℃.掺烧高炉煤气后理论燃烧温度显著降低，且随高炉煤气热量掺烧比的增大而降低，高炉煤气热量掺烧比为30%的理论燃烧温度只有1 635 ℃.理论燃烧温度的降低直接导致炉内辐射吸热量减少，从而影响对流受热面的吸热情况［11］.

图5给出了辐射和半辐射式受热面吸热功率随高炉煤气热量掺烧比的变化.

图5 辐射和半辐射式受热面吸热功率随高炉煤气热量掺烧比的变化Fig.5 Curves of heat absorption by radiation and semi-radiation heat surface varying with BFG blending ratio

高炉煤气热量掺烧比增大，炉内温度下降，辐射吸热量减少，对流吸热量增大.前屏（分隔屏）过热器为辐射式过热器，辐射吸热量随高炉煤气热量掺烧比的增大而减小.后屏过热器辐射吸热量的减少量与对流吸热量的增加量大致相等，其总的吸热量随高炉煤气热量掺烧比没有发生明显变化.布置在后屏过热器之后的屏式再热器，其对流吸热量的增加量超过辐射吸热量的减少量，因此屏式过热器的总吸热量随高炉煤气热量掺烧比增大而增加.

屏式再热器之后的受热面都呈现出对流受热面的特性（见图6），高炉煤气热量掺烧比增大，受热面的吸热功率增加.

图6 其他受热面吸热功率随高炉煤气热量掺烧比的变化Fig.6 Curves of heat absorption by other heat surfaces varying with BFG blending ratio

图7给出了不同高炉煤气热量掺烧比下的排烟温度和锅炉效率.由图7可知，掺烧高炉煤气后，炉内温度降低，产生的烟气量增加，辐射吸热量减少，对流吸热量增加.但炉膛出口烟温随高炉煤气热量掺烧比的增大而升高，这就有可能导致过热器和再热器超温.最终，随高炉煤气热量掺烧比的增大，排烟温度呈升高趋势.图中的3个散点分别为纯燃煤、高炉煤气热量掺烧比为20%和30%时的原设计排烟温度值.由于排烟损失的增大，锅炉效率降低.当高炉煤气热量掺烧比为30%时，排烟温度高达180℃，锅炉效率降至86.45%，比纯燃煤锅炉效率91.72%下降了5.27%.

图7 排烟温度与锅炉效率随高炉煤气热量掺烧比的变化Fig.7 Curves of exhaust gas temperature and boiler efficiency varying with BFG blending ratio

4 混燃时锅炉经济性分析

高炉煤气／煤粉混燃与纯燃煤相比，在燃煤量、空气量以及产生的烟气量上有较大不同，由此对全厂经济性产生一系列影响.厂用电量的变化主要体现在磨煤机、一次风机、引风机和脱硫设备的耗电上.煤耗减少，磨煤机电耗减少，一次风机电耗也随之减少.但是掺烧高炉煤气后产生的烟气量增加，引风机电耗和脱硫设备电耗明显增加.参考了文献［12］，结合该锅炉机组的实际运行数据，综合计算各项设备用电，厂用电率随高炉煤气热量掺烧比的增大略有升高.计算得到厂用电率见表3.

表4给出了x为0%、10%、20%和30%时的煤耗和发电燃煤成本.从表4可以看出，随高炉煤气热量掺烧比增大，发电煤耗减少，发电燃煤成本降低.其中，高炉煤气热量掺烧比为30%时的发电煤耗比纯燃煤减少78g／（kW·h），发电燃煤成本只有纯燃煤情况下的74.4%.

评价经济性的一个关键指标是发电成本［13-17］.将发电成本按费用的性质划分为变动成本与固定成本.变动成本包括燃料费、购入电力费及水费；固定成本包括折旧费、工资及福利费、修理费、材料费和其他费用.发电成本的计算参考了文献［18］和文献［19］，将各项费用折算成单位电量下的成本费，结果见表5.

图8为不计入高炉煤气的发电成本和计入高炉煤气的发电成本的柱状图.不计入高炉煤气的发电成本随高炉煤气热量掺烧比的增大而明显降低，热量掺烧比为10%、20%和30%时的发电成本比纯燃煤的发电成本分别降低0.022 3 元／（kW·h）、0.040 8元／（kW·h）和0.058 5元／（kW·h）.

表3 厂用电率的计算Tab.3 Calculation results of house power consumption rate

表4 煤耗和发电燃煤成本Tab.4 Coal consumption and cost for power generation

图8 不同掺烧比下的发电成本Fig.8 Power generating cost at different BFG blending ratios

表5 发电成本计算结果Tab.5 Calculation results of power generating cost元／（kW·h）

当以0.049 6元／m3计入高炉煤气的成本时，由于锅炉效率降低，总的燃料消耗量有所增加，燃料总成本相对增加，发电成本随着热量掺烧比的增大仍然呈下降趋势，但已不明显.

5 结 论

（1）高炉煤气与煤粉混燃比纯燃煤时的理论燃烧温度低，产生的烟气量增加.

（2）高炉煤气与煤粉混燃引起炉内温度水平降低，而炉膛出口及其后的烟温随高炉煤气热量掺烧比的增大而升高，辐射吸热量减少，对流吸热量增加.掺烧高炉煤气后排烟温度升高，锅炉效率降低.

（3）随高炉煤气热量掺烧比的增大，混燃锅炉机组厂用电率略有增加，发电煤耗降低，有效地利用了低热值的燃料，节省了燃煤，使发电燃煤成本降低，最终的发电成本降低.从利用高炉煤气的角度考虑，产生的经济效益是非常巨大的.

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