掺烧煤气协同分级配风对锅炉热量分配的影响

梁占伟， 陈鸿伟， 赵争辉， 张梅有

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定 071003；2.国网宁夏电力公司，银川 750001)

目前，煤炭紧缺以及煤炭燃烧发电带来的环境污染备受关注，煤粉与天然气[1]、生物质、低阶煤气化气体[2-3]及工业副产品气体[4-5]混燃发电是一种既能减少煤炭消耗又能降低污染物排放的可行性技术，尤其是煤粉与工业副产品气体混燃还能减少低品位可燃气体能源的放散。煤粉与气体燃料混燃(以下简称煤/气混燃)所呈现的燃烧特性必然会影响锅炉辐射换热量与对流换热量的分配份额，进而对锅炉主蒸汽温度和再热蒸汽温度产生影响。同时，为了控制NOx排放浓度[6-7]，现役燃煤锅炉机组所采用的分级配风燃烧技术对其热量分配也会产生较大影响。因此，研究煤/气混燃和分级配风燃烧对锅炉热量分配的影响十分重要。

国内外学者主要是对纯燃煤锅炉热量分配和蒸汽温度特性进行研究。肖琨等[8-9]研究了低氮改造对纯燃煤锅炉蒸汽温度的影响，表明分级配风燃烧通过改变炉膛火焰中心高度来影响主蒸汽温度和再热蒸汽温度。靳允立[10]分析了纯燃煤锅炉低NOx技术对热量分配的影响，发现增加分离燃尽风(SOFA)后引起热量分配向水冷壁区迁移，使得主蒸汽温度和再热蒸汽温度偏低。Park等[11]采用CFD模拟四角切圆纯燃煤锅炉存在的主蒸汽温度偏差现象，结果表明调整燃尽风摆角可以将主蒸汽温度偏差从27 K降到9 K.Kuang等[12]基于W型火焰纯燃煤锅炉研究了二次风摆角对蒸汽温度的影响，表明降低二次风摆角不仅未改善主蒸汽温度和再热蒸汽温度低的状况，还导致燃烧恶化。由以上研究成果可以发现，配风方式对锅炉热量分配与蒸汽温度具有较大的影响，尤其是经低氮改造后分级配风对纯燃煤锅炉热量分配和蒸汽温度的影响越来越受到相关学者的重视。然而，针对采用分级配风燃烧方式的煤/气混燃锅炉热量分配的研究未见报道。

煤/气混燃决定了其燃烧器布置及分级配风方式不同于纯燃煤锅炉。因此，研究不同的煤气热量掺烧比和分级配风对锅炉热量分配的影响具有重要意义。笔者以某厂的煤粉掺烧高炉煤气和焦炉煤气锅炉为对象，通过实验研究了高炉煤气和焦炉煤气热量掺烧比协同分级配风对锅炉主蒸汽、再热蒸汽吸热量的影响，为煤/气混燃锅炉蒸汽温度调整提供参考。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

实验对象为某300 MW煤粉掺烧高炉煤气和焦炉煤气四角切圆燃烧锅炉。煤质分析和煤气成分如表1所示，高炉煤气的主要可燃成分为CO和少量的H2与CH4，焦炉煤气的主要可燃成分为H2和CH4以及少量的CO和CmHn。

表1 煤质分析和煤气成分

主蒸汽、再热蒸汽流程及燃烧器布置方式如图1所示，该机组的主蒸汽受热面之间布置三级喷水减温控制主蒸汽温度，再热蒸汽受热面之间布置二级喷水减温作为辅助的再热蒸汽温度控制手段，防止再热蒸汽受热面超温。如图1(b)所示，一次风沿线1的方向喷入炉膛形成逆时针的切圆，二次风AA、CC、DD、EE及SOFA与一次风的喷入方向相同，二次风AB、BC和DE沿线2的方向喷入炉膛进行混燃。由图1(c)可见，燃烧器由下至上分别为2个高炉煤气喷嘴组(A-GAA和B-GAA)，5个煤粉喷嘴(从A-COAL到E-COAL)，15个二次风喷口(除GA、AA、AB、BC、CC、DD、DE及EE外，还包括7个位于高炉煤气喷嘴和煤粉喷嘴周围的周界风喷口：GAA、GBB、AS、BS、CS、DS及ES)，4个SOFA喷口(从SOFA1到SOFA4)，4个焦炉煤气喷口(布置在二次风喷口GA、AB、BC及DE中心位置)。

图1 煤/气混燃锅炉燃烧器及蒸汽流程图

Fig.1 Burner arrangement and steam flow diagram of a co-firing boiler

1.2 实验方法

实验期间机组负荷稳定在300 MW，且煤粉、焦炉煤气及高炉煤气的总输入热量不变，通过机组分布式控制系统(DCS)系统采集主蒸汽温度、再热蒸汽温度、减温水量、蒸汽流量和压力等参数。另外，实验期间保持燃烧器摆角不变，以消除其对主蒸汽温度和再热蒸汽温度的影响。参数采集的时间间隔为5 s，取各参数连续10个数据平均值作为实验结果。

为了比较不同实验工况对热量分配的影响，定义焓增率ηH为实验工况相对于纯燃煤工况的蒸汽或减温水的焓增百分数。其定义式为：

(1)

主蒸汽或再热蒸汽的焓增为：

ΔHk,v=(hso-hsi)·(qm,r-qm,a)，k=1,2

(2)

减温水的焓增为：

ΔHk,w=(hso-hai)·qm,a，k=1,2

(3)

主蒸汽或再热蒸汽和减温水的总焓增为：

(4)

式中：ΔH1为实验工况主蒸汽、再热蒸汽或减温水的焓增，kJ/h；ΔH2为纯燃煤工况主蒸汽、再热蒸汽或减温水的焓增，kJ/h；ΔHk为纯燃煤工况或实验工况主蒸汽、再热蒸汽或减温水的焓增，kJ/h，k=1表示纯燃煤工况，k=2表示实验工况；hso为末级过热器、再热器出口蒸汽焓值，kJ/kg；hsi为低温过热器或低温再热器入口蒸汽焓值，kJ/kg；qm,r为末级过热器、再热器出口蒸汽质量流量，kg/h；qm,a为主蒸汽、再热蒸汽或减温水质量流量，kg/h；hai为主蒸汽、再热蒸汽或减温水入口焓值，kJ/kg。

2 结果与分析

2.1 掺烧煤气对热量分配的影响

2.1.1 掺烧焦炉煤气对热量分配的影响

图2给出了焦炉煤气热量掺烧比对主蒸汽、再热蒸汽吸热量的影响，该实验工况中高炉煤气热量掺烧比保持在0%不变，焦炉煤气的热量掺烧比分别为0%、5.5%和11.5%。由图2(a)可以看出，随着焦炉煤气热量掺烧比的增加，主蒸汽焓增率略微有所升高，说明主蒸汽吸热量略微增加。但主减温水焓增率随着焦炉煤气热量掺烧比的增加而大幅降低，说明主蒸汽减温水喷水量大幅减少。随着焦炉煤气热量掺烧比的增加，总焓增率降低，表明各级主蒸汽受热面的总吸热量相对减少。而再热蒸汽焓增率、再热减温水焓增率及总焓增率均随着焦炉煤气热量掺烧比的增加而降低，表明各级再热器的总吸热量相对减少。因此，掺烧焦炉煤气会使各级主蒸汽、再热蒸汽受热面的总吸热量均相对减少。这主要是因为增加焦炉煤气热量掺烧比会强化煤粉的燃烧，有利于煤粉的着火和燃尽，使火焰中心下移，提高炉膛温度，增强炉膛内的辐射换热。同时，逐渐增加焦炉煤气的热量掺烧比会使烟气量不断减少。因此，掺烧焦炉煤气会使辐射换热量与对流换热量分配发生变化，辐射换热量增加，对流换热量减少。对于主蒸汽在炉膛内的辐射受热面(分隔屏过热器和后屏过热器)，辐射换热量增加，而在水平烟道和尾部烟道内的对流受热面(低温过热器和末级过热器)，对流换热量却减少，辐射换热量的增加未能抵消对流换热量的减少，导致各级主蒸汽受热面的总吸热量减少。而再热蒸汽温度主要受到烟气对流换热的影响，所以再热蒸汽各级受热面的总吸热量随着焦炉煤气热量掺烧比的增加而减少。

(a)掺烧焦炉煤气对主蒸汽吸热量的影响

(b)掺烧焦炉煤气对再热蒸汽吸热量的影响

2.1.2 掺烧高炉煤气对热量分配的影响

图3给出了高炉煤气热量掺烧比对主蒸汽、再热蒸汽吸热量的影响，该实验工况中焦炉煤气热量掺烧比保持在7%不变，高炉煤气热量掺烧比从6.7%增加到11.2%。由图3可知，主蒸汽、再热蒸汽焓增率基本维持不变，但随着高炉煤气热量掺烧比的增加，主减温水焓增率和总焓增率降低，而再热减温水焓增率和总焓增率却升高。不断增加高炉煤气热量掺烧比会使炉膛温度逐渐降低，烟气量增加，从而造成炉膛内辐射换热量减少，烟道内的对流换热量增加。由于主蒸汽各级受热面总吸热量同时受到辐射换热量和对流换热量的影响，所以主蒸汽总焓增率虽有所降低，但降低幅度较小。而以对流换热为主的再热减温水焓增率和总焓增率均大幅上升。

(a)掺烧高炉煤气对主蒸汽吸热量的影响

(b)掺烧高炉煤气对再热蒸汽吸热量的影响

2.1.3 掺烧焦炉煤气与高炉煤气对热量分配的影响

图4为焦炉煤气和高炉煤气的热量掺烧比均为7%、12.4%和18.5%时热量分配的变化。对比图4(a)和图4(b)可知，随着焦炉煤气和高炉煤气热量掺烧比的增加，主蒸汽焓增率、再热蒸汽焓增率都有所降低，且降低幅度基本相同；但是主减温水焓增率、再热减温水焓增率及总焓增率均升高，且升高幅度相差较大。随着焦炉煤气和高炉煤气热量掺烧比的增加，主减温水焓增率升高幅度为158.44%，主蒸汽总焓增率升高幅度为11.71%，再热减温水焓增率升高幅度为616.81%，再热蒸汽总焓增率升高幅度为18.69%。

(a)掺烧焦炉煤气和高炉煤气对主蒸汽吸热量的影响

(b)掺烧焦炉煤气和高炉煤气对再热蒸汽吸热量的影响

Fig.4 Effect of co-firing coke oven gas and blast furnace gas on heat distribution

随着焦炉煤气和高炉煤气热量掺烧比的增加，炉膛温度逐渐降低，煤粉着火及燃尽推迟，火焰中心上移，炉膛出口烟气温度升高；另外，烟气量的增加使烟气流速加快，煤粉在炉膛内的停留时间缩短导致煤粉燃尽困难；最终使烟气在炉膛内的辐射换热量相对减少，炉膛出口后烟道内的对流换热量增加。主蒸汽在对流受热面中吸热量的增加大于在辐射受热面中吸热量的减少，使得主减温水焓增率和总焓增率升高，但由于辐射换热量的减少抵消了一部分对流换热量的增加，使得主减温水焓增率和总焓增率的升高幅度相对较小。而对于以对流换热为主的再热蒸汽，再热减温水焓增率和总焓增率升高幅度较大。因此，随着焦炉煤气和高炉煤气热量掺烧比的增加，主蒸汽、再热蒸汽均以对流换热的方式为主，主蒸汽、再热蒸汽的吸热量均随之增加。

2.2 分级配风对热量分配的影响

2.2.1 高炉煤气二次风门开度对热量分配的影响

将位于高炉煤气喷嘴区域的二次风称为高炉煤气二次风。高炉煤气二次风门开度对主蒸汽、再热蒸汽吸热量的影响如图5所示。由图5可以看出，增大高炉煤气二次风门开度会减少主蒸汽各级受热面的总吸热量，同时增加再热蒸汽各级受热面的总吸热量。这主要是因为增大高炉煤气二次风门开度会增大高炉煤气燃烧区的过量空气系数，使高炉煤气燃烧产生的烟气量增加，同时降低烟气温度，进而影响整个炉膛的温度，并增加烟气流速，最终导致烟气的辐射放热量减少，对流换热量增加。由于主蒸汽对流换热量的增加未能抵消辐射换热量的减少，主减温水焓增率和总焓增率均有小幅降低。对于主要以对流换热为主的再热蒸汽，再热减温水焓增率和总焓增率均大幅升高。

(a)高炉煤气二次风门开度对主蒸汽吸热量的影响

(b)高炉煤气二次风门开度对再热蒸汽吸热量的影响

Fig.5 Effect of secondary air damper opening of blast furnace gas on heat distribution

2.2.2 煤粉二次风门开度对热量分配的影响

该实验工况中煤粉喷嘴A-COAL、B-COAL及C-COAL运行，D-COAL及E-COAL停运，仅研究二次风AA、AB、BC及CC风门开度对热量分配的影响，如图6所示，实验过程中保持其他二次风门开度不变。由图6可以看出，随着煤粉二次风门开度的增大,主蒸汽焓增率和再热蒸汽焓增率均有所升高，说明主蒸汽温度和再热蒸汽温度均升高，并保持在合理波动范围。但主减温水焓增率、再热减温水焓增率和总焓增率却都随着煤粉二次风门开度的增大而降低。其主要原因是随着煤粉二次风门开度的增大，主燃区的供氧量逐渐增加，燃料在主燃区的燃烧份额增加，火焰中心下移，炉膛温度提高，导致烟气在炉膛内的辐射换热量增加，炉膛出口烟气温度降低，炉膛出口后受热面对流换热量减少，所以主蒸汽、再热蒸汽的对流换热量都随着煤粉二次风门开度的增大而减少。

(a)煤粉二次风门开度对主蒸汽吸热量的影响

(b)煤粉二次风门开度对再热蒸汽吸热量的影响

Fig.6 Effect of secondary air damper opening of pulverized coal on heat distribution

因此，增大煤粉二次风门开度会使主蒸汽辐射换热量增加，对流换热量减少，但辐射换热量的增加未能补偿对流换热量的减少，致使主减温水焓增率和总焓增率均小幅降低。而对于以对流换热为主的再热蒸汽,其吸热量减少幅度较大，再热减温水焓增率和总焓增率降低幅度也较大。

2.2.3 SOFA风门开度对热量分配的影响

图7给出了SOFA1和SOFA2风门开度对热量分配的影响。由图7可以看出，随着SOFA风门开度的增大,主蒸汽焓增率和再热蒸汽焓增率均降低，说明主蒸汽温度和再热蒸汽温度略微降低，但仍高于安全运行的最低蒸汽温度。主减温水焓增率、再热减温水焓增率和总焓增率均随着SOFA风门开度的增大而升高，这主要是因为SOFA风门开度增大会导致主燃区的过量空气系数相对减小，还原性气氛增强，减少煤粉在主燃区的燃烧份额，主燃区烟气温度降低，辐射换热量减少；同时增加了煤粉在燃尽区的燃烧份额，火焰中心上移，炉膛出口烟气温度升高；总之，烟气在炉膛内的辐射换热量相对减少，烟气在水平烟道及尾部烟道内受热面的对流换热量增加。因此，主蒸汽和再热蒸汽的对流换热量均随着SOFA风门开度的增大而增加，以对流换热为主的再热蒸汽吸热量增加幅度比较明显，而同时进行辐射换热和对流换热的主蒸汽吸热量受到对流换热的控制，辐射换热为非控制因素，所以其吸热量也有小幅的增加。

(a)SOFA风门开度对主蒸汽吸热量的影响

(b)SOFA风门开度对再热蒸汽吸热量的影响

3 结 论

(1)掺烧焦炉煤气和高炉煤气会使辐射换热和对流换热分配发生变化。随着焦炉煤气热量掺烧比的增加，炉膛内辐射换热量增加，而烟道内对流换热量减少；掺烧高炉煤气和掺烧焦炉煤气对辐射换热和对流换热分配具有相反的作用。

(2)随着焦炉煤气和高炉煤气热量掺烧比的增加，主蒸汽和再热蒸汽均以对流换热的方式为主，使得主蒸汽和再热蒸汽的总吸热量均增加。

(3)高炉煤气二次风门开度增大会增加高炉煤气燃烧区过量空气系数，降低烟气温度，导致烟气的辐射放热量减少，对流换热量增加；而对于主蒸汽，对流换热量的增加未能抵消辐射换热量的减少。

(4)随着煤粉二次风门开度的增大，主燃区燃烧加强，使炉膛内辐射换热增强，对流换热量减少，主蒸汽和再热蒸汽的对流换热量均减少。

(5)主蒸汽和再热蒸汽的对流换热量均随着SOFA风门开度的增大而增加，以对流换热为主的再热蒸汽吸热量增加幅度更为明显，而同时进行辐射换热和对流换热的主蒸汽吸热量增加幅度较小。

[2] 陈鸿伟, 穆兴龙, 王远鑫, 等. 准东煤气化动力学模型研究[J].动力工程学报, 2016, 36(9): 690-696.

CHEN Hongwei, MU Xinglong, WANG Yuanxin, et al. Study on kinetic models for Zhundong coal gasification[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2016, 36(9): 690-696.

[3] 夏光璧, 朴桂林, 张居兵, 等. 掺混生物质炭对煤气化反应特性的影响[J].动力工程学报, 2015, 35(8): 681-686.

XIA Guangbi, PIAO Guilin, ZHANG Jubing, et al. Research on co-gasification characteristics of biomass char and coal[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2015, 35(8): 681-686.

[4] 王春波, 李伟. 300 MW烟煤/高炉煤气混燃锅炉掺烧褐煤燃烧特性的数值模拟及经济性分析[J].动力工程学报, 2013, 33(6): 413-418.

WANG Chunbo, LI Wei. Numerical simulation on combustion characteristics of a 300 MW bituminous coal/BFG co-firing boiler mixed with lignite and the economic analysis[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2013, 33(6): 413-418.

[5] 王春波, 魏建国, 黄江城. 300 MW高炉煤气与煤粉混燃锅炉热力特性及经济性分析[J].动力工程学报, 2012, 32(7): 517-522.

WANG Chunbo, WEI Jianguo, HUANG Jiangcheng. Thermodynamic characteristics and economic analysis of a BFG/pulverized coal mixed combustion boiler[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2012, 32(7): 517-522.

[6] 吕太, 赵世泽. 燃尽风位置高度对NOx生成的影响[J].环境工程学报, 2016, 10(5): 2541-2546.

LÜ Tai, ZHAO Shize. Influence of over-fire air height on NOxemission characteristics[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering, 2016, 10(5): 2541-2546.

[7] 吕太, 闫晨帅, 路昆, 等. 不同负荷下变SOFA风率对低NOx燃烧特性影响分析[J].热能动力工程, 2014, 29(4): 409-414.

LÜ Tai, YAN Chenshuai, LU Kun, et al. Analysis of the influence of the variable SOFA air ratio on low NOxcombustion characteristics[J].JournalofEngineeringforThermalEnergyandPower, 2014, 29(4): 409-414.

[8] 肖琨, 张建文, 王振东. 600 MW亚临界锅炉低氮改造后汽温特性研究[J].动力工程学报, 2015, 35(9): 699-703.

XIAO Kun, ZHANG Jianwen, WANG Zhendong. Study on steam temperature characteristics of a 600 MW subcritical boiler after low-NOxretrofit[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2015, 35(9): 699-703.

[9] 肖琨, 高明, 乌晓江, 等. 空气分级低氮燃烧改造技术对锅炉汽温特性影响研究[J].锅炉技术, 2012, 43(5): 62-65.

XIAO Kun, GAO Ming, WU Xiaojiang, et al. Effect of air staging low NOxcombustion technology on boiler steam temperature characteristic[J].BoilerTechnology, 2012, 43(5): 62-65.

[10] 靳允立. 低NOx燃烧技术改造对切圆燃烧锅炉热量分配的影响[J].中国电力, 2014, 47(3): 59-64.

JIN Yunli. Influence of low NOxcombustion technology modification on tangentially-fired boiler heat distribution[J].ElectricPower, 2014, 47(3): 59-64.

[11] PARK H Y, BAEK S H, KIM H H, et al. Reduction of main steam temperature deviation in a tangentially coal-fired, two pass boiler[J].Fuel, 2016, 166: 509-516.

[12] KUANG Min, LI Zhengqi, LING Zhongqian, et al. Characterization of coal combustion and steam temperature with respect to staged-air angle in a 600 MWedown-fired boiler[J].EnergyFuels, 2014, 28(6): 4199-4205.