贫煤与煤气混烧锅炉掺烧试验

易正明 胡绪满 周正 陶倩 肖慧 姜志伟

摘 要：為了研究掺烧对锅炉排烟温度、过热蒸汽温度、飞灰和灰渣含碳量以及锅炉热效率的影响，并提出相应的运行优化方式，对某钢厂75t/h混烧锅炉分别进行了焦炉煤气与煤粉混烧、全燃高炉煤气与焦炉煤气以及高、焦炉煤气和煤粉混烧的燃烧试验。结果表明：锅炉混烧焦炉煤气与煤粉时，锅炉热效率能够达到82.7%，但不利于企业煤气平衡;锅炉全燃高炉煤气与焦炉煤气时，锅炉热效率能够达到85.2%，但只能维持较低负荷运行;在燃用实际贫煤条件下，锅炉混烧高、焦炉煤气与煤粉，当三者热值比分别为35%、35%与30%时，排烟温度、飞灰含碳量和灰渣含碳量较改造前分别下降了4.5℃、1.06%和1.09%，热效率为77.21%，优化后较优化前减少燃料消耗与节煤率分别为226.1kg/h和3.3%。

关键词：混烧锅炉;掺烧;贫煤;燃烧优化;锅炉热效率

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.016

中图分类号： TK229.91

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2020）03-0102-07

Abstract：In order to study the effects of blending ratio on exhaust temperature， superheated steam temperature， carbon content in fly ash and slag， and boiler thermal efficiency， and put forward the corresponding operation optimization method， mixed combustion experiments of COG （coke oven gas） with coal， BFG （blast furnace gas） with COG， and coal， BFG with COG were performed in a 75t/h combined combustion boiler， respectively. The results show that the boiler thermal efficiency can reach 82.7% under the condition of mixed combustion of COG and coal， but the operating mode is not economical for the gas balance of plant. When burning BFG and COG in the boiler， the boiler thermal efficiency can reach 85.2% but low loading operation. After the mode of 35% BFG heat value， 35% COG heat value and 30% lean coal heat value is applied in the boiler， the exhaust temperature， carbon content in fly ash and slag decreases by 4.5℃， 1.06% and 1.09%， respectively. The boiler thermal efficiency is 77.21%. Moreover， the fuel consumption reduces by 226.1kg/h and the coal saving ratio is 3.3%.

Keywords：combined combustion boiler;mixed combustion;lean coal;combustion optimization;boiler thermal efficiency

0 前 言

钢铁行业副产煤气（高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气等）占其总能耗量的25%，其中高炉煤气产量最大，煤气混烧锅炉是企业利用高炉煤气的主要途径之一。此外，随着国家对燃煤电厂更严格的排放要求，煤气混烧锅炉较燃煤锅炉污染物排放相对较少，目前已得到广泛应用。但受煤炭供应的影响，电厂实际燃煤与设计煤粉相差较大，贫煤与煤气混烧时锅炉燃烧稳定性差，着火和燃尽困难，也会影响制粉系统的安全运行，同时大量掺烧高炉煤气会造成排烟热损失大、飞灰含碳量高和锅炉热效率低等问题[1-2]。

目前，国内外许多学者对混烧锅炉进行了数值模拟和燃烧调整研究。文[3-10]对锅炉混煤、煤粉与高炉煤气、煤粉与生物质、煤粉与污泥掺烧以及锅炉余热回收各过程进行了数值模拟，文[11-12]介绍了煤气混烧锅炉的燃烧特性和NOX排放，得到了一些重要结论。张成等[13]对某100MW燃煤锅炉进行掺烧污泥试验，指出在污泥掺烧比大于20%时，锅炉燃烧特性变差，NOX排放明显增加。高继录等[14]对某电厂1000MW机组神华煤掺烧霍林河褐煤进行试验，得出最佳褐煤掺烧比为30%，并且可通过燃烧调整解决掺烧褐煤引起的炉膛结焦。王爽心等[15]基于直接能量平衡思想，提出一种间接能量平衡法，构造并预测整定出反映变负荷工况的导前汽温设定值，把原串级控制系统中副控制器的随动控制功能改变为定值控制，从而达到间接控制锅炉主汽温和再热汽温的目的。荣盘祥等[16]针对电厂锅炉传统调节系统控制效果不良，结合410t/h锅炉的特性，提出针对磨煤机运行方式优选排序和送风回路模糊比例-积分-微分的智能控制策略，提高锅炉系统的安全性和稳定性。毛晓飞等[17]对江西新昌电厂锅炉进行7种混煤掺烧试验，证明合理的掺烧比例可以提高机组的安全性和经济性。郭勇，吕洪坤等[18-19]对燃煤锅炉掺烧生物质进行了燃烧试验和数值模拟，表明生物质与煤粉相差较大，燃煤锅炉需进行改造以适应生物质燃烧。但对小容量中压蒸汽锅炉试验调整涉及较少，笔者对某75t/h煤气混烧锅炉在燃用贫煤条件下，进行了高、焦炉煤气与煤粉掺烧试验，对比分析掺烧对排烟温度、飞灰浓度和锅炉热效率等参数的影响，在确保锅炉热效率前提下，提高高炉煤气掺烧比例，提高锅炉经济性，以期为该类型锅炉现场掺烧提供参考。

1 研究对象

该锅炉为某75t/h煤气混烧锅炉，型号为B&WB-75/3.82-MQ，“π”型炉膛，炉膛纵深5450×5450mm，高18050mm，燃烧器采用四角切圆设计，分别布置在炉膛四角，反向切圆直径为550mm，锅炉设计全燃煤粉，兼具掺烧30%高炉煤气的能力，炉膛结构和燃烧器布置如图1所示。

锅炉实际运行中，由于高炉煤气量常有富余，混烧锅炉运行时高炉煤气掺烧比远高于设计参数，甚至出现混烧锅炉全燃高炉煤气的工况。受锅炉炉型及炉膛结构的影响，混烧锅炉大比例掺烧高炉煤气时，往往达不到经济负荷，排烟热损失大，飞灰可燃物含量偏高，排粉风机磨损严重，锅炉热效率偏低。因此，通过高、焦炉煤气和煤粉混烧的燃烧试验，分析掺烧对排烟温度、飞灰浓度和锅炉热效率等参数的影响，从而为锅炉燃烧调整及运行优化提供理论依据。

2 测试内容与方法

2.1 测试工况

表1～3中工况A01～A05为焦炉煤气与贫煤掺烧工况，工况A06～A10为焦炉煤气与高炉煤气掺烧工况，工况A11～A15为高、焦炉煤气与煤粉混烧工况，具体参数详见表1～3。

2.2 燃料特性分析

试验燃煤和设计煤质元素分析、工业分析和低位发热值见表4。可以看出，锅炉实际燃煤与设计煤质偏差较大，其挥发分远低于设计煤质，灰分含量高，但水分低于设计煤，属于低热值劣质煤，与高炉煤气混烧时，不易维持炉膛燃烧的稳定，煤粉着火与燃尽困难，运行时需合理控制高炉煤气掺烧量，以保证燃料在炉内的高效及稳定燃烧。表5为实际高炉煤气（BFG）和焦炉煤气（COG）成分分析。可以看出，高炉煤气主要可燃成分CO只有24%，不可燃成分CO2和N2超过70%，热值低，而焦炉煤气可燃成分多，属于高热值煤气。

2.3 试验方法

燃烧调整试验主要为了测试不同掺烧方案下锅炉过热蒸汽温度、排烟温度和飞灰含碳量等参数。试验过程中，通过电厂DCS控制系统采集锅炉过热蒸汽温度等主要运行参数，通过多次采样化验得到煤粉、灰渣和飞灰成分，通过MRU牌VARIO PLUS气体分析仪和NOVA PLUS烟气分析仪分别获取高、焦炉煤气成分和烟气成分等参数，锅炉热效率采用反平衡计算。

3 试验调整结果及分析

3.1 焦炉煤气与煤粉混烧特性分析

焦炉煤气与实际贫煤掺烧工况A01～A05实测参数结果见图2、图3，可以看出，锅炉焦炉煤气热值比为15%时，过热蒸汽温度、排烟温度和飞灰含碳量分别为436.9℃、143.5℃和7.3%，而掺烧20%时分别降至434.3℃、140.9℃和6.5%，而后随着焦炉煤气掺烧量继续增加，三者下降幅度均逐渐减弱。由于焦炉煤气热值比贫煤高，随着焦炉煤气掺烧比的增加，炉内温度水平升高，火焰中心降低，水冷壁辐射换热量增大，过热器对流换热量减少，过热蒸汽温度降低。焦炉煤气掺烧使得混合燃料烟气量减少，煤粉停留时间延长，同时，高温的煤气在煤粉燃尽区附近，有利于煤粉的燃尽，飞灰含碳量降低。总之，焦炉煤气掺烧有利于减少锅炉排烟热损失与机械未完全燃烧热损失，从而热效率提高。焦炉煤气掺烧热值比为15%时，锅炉热效率仅为78.5%，随着焦炉煤气掺烧热值比的增加，锅炉热效率逐渐提高，当焦炉煤气掺烧热值比升至30%时，锅炉热效率达到82.4%，熱效率上升较明显，而随着焦炉煤气掺烧的增加，当焦炉煤气掺烧热值比为35%时，锅炉热效率为82.7%，提升不明显，焦炉煤气掺烧经济性降低。

3.2 全燃高炉煤气与焦炉煤气燃烧特性分析

焦炉煤气与高炉混烧工况A06～A10实测参数结果见图4。可以看出，焦炉煤气、高炉煤气混烧相对焦炉煤气、实际贫煤掺烧，过热蒸汽温度和排烟温度整体较高。焦炉煤气热值比为20%时，过热蒸汽温度为451.9℃，超过设计值450℃，排烟温度高达184.7℃，而随着焦炉煤气热值比的提高，过热蒸汽温度、排烟温度逐渐下降，焦炉煤气热值比为35%时，过热蒸汽温度为441.6℃，过热蒸汽温度比焦炉煤气热值比为20%时下降了10.3℃，过热蒸汽温度下降明显，而排烟温度为181.3℃，降低较少。随着焦炉煤气的进一步增加，过热蒸汽温度、排烟温度下降幅度逐渐变小，焦炉煤气对过热蒸汽温度、排烟温度的影响逐渐减弱，焦炉煤气热值比为40%时，过热蒸汽温度、排烟温度分别为439.7℃、180.7℃。

混燒锅炉全燃高、焦炉煤气时，没有固体未完全燃烧热损失，锅炉热效率较高，并且随着焦炉煤气掺烧的增加，排烟温度下降，排烟热损失减少，锅炉热效率提高。焦炉煤气热值比为20%时，锅炉热效率为80.4%，随着焦炉煤气掺烧的增加，锅炉热效率逐渐上升，焦炉煤气热值比为40%时，锅炉热效率达到85.2%。但煤气混烧锅炉相比全燃煤气锅炉缩腰式的炉膛结构或带有稳燃柱的炉膛结构，虽然锅炉整体热效率较高，但只能维持较低负荷运行，锅炉带负荷能力下降，锅炉燃烧稳定性和经济性降低。

3.3 高、焦炉煤气和煤粉混合掺烧特性分析

高炉煤气、焦炉煤气与煤粉混烧工况A11～A15（A11为锅炉实际运行工况，A12～A15为优化工况）实测参数结果见图5、图6。可以看出，高炉煤气、焦炉煤气与煤粉混烧工况的过热器温度介于焦炉煤气、高炉煤气混烧与焦炉煤气、实际贫煤掺烧之间。工况A14与工况A15的高炉煤气掺烧量较高，烟气量增加，炉膛火焰中心上移，排烟温度上升，烟道内对流换热量增加，导致过热蒸汽温度上升;过热蒸汽温度相对较高，分别为444.6℃与445.1℃;A11、A12以及A13工况焦炉煤气掺烧量较高，烟气量减少，炉膛火焰中心较低，炉膛出口温度下降，烟道内对流换热量减少，过热蒸汽温度相对较低，特别是工况A13，同时减少了高炉煤气掺烧量，过热蒸汽温度最低，为437.6℃。

高炉煤气生成烟气量较多，煤粉在炉膛停留时间较短，火焰中心上移，导致排烟温度上升，不利于煤粉的着火与燃尽。而焦炉煤气掺烧时由于烟气量减少，导致炉膛火焰中心下降，炉膛辐射吸热量增加，煤粉停留时间增加，炉膛出口温度相对较低，从而一定程度上降低了排烟温度，有利于煤粉的着火与燃尽[20]。工况A15高炉煤气掺烧量最大，排烟温度最高，为179.3℃，工况A14次之，为177.5℃，而工况A13由于高炉煤气掺烧相对较少，同时还掺烧了较多的焦炉煤气，因而烟气量减少，排烟温度最低，为171.9℃。工况A11、工况A12以及工况A13由于焦炉煤气掺烧热值比相对较高，煤粉在炉内燃烧相对比较充分，飞灰含碳量分别为13.67%、13.16%与12.61%，而工况A14与工况A15高炉煤气掺烧热值比较高，飞灰含碳量分别为21.3%与24.5%，煤粉在炉内燃烧困难，燃烧不充分。

高炉煤气掺烧时，排烟温度上升，飞灰可燃物含量增加，导致锅炉排烟热损失以及机械未完全燃烧热损失增加，锅炉热效率下降，而掺烧焦炉煤气时正好相反。工况A13锅炉排烟温度和飞灰含碳量均最低，锅炉热效率最高，为77.21%;而焦炉煤气掺烧量少、高炉煤气掺烧高的工况A14、A15，锅炉整体热效率仅为68.57%、65.74%，锅炉运行经济性较差。工况A13排烟温度、飞灰含碳量与锅炉实际运行工况A11比较分别下降了4.5℃以及1.06%，热效率提高2.55%，通过调整焦炉煤气、高炉煤气掺烧比例，可以改善煤粉燃烧，优化锅炉运行状况。

3.4 优化前后燃料消耗与节煤率

锅炉运行优化前实际运行参数和优化后运行参数分别见图5、6的A11和A13，优化前后飞灰和灰渣成分见表6。优化后工况排烟温度、飞灰含碳量和灰渣含碳量分别由实际运行工况176.4℃、13.67%和6.3%，分别降至171.9℃、12.61%和5.21%，热效率由优化前74.66%升高至77.21%，锅炉热效率提高2.55%。锅炉运行负荷按52t/h，锅炉运行优化前后燃料消耗折合为标准煤耗，减少燃料消耗量与节煤率分别为226.1kg/h和3.3%，按年运行8000h计算，年可节约标准煤1810t，相应可减少生产过程中产生的CO2及NOX、SO2等污染物，有利于企业的节能减排。

4 结语

对一台75t/h煤气混烧锅炉在燃用实际贫煤条件下，分别进行了焦炉煤气与煤粉掺烧、混烧全燃高炉煤气与焦炉煤气以及高、焦炉煤气与煤粉的掺烧试验，得到以下主要结论。

1）燃用实际贫煤条件下，焦炉煤气与煤粉掺烧，有利于煤粉的燃尽与降低排烟温度，锅炉热效率提高，但焦炉煤气掺烧比大于30%时，锅炉热效率提升不明显，同时，实际生产中，高炉煤气大量剩余，而焦炉煤气不足，混烧锅炉大量掺烧焦炉煤气不利于企业利用低热值煤气。

2）混烧锅炉全燃高炉煤气与焦炉煤气时，热效率较高，随着焦炉煤气掺烧的增加，锅炉热效率逐渐上升，焦炉煤气热值比为40%时，锅炉热效率达到85.2%。但由于炉膛结构以及设计的差异，虽然锅炉整体热效率较高，但只能低负荷运行。

3）高、焦炉煤气与煤粉热值比分别为35%、35%与30%时，锅炉整体热效率77.21%，较优化前（高、焦炉煤气与煤粉热值比分别为35%、45%与20%时）的74.66%，升高了2.55%。锅炉运行优化前后减少燃料消耗量与节煤率分别为226.1kg/h和3.3%。

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（編辑：温泽宇）