300MW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

王春波， 李 伟

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，保定071003）

钢铁企业在炼钢过程中会产生大量的高炉煤气，由于高炉煤气量大且热值低［1］，其有效利用是迫切需要解决的问题［2－3］.在已有的高炉煤气利用方法中，煤粉／高炉煤气混燃技术是较为有效的手段之一［4－9］.由于高炉煤气的热值低，在掺烧过程中需要添加相对较高品质的煤，如一般采用发热量较高、燃烧特性较好的烟煤.

我国褐煤资源丰富，已经探明的褐煤保有储量为1 311.42亿t，约占煤炭总保有储量的13%［10］.与烟煤和无烟煤相比，目前对褐煤的开发利用还不够充分.同时我国煤炭供应紧张、价格上涨，电煤价格矛盾突出，发电企业一度亏损严重.褐煤资源丰富且价格便宜，因此如何有效地利用褐煤资源显得尤为重要［11］.在保证锅炉安全、经济运行的前提下，很多燃煤电厂开展了褐煤掺烧工作［12－15］，以缓解电煤供应紧张.笔者以某钢厂300MW烟煤／高炉煤气混燃锅炉为例，在原设计煤种（烟煤）的基础上掺烧褐煤，对该锅炉进行热力特性数值模拟和经济性分析，以期为该类混燃锅炉燃料优化提供一定的参考.

1 研究对象

以某钢厂300MW机组烟煤／高炉煤气混燃锅炉为模拟对象.该锅炉为亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包锅炉，燃烧方式为四角切圆燃烧，设计煤种为烟煤，具有掺烧0～30%高炉煤气的能力.设计煤种和拟掺烧褐煤的煤质分析见表1，高炉煤气成分分析见表2.

表1 煤质分析Tab.1 Analysis of coal quality

表2 高炉煤气的成分分析Tab.2 Chemical composition of the BFG

该锅炉为单炉膛，燃烧器为四角布置的摆动式燃烧器，切向燃烧，上下摆动的最大角度为±30°.一次风、二次风出口中心线和燃尽风出口中心线与水冷壁中心线的夹角分别为38°和44°，在炉膛中心形成逆时针旋转的2个直径不同的假想切圆.为了削弱炉膛出口烟气的旋转强度和减小由四角切圆燃烧引起的炉膛出口烟气温度偏差，燃尽风室设计为反切，使其喷嘴出口中心线与主喷嘴中心线成12°的夹角.锅炉宽度为14 048mm，深度为12 468mm，高度为58 900mm.锅炉共布置7层燃烧器喷口，其中上5层为煤粉喷口，下2层为高炉煤气喷口.锅炉炉膛结构和燃烧器布置见图1.

图1 锅炉炉膛结构和燃烧器布置示意图（单位：mm）Fig.1 Structural diagram of boiler furnace and arrangement of burners（unit：mm）

2 数值计算方法

数值模拟采用Fluent软件.炉膛网格采用分段划分方法，从冷灰斗至炉膛出口共划分为7部分.炉膛截面网格采用Paving方法生成非结构四边形网格，体网格采用Cooper方法沿着炉膛高度方向铺展生成六面体网格.整个炉膛网格总数为120万.

数值计算中湍流流动采用k－ε双方程模型，辐射传热采用P－1模型［16］，离散相颗粒轨迹采用随机跟踪模型，焦炭燃烧采用动力－扩散限制模型，挥发分热解采用两步竞相反应模型，气相湍流燃烧采用混合分数／概率密度函数方法（Mixture raction／PDF）［17］.模拟对象包括煤粉和高炉煤气2种燃料，采用二混合分数方法将煤粉流定义为燃料流，并将高炉煤气定义为二次流.

3 计算结果及分析

3.1 褐煤完全取代烟煤后与高炉煤气混燃的燃烧特性

褐煤价格远远低于烟煤，在保证安全运行的前提下，褐煤若能完全取代烟煤将是最有利的情况.在满负荷条件下，对该混燃锅炉分别进行80%褐煤＋20%高炉煤气与80%烟煤＋20%高炉煤气混烧的模拟，其燃烧特性见图2.

图2 褐煤、烟煤与20%高炉煤气混燃的燃烧特性Fig.2 Co－firing characteristics of lignite and bituminous coal with 20%BFG mixed

由图2（a）可知，无论褐煤还是烟煤，在与高炉煤气混燃后，炉内温度随炉膛高度的变化趋势非常相似，炉内的最高温度均出现在燃烧器略上区域.但与烟煤相比，褐煤与高炉煤气混燃后的温度场发生了2个显著的变化：一是炉内温度有所下降，如最高点温度下降近100K；二是炉膛出口烟气温度显著提高.这是因为：与烟煤相比，褐煤的发热量较低，在锅炉负荷一定的条件下，褐煤的送入量较多.褐煤一个很明显的特征是水分大，由于大量水分引入需要吸收大量的汽化潜热，因而炉内温度降低.炉内温度的下降直接导致水冷壁辐射吸热量减少，具体表现为炉膛出口烟气温度升高.

由图2（b）可知，2种煤种对应的CO平均摩尔分数（以下简称摩尔分数）峰值均出现在燃烧器区域，但烟煤与高炉煤气混烧的CO摩尔分数最大值明显大于褐煤与高炉煤气混燃的CO摩尔分数最大值.另外，炉膛出口处褐煤与高炉煤气混燃生成的烟气中CO摩尔分数要大于烟煤与高炉煤气混燃的CO摩尔分数，表明其燃烧效果劣于烟煤与高炉煤气混燃的燃烧效果，原因可能为：与烟煤相比，褐煤与高炉煤气混燃后的炉内温度显著下降，从而影响了CO的燃尽.

综上所述，如果用褐煤完全代替烟煤，炉内温度会显著下降（约100K），且炉膛出口烟气温度明显升高.这可能会导致2个严重问题：一是水冷壁吸热量的大大减小会影响水循环的安全和稳定性；二是炉膛出口烟气温度的显著升高会导致炉膛出口受热面结渣从而影响安全运行.结合图2（b）中炉膛出口CO摩尔分数增大的趋势，表明褐煤完全代替烟煤后炉内燃烧水平下降.因此，从安全性方面考虑，用褐煤完全取代烟煤是不合适的.

3.2 褐煤取代部分烟煤后与高炉煤气混燃的燃烧特性

用褐煤完全取代烟煤会严重影响锅炉运行的安全性，因此考虑用褐煤取代部分烟煤后与高炉煤气混燃.其中掺烧高炉煤气的比例为20%，满负荷下混燃的燃烧特性见图3.

由图3（a）可知，3种掺烧比例下温度场分布的总体趋势相似，但随着褐煤掺烧比例的增大，温度峰值逐渐降低，炉膛出口温度逐渐升高.由图3（b）可知，随着褐煤掺烧比例的增大，CO摩尔分数峰值逐渐减小，但仍出现在燃烧器附近.而在炉膛其他区域，掺烧不同比例的褐煤后CO摩尔分数几乎相同，说明在这几种掺烧比例下，除燃烧器附近外，其他区域CO摩尔分数所受的影响不大且CO能较好地燃尽.对比图2和图3可知，利用褐煤取代部分烟煤来实现与高炉煤气混燃在安全性方面是可行的.在模拟的几种比例中，掺混40%褐煤是比较理想的比例.

图3 不同掺烧比例褐煤、烟煤与20%高炉煤气混燃的燃烧特性Fig.3 Co－firing characteristics of lignite and bituminous coal at different blending ratios with 20%BFG mixed

3.3 不同高炉煤气掺烧比例的影响

高炉煤气掺烧比例是现场运行非常重要的参数.因为尽可能多地掺烧高炉煤气将会产生更大的经济效益.该锅炉原设计烟煤可掺烧30%的高炉煤气.对掺烧40%褐煤条件下的燃烧进行研究，改变高炉煤气掺烧比例后炉内燃烧的数值模拟结果见图4.

图4 掺烧不同比例高炉煤气时的燃烧特性Fig.4 Co－firing characteristics at different blending ratios of BFG

由图4（a）可以看出，在高炉煤气喷口处，温度随着高炉煤气掺烧比例的增大而升高，这是因为高炉煤气易于着火，从而造成局部性高温.在燃烧器区域，由于高炉煤气热值明显小于烟煤而烟气量增大，随着高炉煤气掺烧比例的增大，温度呈明显下降的规律.此外，炉膛出口附近温度的变化与燃烧器区域温度的变化呈相反趋势，即炉膛出口烟气温度随高炉煤气掺烧比例的增大而升高，主要原因是掺烧高炉煤气使得炉内温度总体下降，水冷壁吸热量减少，因此炉膛出口烟气温度升高.

由图4（b）可以看出，在高炉煤气喷口以下，随着高炉煤气掺烧比例的增大，CO摩尔分数显著增大，这与高炉煤气中含有20%左右的CO密切相关.另外，CO摩尔分数的峰值均出现在煤粉燃烧器区域，但随着高炉煤气掺烧比例的增大，CO摩尔分数明显减小.如掺烧10%高炉煤气时CO摩尔分数最大，约为9%；掺烧30%高炉煤气时CO摩尔分数减小为5%左右.CO摩尔分数的峰值位置随高炉煤气掺烧比例的增大向右偏移，可能是因为高炉煤气的掺入推迟了煤粉的着火.3种工况下炉膛出口CO摩尔分数均很小且在允许范围内，表明炉膛出口处的燃料已基本燃烧完全.

4 热力计算与经济性分析

以上主要从运行安全性角度进行分析.为了更全面地分析掺烧褐煤的问题，还需要进行经济性评估.在掺烧40%褐煤的情况下，对高炉煤气掺烧比例为0、10%、20%和30%4种情况进行了热经济性评估，结果见表3.由表3可以看出，排烟温度随着高炉煤气掺烧比例的增大而升高.由于褐煤热值远小于烟煤，产生同样多的热量需要的褐煤量大大增加.给煤量和高炉煤气掺烧比例的增大导致烟气量增加，排烟温度升高，从而造成排烟热损失和固体不完全燃烧热损失增大.随着高炉煤气掺烧比例的增大，锅炉效率明显降低.

发电成本计算结果见表4.由表4可知，纯烧设计煤种烟煤的发电成本是117 090元／h，而掺烧20%高炉煤气（高炉煤气为钢厂的副产品不需要成本）时发电成本降为102 158元／h，降低了12.75%.由于褐煤单价更便宜，褐煤单价约为烟煤的1／3，当掺烧40%褐煤和20%高炉煤气时，发电成本降为80 107元／h，相对设计煤种降低了31.59%，因此利用高炉煤气和适当地掺烧褐煤所产生的经济效益是非常巨大的.

表3 热经济性计算结果Tab.3 Calculation results of the thermal economy

表4 发电成本计算结果Tab.4 Calculation results of the power generation cost

5 结 论

（1）在掺烧20%高炉煤气的条件下，采用褐煤完全取代设计煤种（烟煤）后，炉内温度比燃用设计煤种低100K左右，排烟温度大幅升高，影响锅炉运行的安全性.

（2）随着褐煤掺烧比例的增大，炉内温度逐渐下降，排烟温度升高.随着高炉煤气掺烧比例的增大，炉内温度下降，排烟温度升高，锅炉效率降低.

（3）经济性分析表明，纯烧烟煤的发电成本为117 090元／h，当掺烧40%褐煤和20%高炉煤气时，发电成本降为80 107元／h，发电成本降低了31.59%，适当掺烧褐煤可产生很大的经济效益.

［1］ 湛志钢，陈刚.煤粉锅炉掺烧高炉煤气对煤粉燃尽影响的研究［J］.动力工程，2004，24（2）：179－182.ZHAN Zhigang，CHEN Gang.Influence of pulverized coal combustion boiler adding blast furnace gas on coal complete combustion［J］.Journal of Power Engineering，2004，24（2）：179－182.

［2］ 赵振兴，曹子栋，常勇强.高炉煤气直流燃烧器的试验研究［J］.动力工程学报，2010，30（2）：118－122.ZHAO Zhenxing，CAO Zidong，CHANG Yongqiang.Experimental research on the impellerless burner for blast－furnace gas［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（2）：118－122.

［3］ 汪洪涛，程艳玲，杨天助.220t／h全烧高炉煤气高温高压电站锅炉的研究［J］.节能技术，2005，23（5）：422－425.WANG Hongtao，CHENG Yanling，YANG Tianzhu.Research of 220t／h high temperature and pressure plant boiler with combusting pure BFG［J］.Energy Conservation Technology，2005，23（5）：422－425.

［4］ 王春波，魏建国，盛金贵，等.300MW煤粉／高炉煤气混燃锅炉燃烧特性数值模拟［J］.中国电机工程学报，2012，32（14）：14－19.WANG Chunbo，WEI Jianguo，SHENG Jingui，etal.Numerical simulation of combustion characteristics of a 300MW blast furnace gas／pulverized coal combined combustion boiler［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（14）：14－19.

［5］ 赵洪波，付丽梅，庄绪平.220t／h煤粉锅炉掺烧高炉煤气改造［J］.电站系统工程，2003，19（6）：43.ZHAO Hongbo，FU Limei，ZHUANG Xuping.Retrofit of 220t／h coal－fired boiler blended with blast furnace gas［J］.Power System Engineering，2003，19（6）：43.

［6］ 刘定平.低热值高炉煤气与煤粉混烧技术的探讨［J］.

热科学与技术，2003，2（1）：74－79.LIU Dingping.Study of mixing combustion techniques for coal and low heat value blast－furnace gas［J］.Journal of Thermal Science and Technology，2003，2（1）：74－79.

［7］ SHEN Y S，GUO B Y，YU A B，etal.A three－dimensional numerical study of the combustion of coal blends in blast furnace［J］.Fuel，2009，88（2）：255－263.

［8］ 潘卫国，王文欢，任建兴，等.350MW煤／高炉煤气混烧锅炉多工况热力计算的研究［J］.上海电力学院学报，2005，21（2）：101－106.PAN Weiguo，WANG Wenhuan，REN Jianxing，et al.Study of thermal calculation for 350MW boiler to burn mixture of pulverized coal and blast burnace gas［J］.Journal of Shanghai University of Electric Power，2005，21（2）：101－106.

［9］ 李丽丽，谢安国，李先春.煤粉与高炉煤气混烧锅炉炉内燃烧过程的数值模拟［J］.冶金能源，2008，27（2）：29－32.LI Lili，XIE Anguo，LI Xianchun.Numerical simulation on the combustion process in a pulverized coal and BGF mixture fired boiler［J］.Energy for Metallur－gical Industry，2008，27（2）：29－32.

［10］ 李政，梁心玉，薛亚丽.基于烟煤、褐煤的IGCC系统技术经济性对比［J］.中国电机工程学报，2012，32（5）：39－47.LI Zheng，LIANG Xinyu，XUE Yali.Techno－economic comparison of IGCC systems employing bituminous and lignite［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（5）：39－47.

［11］ 郭晓克，肖峰，严俊杰，等.高效褐煤发电系统研究［J］.中国电机工程学报，2011，31（26）：23－31.

GUO Xiaoke，XIAO Feng，YAN Junjie，etal.Study on efficient lignite－fired power system［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（26）：23－31.

［12］ 王春昌，阮士周，宋太纪，等.烟煤锅炉两种方式掺烧褐煤的工程应用［J］.中国电力，2010，43（10）：35－38.WANG Chunchang，RUAN Shizhou，SONG Taiji，et al.Application study on boiler performance when the firing bituminous coal mixed with lignite in two measures［J］.Electric Power，2010，43（10）：35－38.

［13］ 谷卫士，高永华，刘岗.褐煤掺烧对超临界600MW机组影响对策［J］.贵州电力技术，2011，14（3）：34－37.GU Weishi，GAO Yonghua，LIU Gang.The influence on 600MW supercritical unit economical technology indicator and the strategy discussion of lignite mixed burning［J］.Guizhou Electric Power Technology，2011，14（3）：34－37.

［14］ 王祥薇，张红飞，宋振梁.1 150t／h锅炉掺烧褐煤的性能试验研究［J］.动力工程，2009，29（12）：1088－1092.WANG Xiangwei，ZHANG Hongfei，SONG Zhenliang.Experimental research on performance of lignite blended combustion in a 1 150t／h boiler［J］.Journal of Power Engineering，2009，29（12）：1088－1092.

［15］ 胡晓光，单汉生.300MW锅炉掺烧劣质煤的比例及配风方式分析［J］.江苏电机工程，2010，29（3）：72－75.HU Xiaoguang，SHAN Hansheng.Analysis on the air distribution methods and the mixed ratio of the lowquality coal in 300MW boiler［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2010，29（3）：72－75.

［16］ SIVATHANU Y R，FAETH G M.Generalized state relationships for scalar properties in non－premixed hydrocarbon／air flames［J］.Combust Flame，1990，82（2）：211－230.

［17］ DONG Changqing，YANG Yongping，YANG Rui，et al.Numerical modeling of the gasification based biomass co－firing in a 600MW pulverized coal boiler［J］.Applied Energy，2010，87（9）：2834－2838.