钢厂煤气混烧锅炉运行优化的试验研究

易正明，肖 慧，杜炳旭

(武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081)

钢铁工业是我国能耗大户之一，其能耗约占我国工业总能耗的12%，而钢铁工业的高炉煤气(BFG)、焦炉煤气(COG)及转炉煤气(LDG)等副产煤气总热值约相当于钢铁工业总能耗量的25%，其中我国又以BFG产量最多，其年发生量高达3×1012m3[1-2]。因此利用好副产煤气，尤其是产量最大的BFG，这对钢铁行业节能降耗有着重要的意义。目前，通过煤气混烧锅炉燃烧发电是我国钢铁企业利用副产煤气的主要途径之一，但由于BFG存在热值低、不易着火、燃烧不稳定等原因，锅炉进行BFG掺烧时，其燃烧特性与纯燃煤粉时有较大不同，易出现过/再热器超温、飞灰含碳量以及排烟温度过高等问题，使锅炉热效率较低[3-5]。在实际煤气混烧锅炉运行中，为了维持煤气平衡，往往掺烧过量的BFG，这样更加恶化了煤粉的燃烧及锅炉的运行状况。而由于COG热值高、理论燃烧温度高和燃烧稳定性好，在掺烧BFG的同时掺烧COG，可改善煤粉燃烧条件，使锅炉运行优化，提高锅炉热效率[6-7]。为此，本文对某钢厂75 t/h煤气混烧锅炉进行BFG、COG掺烧调整试验，分析掺烧对锅炉排烟温度、飞灰含碳量和过热蒸汽温度等的影响，并对锅炉运行进行了优化，在保证锅炉整体热效率条件下，增加BFG掺烧比例，以期为提高低热值BFG利用效率、促进钢铁企业节能降耗提供依据。

1 试验

1.1 锅炉设计参数

试验对象为某钢厂75 t/h煤气混烧锅炉，型号为B&WB-75/3.82-MQ，煤气掺烧率为30%，兼具全烧煤粉的能力，其设计参数如表1所示。

表1 锅炉主要设计参数Table 1 Main design parameters of the boiler

1.2 煤粉及煤气分析

表2为锅炉煤粉的元素组成和工业分析结果。由表2可看出，锅炉实际燃用煤粉成分较设计煤粉存在较大的偏差，其挥发分含量为16.57%，灰分含量为47.43%，低位发热值仅15654kJ/kg，是典型的低热值贫瘦煤，煤粉难着火，燃烧性差。表3为BFG、COG成分分析结果。由表3可看出，BFG的可燃成分H2、CO及CH4含量仅为27.2%，而N2、CO2不可燃成分含量高达72.5%，低位发热值仅为3631.5 kJ/m3，属于典型低热值气体燃料；而COG可燃成分H2、CH4及CO等含量超过93.3%，低位发热值为18 213 kJ/m3，是典型的高热值气体燃料。

表2 煤粉的元素组成和工业分析Table 2 Elemental and proximate analysis of the coal

表3 BFG、COG成分分析Table 3 Composition analysis of BFG and COG

1.3 测试分析

掺烧试验的蒸汽温度等参数通过电厂集控运行中的DCS系统获得，采用MRU牌NOVA PLUS型多功能烟气分析仪在锅炉尾部烟道布置测点测定烟气温度、烟气成分等参数，并对飞灰多次采样进行可燃物分析。

锅炉热效率采用反平衡计算，锅炉运行试验符合《GB10184—88电站锅炉性能试验规程》，试验过程中锅炉无排污，负荷保持相对稳定。

2 结果与分析

2.1 COG掺烧对锅炉排烟温度的影响

图1为COG掺烧热值比对锅炉排烟温度的影响。由图1可看出，锅炉排烟温度随着COG掺烧的增加而逐渐下降。当COG掺烧热值比为9%时，排烟温度为158 ℃；当COG掺烧热值比增至36.8%时，排烟温度降至146 ℃。随着COG掺烧量的增加，排烟温度下降幅度逐渐减弱。这是由于COG的掺烧提高了炉膛温度，改善了煤粉的燃烧，同时COG产生烟气量少(相同热值下，COG烟气量仅为煤粉的1/10)，降低炉膛火焰中心高度，增加炉膛辐射吸热量而减少锅炉的对流换热量，从而降低了排烟温度[7]。

图1 COG掺烧热值比对锅炉排烟温度的影响

Fig.1EffectofCOGblendingcaloricvalueratioonexhausttemperatureoftheboiler

2.2 COG掺烧对锅炉过热蒸汽温度的影响

图2为COG掺烧热值比对锅炉过热蒸汽温度的影响。由图2可看出，过热蒸汽温度随着COG掺烧的增加而逐渐降低。当COG掺烧热值比由9%增至36%时，过热蒸汽温度由440.5 ℃降至431 ℃。但随着COG掺烧量的增加，过热蒸汽温度下降逐渐变缓，COG掺烧对过热蒸汽温度的影响程度也逐渐降低。这是由于COG掺烧时烟气量减少，导致炉膛火焰中心下降，炉膛出口温度降低，辐射传热量增加，对流换热量减少，因而过热蒸汽温度降低[7]。

图2 COG掺烧热值比对锅炉过热蒸汽温度的影响

Fig.2EffectofCOGblendingcaloricvalueratioonsuperheatedsteamtemperatureoftheboiler

2.3 COG掺烧对锅炉飞灰含碳量的影响

图3为COG掺烧热值比对锅炉飞灰含碳量的影响。由图3可看出，由于锅炉燃用煤粉质量较差，导致飞灰含碳量整体较高，而COG掺烧对飞灰含碳量的影响较明显。当COG掺烧热值比为9%时，飞灰含碳量为9.2%，随着COG掺烧的。增加，飞灰含碳量迅速降低；当COG掺烧热值比增至28.2%时，飞灰含碳量降至5.6%。随着COG掺烧的进一步增加，煤粉燃烧比较充分，飞灰含碳量随着COG掺烧的变化幅度逐渐减弱，其维持在较低的水平。这是由于COG掺烧整体上提高炉膛温度，降低炉膛火焰中心高度，延长煤粉炉膛停留时间[7]，有利于煤粉的充分燃烧，从而使飞灰含碳量降低

图3 COG掺烧热值比对锅炉飞灰含碳量的影响

Fig.3EffectofCOGblendingcaloricvalueratioonflyashcarboncontentoftheboiler

2.4 COG掺烧对锅炉热效率的影响

图4为COG掺烧热值比对锅炉热效率的影响。由图4可看出，锅炉热效率随着COG掺烧热值比的增加而逐渐提高。当COG掺烧热值比为9%时，锅炉整体热效率仅为78.8%；而当COG掺烧热值比升至32.8%时，锅炉热效率达到85.4%。随着COG掺烧量增加，锅炉热效率提高幅度逐渐降低。

图4 COG掺烧热值比对锅炉热效率的影响

Fig.4EffectofCOGblendingcaloricvalueratioonthermalefficiencyoftheboiler

COG掺烧结果表明，COG的掺烧有利于锅炉排烟温度、飞灰含碳量、过热蒸汽温度的降低以及锅炉热效率的提高，且维持较高的COG掺烧热值比，有利于锅炉的运行及热效率的提高。但从煤气平衡的角度考虑，混烧锅炉大量掺烧COG，不利于钢厂的煤气平衡，且当COG掺烧热值比超过32.8%后，其对锅炉热效率的提高不明显，掺烧的经济性逐渐降低。因此，为保证COG掺烧的经济性，COG掺烧热值比应控制在30%左右。

2.5 BFG、COG混合掺烧对锅炉排烟温度的影响

图5为BFG、COG掺烧热值比对锅炉排烟温度的影响。由图5可看出，排烟温度随着COG掺烧量的增加而逐渐降低，但随着BFG掺烧量的增加而逐渐升高。随着BFG掺烧量的增加，排烟温度升高幅度逐渐变大。在COG掺烧热值比为10%条件下，BFG掺烧热值比由15%增至45%时，排烟温度由163.1 ℃升至192.3 ℃，上升了约29 ℃，且BFG掺烧热值比超过40%后，排烟温度超过184 ℃的设计值。随着COG掺烧量的增加，排烟温度整体下降，在COG掺烧热值比为30%条件下，BFG掺烧热值比由15%增至45%时，排烟温度由157.6℃升至173.2 ℃，排烟温度较COG掺烧热值比为10%时有较大幅度的下降。随着COG掺烧热值比的进一步增加，排烟温度进一步降低，但下降幅度逐渐减小，COG掺烧对排烟温度的影响也逐渐减弱。这是由于BFG的掺烧虽然降低了炉膛的整体温度，但由于BFG产生烟气量大，煤粉在炉膛停留时间较短，炉膛火焰中心上移，导致排烟温度上升[8-9]。

图5 BFG、COG掺烧热值比对锅炉排烟温度的影响

Fig.5Effectofgasblendingcaloricvalueratioonexhausttemperatureoftheboiler

2.6 BFG、COG混合掺烧对锅炉飞灰含碳量的影响

图6为BFG、COG掺烧热值比对锅炉飞灰含碳量的影响。由图6可看出，在COG掺烧热值比为10%条件下，BFG掺烧热值比由15%增至45%时，飞灰含碳量由9.8%快速增至21.9%，且随着BFG掺烧量的增加，飞灰含碳量增加越明显。这是由于煤粉可燃性差，在低COG掺烧条件下，炉膛温度低，BFG掺烧十分不利于煤粉的燃烬，飞灰含碳量较高[10]。但随着COG掺烧量的增加，飞灰含碳量整体下降，COG掺烧热值比为30%条件下，BFG掺烧热值比从15%增至45%时，飞灰含碳量由7.1%增至13.9%，飞灰含碳量较COG掺烧热值比为10%时下降较明显。随着COG掺烧量的进一步增加，飞灰含碳量继续下降，但BFG掺烧量对飞灰含碳量的影响逐渐减弱。当COG掺烧热值比超过30%且BFG掺烧热值比低于35%时，飞灰含碳量基本上控制在10%以下。

图6 BFG、COG掺烧热值比对锅炉飞灰含碳量的影响

Fig.6Effectofgasblendingcaloricvalueratioonflyashcarboncontentoftheboiler

2.7 BFG、COG混合掺烧对锅炉过热蒸汽温度的影响

图7为BFG、COG掺烧热值比对锅炉过热蒸汽温度的影响。由图7可看出，过热蒸汽温度随着BFG掺烧量的增加而逐渐上升，且变化越来越明显，这是由于BFG掺烧导致炉膛火焰中心上移，烟道烟气流速加快，对流换热量增加，过热蒸汽温度明显上升[11-12]。但随着COG掺烧量的增加，过热蒸汽温度逐渐下降。在COG掺烧热值比为10%的条件下，当BFG掺烧热值比为15%时，过热蒸汽温度为424.2 ℃，而当BFG掺烧热值比增至45%时，过热蒸汽温度升至443.9 ℃，上升近20 ℃。随着COG掺烧量的增加，过热蒸汽温度整体逐渐下降，在COG掺烧热值比为40%条件下，当BFG掺烧热值比由15%增至45%时，过热蒸汽温度由418.7 ℃升至427.6 ℃，上升约9 ℃。过热蒸汽温度随BFG掺烧量增加的变化幅度较COG掺烧热值比为10%时减小，COG的掺烧削弱了BFG对过热蒸汽温度的影响。

图7 BFG、COG掺烧热值比对锅炉过热蒸汽温度的影响

Fig.7Effectofgasblendingcaloricvalueratioonsuperheatedsteamtemperatureoftheboiler

2.8 BFG、COG混合掺烧对锅炉热效率的影响

图8为BFG、COG掺烧热值比对锅炉热效率的影响。由图8可看出，锅炉热效率随着BFG掺烧热值比的增加而逐渐下降，且下降幅度逐渐增大，但随COG掺烧热值比的增加，锅炉热效率却逐渐上升。在COG掺烧热值比为10%条件下，当BFG掺烧热值比为15%时，锅炉热效率为76.5%，而BFG掺烧热值比为45%时，热效率仅为66.3%，锅炉热效率随着BFG掺烧热值比的增加下降明显。随着COG掺烧热值比的增加，在COG掺烧热值比为30%条件下，当BFG掺烧热值比为15%时，锅炉热效率为81.6%，而BFG掺烧热值比为45%时，锅炉热效率为72.6%，锅炉热效率随COG掺烧量增加而整体上升明显。随着COG掺烧量的进一步增加，锅炉热效率继续上升，但上升幅度逐渐减弱，COG掺烧的经济性却降低。

图8 BFG、COG掺烧热值比对锅炉热效率的影响

Fig.8Effectofgasblendingcaloricvalueratioonthermalefficiencyoftheboiler

BFG、COG掺烧结果表明，BFG的掺烧十分不利于煤粉的燃烧以及锅炉的运行，而通过调整COG、BFG掺烧，可以改善煤粉燃烧，优化锅炉运行状况以及维持钢厂的煤气平衡。当COG掺烧热值比为40%且BFG掺烧热值比为30%时，锅炉排烟温度为161 ℃、飞灰含碳量为8.3%、过热蒸汽温度为421.9 ℃、锅炉热效率为80.9%。此时锅炉运行稳定，炉膛无灭火事故发生，煤气掺烧率较设计值有大幅度提高，既实现了BFG的较大比例掺烧，又有利于生产过程的煤气平衡以及锅炉的安全运行。

3 结论

(1)COG的掺烧提高了炉膛火焰的稳定性，减少灭火事故的发生，有利于煤粉的充分燃烧，降低了飞灰未燃物含量，锅炉整体热效率提高。但大比例掺烧COG时，其对锅炉热效率的提高不明显，且不利于煤气平衡，COG掺烧的经济性不高。混烧锅炉采用煤粉/COG方式运行时，COG掺烧热值比应控制在30%左右。

(2)混烧锅炉同时掺烧BFG、COG时，为保证煤粉的燃烧以及锅炉热效率，BFG热值比不宜超过40%，且COG热值比不宜低于30%。当BFG掺烧热值比为30%且COG掺烧热值比为40%时，飞灰含碳量为8.4%，排烟温度为160.6 ℃，热效率为80.9%，煤气掺烧率较设计值有大幅度提高，既实现了BFG的较大比例掺烧，又解决了BFG大量过剩问题，具有较好的经济性。

[1] 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.

[2] 董谦之. 200 MW锅炉煤/煤气混烧试验研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

[3] 任建兴，章德龙，周伟国，等. 低热值高炉煤气在发电设备中的应用[J]. 上海电力学院学报，2001，17(2)：1-4.

[4] H K Ma，F S Wu. Effect of BFG co-firing on unburned carbon formation in a coal-fired boiler[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 1992, 19(13):409-421.

[5] S S Hou, C H Chen, C Y Chang,et al. Firing blast furnace gas without support fuel in steel mill boilers[J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52: 2758-2767.

[6] 王海风，张春霞，胡长庆，等. 钢铁企业焦炉煤气利用的一个重要发展方向[J]. 钢铁研究学报，2008，20(3)：1-5.

[7] 王文欢，潘卫国，任建兴，等. 350 MW煤/气混烧电站锅炉运行特性的试验研究[J]. 上海电力学院学报，2006，22(3)：221-228.

[8] 刘定平，陈红艳. 低热值高炉煤气与煤粉混烧技术的探讨[J]. 锅炉技术，2003，34(6)：44-48.

[9] 韩光磊. 掺烧高炉煤气的300 MW发电机组燃煤锅炉特点及其节能效果[J]. 能源技术，2010，31(5)：299-302.

[10]湛志钢，陈刚. 煤粉锅炉掺烧高炉煤气对煤粉燃烬影响的研究[J]. 动力工程，2004，24(2)：179-182.

[11]赵林凤，王文欢，宗仰炜，等. 煤/气混烧电站锅炉对流受热面传热特性的研究[J]. 上海电力学院学报，2007，23(4)：341-344.

[12]方立军，武 生，胡月龙，等. 掺烧高炉煤气对锅炉传热特性影响的研究[J]. 华北电力大学学报，2013，40(1)：66-70.