摘要:介紹了高(gao)爐(lu)煤氣(qi)的主要燃燒(shao)特性，分析了高(gao)爐(lu)煤氣(qi)在(zai)循(xun)環流(liu)化床(chuang)鍋爐(lu)中摻燒(shao)時對爐(lu)膛(tang)換熱(re)、過熱(re)蒸汽(qi)溫(wen)度、鍋爐(lu)負荷、熱(re)效率、分離(li)裝置(zhi)以及環境的影響，并提出了消除不良(liang)影響的相應措施。

關鍵詞:循(xun)環流化床鍋爐,摻燒,高爐煤氣,受熱(re)面,傳熱(re)系數

由于能源(yuan)緊缺現象(xiang)的(de)日益嚴重(zhong)，一些(xie)低熱值(zhi)的(de)氣(qi)體燃料(liao)的(de)綜合利(li)用(yong)就顯(xian)得越來越重(zhong)要。高爐(lu)煤氣(qi)是(shi)(shi)高爐(lu)煉鐵過程中的(de)副產(chan)品，也是(shi)(shi)一種可以利(li)用(yong)的(de)氣(qi)體燃料(liao)。鋼鐵廠一般是(shi)(shi)把除塵后的(de)高壓(ya)高爐(lu)煤氣(qi)送入余壓(ya)發電系統，再作(zuo)為鍋(guo)(guo)爐(lu)的(de)輔助燃料(liao)燃燒。循環流化床鍋(guo)(guo)爐(lu)摻燒高爐(lu)煤氣(qi)是(shi)(shi)一種很好的(de)能源(yuan)綜合利(li)用(yong)方(fang)式。

1 高爐煤氣主要燃燒特性

高(gao)爐煤氣(qi)的主(zhu)要(yao)化(hua)學成(cheng)分是CO、CO2、N2和(he)含量很少的CH4和(he)H2。以山(shan)東某鋼廠的高(gao)爐煤氣(qi)為例，其化(hua)學成(cheng)分、熱值及物理參數見表1。

高(gao)爐煤(mei)氣的特性主要有：

（1）高(gao)爐(lu)煤(mei)氣(qi)的可燃成分主要是CO，但其含(han)量比較低(di)，熱(re)值(zhi)約為12,636kJ/Nm3，所以(yi)高(gao)爐(lu)煤(mei)氣(qi)是一種低(di)發熱(re)量的氣(qi)體燃料。若高(gao)爐(lu)煤(mei)氣(qi)采用濕式除塵，由于(yu)水蒸汽(qi)含(han)量增大，其熱(re)值(zhi)會更低(di)一些。

（2）高爐(lu)煤氣的著(zhu)火(huo)(huo)溫度(du)主要取決(jue)于(yu)CO含(han)量及著(zhu)火(huo)(huo)環境（約(yue)530℃～650℃），但(dan)大量的惰性(xing)氣體（N2）會使(shi)火(huo)(huo)焰傳播(bo)速度(du)變慢（層流火(huo)(huo)焰傳播(bo)速度(du)約(yue)為0.3～1.2m/s），因(yin)此燃燒時容易(yi)發生脫火(huo)(huo)等不穩定狀態。

（3）由(you)于(yu)高(gao)爐煤氣的熱(re)值低，鍋(guo)(guo)爐燃(ran)燒所需(xu)的燃(ran)料(liao)氣體(ti)流(liu)(liu)量(liang)大，因而(er)其燃(ran)燒產物的體(ti)積(ji)流(liu)(liu)量(liang)也(ye)大。對于(yu)同樣容量(liang)的鍋(guo)(guo)爐，燃(ran)用(yong)高(gao)爐煤氣的煙氣體(ti)積(ji)流(liu)(liu)量(liang)要比燃(ran)用(yong)煙煤時增大40%～60%，但所需(xu)的入(ru)爐空氣體(ti)積(ji)流(liu)(liu)量(liang)卻大大減少，僅是燃(ran)煤鍋(guo)(guo)爐的55%～65%。

（4）由于高(gao)爐煤氣(qi)的(de)含塵量(liang)低，因而合(he)理摻(chan)燒高(gao)爐煤氣(qi)的(de)循(xun)環(huan)流(liu)化床(chuang)鍋爐爐內(nei)結渣、受熱(re)面飛灰磨損、堵(du)灰和低溫腐蝕(shi)等各種危害將會大大減輕。

2 摻燒高爐煤氣對鍋爐的影響

循環(huan)流化床鍋爐摻燒高(gao)爐煤氣會對爐膛(tang)換熱、過熱蒸汽溫度、鍋爐負荷(he)、熱效率、分離(li)裝置(zhi)以及環(huan)境(jing)產生一定的影(ying)響。

2.1 摻燒高爐煤氣對爐膛換熱的影響

鍋爐(lu)(lu)(lu)摻燒高爐(lu)(lu)(lu)煤氣后對各傳熱(re)因素的影響是十分(fen)重要的，應定(ding)性探(tan)討(tao)并找出(chu)傳熱(re)系數計算公式以便確定(ding)爐(lu)(lu)(lu)膛結構。

程(cheng)樂(le)鳴等結(jie)合自己(ji)從事循環流化(hua)床(chuang)十多年的(de)設計經驗(yan)對(dui)1臺(tai)165MW循環流化(hua)床(chuang)鍋爐的(de)720小時實(shi)際運(yun)行(xing)數據進行(xing)了分析總結(jie)，提出爐膛四周水冷壁(bi)傳(chuan)熱(re)系(xi)數可通過下式(shi)計算：hw＝0.156(ρb)0.35(Tb)0.91。與(yu)實(shi)際運(yun)行(xing)數據相比(bi)，該式(shi)的(de)最大相對(dui)誤差為1.32%，剩余標準(zhun)差為1.96%，比(bi)較符(fu)合工程(cheng)設計。

2.1.1 固體顆粒(li)懸浮(fu)密度

鍋(guo)爐摻(chan)燒(shao)高(gao)爐煤(mei)氣后，由(you)于進入爐內熱量的(de)(de)20%由(you)氣體燃(ran)(ran)料提供，爐膛(tang)的(de)(de)固體顆粒濃度比純燃(ran)(ran)煤(mei)時小，但爐膛(tang)的(de)(de)換(huan)熱還是以顆粒換(huan)熱為主，除(chu)燃(ran)(ran)燒(shao)器(qi)的(de)(de)局部(bu)位置(zhi)會(hui)形成高(gao)溫(wen)外（比純燃(ran)(ran)煤(mei)時要高(gao)40℃～90℃），其(qi)它地方溫(wen)度與純燃(ran)(ran)煤(mei)時差不(bu)多(duo)。濟南某(mou)鍋(guo)爐公(gong)司設計的(de)(de)220t/h摻(chan)燒(shao)高(gao)爐煤(mei)氣循環流化(hua)床鍋(guo)爐，根據(ju)(ju)現(xian)場純燃(ran)(ran)煤(mei)時的(de)(de)運(yun)行數(shu)據(ju)(ju)，摻(chan)燒(shao)20%高(gao)爐煤(mei)氣時的(de)(de)運(yun)行數(shu)據(ju)(ju)（煤(mei)質不(bu)變(bian)、給(gei)水溫(wen)度不(bu)變(bian)）見(jian)表2；該(gai)鍋(guo)爐爐膛(tang)的(de)(de)吸熱量對(dui)比見(jian)表3（屏過布置(zhi)在爐膛(tang)中上部(bu)）。

由表(biao)2、表(biao)3的運行數據，判斷公式應改為hw＝0.135(ρb)0.35(Tb)0.91，待鍋爐性(xing)能測試完畢后再確定誤差。

2.1.2 床層(ceng)溫(wen)度

在(zai)一(yi)定的(de)(de)懸浮(fu)密度(du)(du)下，總(zong)傳(chuan)熱系(xi)(xi)(xi)數(shu)隨(sui)床(chuang)(chuang)層溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加而增(zeng)(zeng)加。床(chuang)(chuang)層溫(wen)度(du)(du)升高，床(chuang)(chuang)層與(yu)壁面的(de)(de)輻射傳(chuan)熱系(xi)(xi)(xi)數(shu)將增(zeng)(zeng)大，同時氣(qi)體的(de)(de)導(dao)熱系(xi)(xi)(xi)數(shu)將增(zeng)(zeng)大，使(shi)得顆粒絮團(tuan)與(yu)壁面間的(de)(de)瞬態導(dao)熱熱阻和接(jie)觸熱阻均減(jian)小，顆粒對(dui)流(liu)傳(chuan)熱系(xi)(xi)(xi)數(shu)也有所增(zeng)(zeng)大。摻(chan)(chan)燒(shao)高爐(lu)煤(mei)氣(qi)時，可通過一(yi)、二次風配比(bi)的(de)(de)不同，使(shi)兩種(zhong)工況下的(de)(de)床(chuang)(chuang)溫(wen)基本保持差別在(zai)20℃～30℃，煤(mei)氣(qi)燃燒(shao)器的(de)(de)區域局部(bu)溫(wen)度(du)(du)要高一(yi)些，由于布置(zhi)在(zai)衛燃帶區域，對(dui)整(zheng)個鍋爐(lu)爐(lu)膛換(huan)熱影(ying)響(xiang)不大，因此設計時仍按床(chuang)(chuang)溫(wen)900℃作為摻(chan)(chan)燒(shao)高爐(lu)煤(mei)氣(qi)的(de)(de)計算依據。床(chuang)(chuang)層溫(wen)度(du)(du)對(dui)傳(chuan)熱系(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)影(ying)響(xiang)見(jian)下圖。

2.2 摻燒高爐煤氣對過熱蒸汽溫度的影響

不同摻燒率條件下鍋爐對流式過熱器的(de)傳熱計算結果見表(biao)4。

從表4中(zhong)的數(shu)據(ju)可(ke)以看出，隨著(zhu)摻燒(shao)高爐煤氣量的增(zeng)加(jia)，通過對流式過熱(re)(re)器的煙氣流速(su)有所(suo)提高，煙氣的放(fang)熱(re)(re)系數(shu)也(ye)相(xiang)應增(zeng)大；系統中(zhong)工質輻射換(huan)熱(re)(re)器占(zhan)總換(huan)熱(re)(re)量的分額逐漸降低，當摻燒(shao)率為80%時(shi)，輻射吸熱(re)(re)僅占(zhan)14.2%。

高(gao)壓鍋爐(lu)的(de)過(guo)(guo)熱(re)(re)(re)汽溫一(yi)(yi)般(ban)約在540℃，工質的(de)過(guo)(guo)熱(re)(re)(re)吸(xi)熱(re)(re)(re)焓增750kJ/kg，過(guo)(guo)熱(re)(re)(re)吸(xi)熱(re)(re)(re)量(liang)約占工質吸(xi)熱(re)(re)(re)量(liang)的(de)30%，循環(huan)流(liu)(liu)化床鍋爐(lu)一(yi)(yi)般(ban)在爐(lu)膛中上部靠近前墻(qiang)布置(zhi)屏式(shi)(shi)過(guo)(guo)熱(re)(re)(re)器，爐(lu)頂(ding)布置(zhi)頂(ding)棚過(guo)(guo)熱(re)(re)(re)器，尾部布置(zhi)高(gao)、低(di)溫過(guo)(guo)熱(re)(re)(re)器受(shou)(shou)熱(re)(re)(re)面。由(you)于(yu)摻(chan)燒(shao)煤(mei)氣(qi)后，循環(huan)物料比(bi)純燃(ran)煤(mei)時(shi)少(shao)，屏過(guo)(guo)的(de)吸(xi)熱(re)(re)(re)量(liang)比(bi)不(bu)(bu)摻(chan)燒(shao)時(shi)低(di)，爐(lu)膛出口溫度(du)與不(bu)(bu)摻(chan)燒(shao)時(shi)差(cha)不(bu)(bu)多，這就(jiu)使進入對(dui)流(liu)(liu)式(shi)(shi)過(guo)(guo)熱(re)(re)(re)器的(de)煙(yan)氣(qi)溫度(du)水平相同(tong)，傳熱(re)(re)(re)溫壓基本(ben)接(jie)近。由(you)于(yu)摻(chan)燒(shao)后，體積(ji)流(liu)(liu)量(liang)增加12%左右，煙(yan)氣(qi)流(liu)(liu)速提(ti)高(gao)11%左右，對(dui)流(liu)(liu)換(huan)熱(re)(re)(re)系(xi)(xi)數相應(ying)提(ti)高(gao)8%～10%，因此(ci)以對(dui)流(liu)(liu)換(huan)熱(re)(re)(re)形式(shi)(shi)為主的(de)高(gao)壓鍋爐(lu)摻(chan)燒(shao)高(gao)爐(lu)煤(mei)氣(qi)時(shi)，過(guo)(guo)熱(re)(re)(re)系(xi)(xi)統(tong)受(shou)(shou)熱(re)(re)(re)面積(ji)應(ying)比(bi)不(bu)(bu)摻(chan)燒(shao)時(shi)減少(shao)5%～8%。

2.3 摻燒高爐煤氣對鍋爐負荷和熱效率的影響

摻燒高(gao)爐(lu)(lu)煤(mei)氣后(hou)，爐(lu)(lu)膛(tang)灰粒的濃度(du)(du)減少，蒸發吸熱(re)量降(jiang)(jiang)低(di)，如(ru)果要保(bao)持鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)的負荷不變，這(zhe)部(bu)分(fen)(fen)熱(re)量只能(neng)由省煤(mei)器(qi)(qi)(qi)的吸熱(re)來彌補，因此需要將省煤(mei)器(qi)(qi)(qi)改變成沸騰式省煤(mei)器(qi)(qi)(qi)。隨(sui)著摻燒率的提高(gao)，省煤(mei)器(qi)(qi)(qi)工質吸熱(re)不足補償(chang)爐(lu)(lu)膛(tang)換熱(re)的減少，焓(han)增減少，如(ru)果要保(bao)持鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)的其(qi)它參數不變，鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)的負荷就會降(jiang)(jiang)低(di)，那么(me)就有一部(bu)分(fen)(fen)熱(re)量隨(sui)煙氣帶出鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)，運行時表現為排煙溫度(du)(du)升高(gao)，排煙熱(re)損失增加，鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)熱(re)效(xiao)率下(xia)降(jiang)(jiang)。當(dang)摻燒率大于(yu)40%時，鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)熱(re)效(xiao)率的降(jiang)(jiang)低(di)也不能(neng)使過(guo)熱(re)器(qi)(qi)(qi)蒸汽溫度(du)(du)達到額定值。

摻燒(shao)高爐煤(mei)氣后，省(sheng)煤(mei)器(qi)吸熱量增加，省(sheng)煤(mei)器(qi)出口必然會出現較大的(de)沸騰(teng)(teng)度(du)(du)，高沸騰(teng)(teng)度(du)(du)不(bu)(bu)但(dan)要(yao)增加給(gei)水(shui)泵的(de)揚程和功率，而且使省(sheng)煤(mei)器(qi)管內工質的(de)水(shui)動力設計(ji)難(nan)度(du)(du)增大。為了(le)防止省(sheng)煤(mei)器(qi)沸騰(teng)(teng)度(du)(du)超標(biao)(biao)，在過熱器(qi)之后增設一組(zu)對流換熱自(zi)然循(xun)環(huan)方式(shi)的(de)螺旋肋片管蒸發器(qi)，這樣不(bu)(bu)僅能(neng)起(qi)到保護省(sheng)煤(mei)器(qi)、防止沸騰(teng)(teng)度(du)(du)超標(biao)(biao)的(de)作(zuo)用(yong)，還能(neng)起(qi)到延時調(diao)整(zheng)汽溫及(ji)低(di)負荷時調(diao)整(zheng)負荷的(de)作(zuo)用(yong)。

2.4 摻燒高爐煤氣對分離裝置的影響

摻燒(shao)高(gao)爐煤氣(qi)后(hou)，進(jin)入(ru)(ru)旋風(feng)分離器的(de)(de)(de)氣(qi)流(liu)量(liang)增大(da)，切(qie)向進(jin)口風(feng)速(su)明顯增加，氣(qi)流(liu)湍流(liu)度(du)增加，顆粒反彈加劇，二次(ci)夾帶嚴重(zhong)，結果造成(cheng)旋風(feng)分離器的(de)(de)(de)分離效率降低。同時(shi)(shi)，隨著煙(yan)氣(qi)中顆粒濃(nong)度(du)的(de)(de)(de)減(jian)小，粉塵(chen)的(de)(de)(de)凝聚與團聚性下降，較小塵(chen)粒分布較散，不易捕集，大(da)顆粒對這些(xie)小塵(chen)粒的(de)(de)(de)攜帶作用也減(jian)弱(ruo)，進(jin)一步造成(cheng)了(le)分離效率的(de)(de)(de)減(jian)弱(ruo)。另外，分離器進(jin)口氣(qi)速(su)過高(gao)，壓力損(sun)失(shi)大(da)大(da)增加，能量(liang)損(sun)耗太大(da)；同時(shi)(shi)也加速(su)了(le)對分離器本體的(de)(de)(de)磨損(sun)。流(liu)速(su)增加還會引起(qi)加入(ru)(ru)爐膛(tang)中的(de)(de)(de)石(shi)灰石(shi)顆粒被(bei)二次(ci)夾帶，與大(da)量(liang)同粒徑的(de)(de)(de)顆粒一起(qi)進(jin)入(ru)(ru)尾部，造成(cheng)脫硫劑損(sun)失(shi)，脫硫效率下降，在(zai)尾部沖刷受熱面(mian)，造成(cheng)嚴重(zhong)磨損(sun)。

采用蝸(gua)殼(ke)水(shui)冷(leng)旋風分(fen)離(li)(li)器，盡(jin)管蝸(gua)殼(ke)進口結構復雜，但可使(shi)氣固混合(he)物平滑進入分(fen)離(li)(li)器，從而減(jian)弱了氣固混合(he)物對(dui)(dui)筒體內氣流(liu)的(de)(de)撞(zhuang)擊和干擾，因此，分(fen)離(li)(li)效率較高(gao)，阻力損(sun)失也(ye)相對(dui)(dui)較小(xiao)。蝸(gua)殼(ke)水(shui)冷(leng)旋風分(fen)離(li)(li)器的(de)(de)工(gong)作范圍(wei)較大，無論是(shi)摻燒高(gao)爐煤氣還是(shi)純燃煤均能正常工(gong)作，切(qie)割粒徑(jing)為50微(wei)米，能分(fen)離(li)(li)煙氣中大多數石(shi)灰石(shi)，保證脫硫效率。另外，這種旋風分(fen)離(li)(li)器采用了水(shui)冷(leng)形式，可以彌補因摻燒高(gao)爐煤氣引起的(de)(de)受熱面不(bu)足。

2.5 摻燒高爐煤氣對環境的影響

一般化石燃料在燃燒過程中形成(cheng)(cheng)的NOX（有(you)害氣體）有(you)3個生成(cheng)(cheng)源，見表5。

循(xun)(xun)環流化(hua)(hua)床鍋(guo)爐(lu)能夠在(zai)燃(ran)(ran)燒中有效地(di)控制(zhi)NOX和SO2的產生(sheng)和排放，這是它能得到快速發展的最根本原因。循(xun)(xun)環流化(hua)(hua)床鍋(guo)爐(lu)燃(ran)(ran)燒室(shi)的燃(ran)(ran)燒溫度范圍可(ke)以(yi)控制(zhi)在(zai)800℃～900℃內并穩(wen)定高效燃(ran)(ran)燒，抑制(zhi)了熱力型NOX的形成，且(qie)同時采用分段燃(ran)(ran)燒方式，可(ke)控制(zhi)燃(ran)(ran)料(liao)型NOX的生(sheng)成。一般情況下，循(xun)(xun)環流化(hua)(hua)床鍋(guo)爐(lu)NOX的生(sheng)成量(liang)僅為煤粉爐(lu)NOX生(sheng)成量(liang)的1/4～1/3。此外，在(zai)燃(ran)(ran)燒過(guo)程中直接向循(xun)(xun)環流化(hua)(hua)床內加入石(shi)灰石(shi)，還可(ke)以(yi)脫(tuo)去在(zai)燃(ran)(ran)燒過(guo)程中生(sheng)成的SO2，達到90％的脫(tuo)硫(liu)效率。

鍋爐(lu)(lu)摻燒(shao)高爐(lu)(lu)煤氣后，雖然高爐(lu)(lu)煤氣本身(shen)含(han)有大量(liang)的(de)(de)N2，但由于高爐(lu)(lu)煤氣在絕(jue)熱條件下(xia)的(de)(de)理論燃(ran)(ran)燒(shao)溫度不足1400℃，而熱力型NOX當燃(ran)(ran)燒(shao)溫度低于1500℃時的(de)(de)生成量(liang)幾(ji)乎(hu)觀察不到；高爐(lu)(lu)煤氣中(zhong)不存在固(gu)液體燃(ran)(ran)料中(zhong)的(de)(de)含(han)氮有機化合物，所以燃(ran)(ran)料型NOX也不存在；至(zhi)于催化型NOX，目前的(de)(de)控制技術還不成熟。

由于(yu)高(gao)爐煤(mei)(mei)氣中幾乎不(bu)含硫，因(yin)此摻燒高(gao)爐煤(mei)(mei)氣后對有害氣體(ti)的排放(fang)影響(xiang)不(bu)大(da)。

3 結論

（1）根據設(she)計(ji)經驗(yan)和運行數(shu)據，摻燒(shao)20%高爐煤氣的(de)循環(huan)流化(hua)床鍋(guo)爐爐膛四周水(shui)冷壁傳(chuan)熱系數(shu)的(de)公式(shi)為：hw＝0.135(ρb)0.35(Tb)0.91。

（2）由于摻燒(shao)高爐(lu)(lu)煤氣后(hou)，體積流量增加(jia)12%左右，煙氣流速提(ti)高11%左右，對流換熱(re)(re)系(xi)數(shu)相(xiang)應(ying)提(ti)高8%～10%。因此以對流換熱(re)(re)形式(shi)為主的高壓鍋爐(lu)(lu)摻燒(shao)高爐(lu)(lu)煤氣時，過熱(re)(re)系(xi)統受(shou)熱(re)(re)面積應(ying)比不(bu)摻燒(shao)時減少5%～8%。

（3）循(xun)環流化床鍋爐(lu)摻燒(shao)高爐(lu)煤氣的最大比例為30%，否則會(hui)破壞(huai)傳熱平(ping)衡，造成鍋爐(lu)負荷降低，熱效率(lv)下降。

（4）摻燒高爐(lu)煤氣(qi)后，采用旋風(feng)分離器結構(gou)的鍋爐(lu)的分離效率(lv)降低、脫硫效率(lv)下降、尾部(bu)受(shou)熱(re)面磨損(sun)嚴重；采用蝸殼水冷旋風(feng)分離器結構(gou)的鍋爐(lu)運行良好(hao)。

（5）摻燒高爐煤(mei)氣(qi)后對有害氣(qi)體(ti)的排(pai)放影響(xiang)不大。

參考文獻：

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