循環(huán)流化床鍋爐摻燒高爐煤氣的應(yīng)用
摘要:介紹了高爐煤氣的主要燃燒特性，分析了高爐煤氣在循環(huán)流化床鍋爐中摻燒時(shí)對(duì)爐膛換熱、過熱蒸汽溫度、鍋爐負(fù)荷、熱效率、分離裝置以及環(huán)境的影響，并提出了消除不良影響的相應(yīng)措施。
關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床鍋爐,摻燒,高爐煤氣,受熱面,傳熱系數(shù)
由于能源緊缺現(xiàn)象的日益嚴(yán)重，一些低熱值的氣體燃料的綜合利用就顯得越來越重要。高爐煤氣是高爐煉鐵過程中的副產(chǎn)品，也是一種可以利用的氣體燃料。鋼鐵廠一般是把除塵后的高壓高爐煤氣送入余壓發(fā)電系統(tǒng)，再作為鍋爐的輔助燃料燃燒。循環(huán)流化床鍋爐摻燒高爐煤氣是一種很好的能源綜合利用方式。
1 高爐煤氣主要燃燒特性
高爐煤氣的主要化學(xué)成分是CO、CO2、N2和含量很少的CH4和H2。以山東某鋼廠的高爐煤氣為例，其化學(xué)成分、熱值及物理參數(shù)見表1。
高爐煤氣的特性主要有：
（1）高爐煤氣的可燃成分主要是CO，但其含量比較低，熱值約為12,636kJ/Nm3，所以高爐煤氣是一種低發(fā)熱量的氣體燃料。若高爐煤氣采用濕式除塵，由于水蒸汽含量增大，其熱值會(huì)更低一些。
（2）高爐煤氣的著火溫度主要取決于CO含量及著火環(huán)境（約530℃～650℃），但大量的惰性氣體（N2）會(huì)使火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟▽恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣燃s為0.3～1.2m/s），因此燃燒時(shí)容易發(fā)生脫火等不穩(wěn)定狀態(tài)。
（3）由于高爐煤氣的熱值低，鍋爐燃燒所需的燃料氣體流量大，因而其燃燒產(chǎn)物的體積流量也大。對(duì)于同樣容量的鍋爐，燃用高爐煤氣的煙氣體積流量要比燃用煙煤時(shí)增大40%～60%，但所需的入爐空氣體積流量卻大大減少，僅是燃煤鍋爐的55%～65%。
（4）由于高爐煤氣的含塵量低，因而合理摻燒高爐煤氣的循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)結(jié)渣、受熱面飛灰磨損、堵灰和低溫腐蝕等各種危害將會(huì)大大減輕。
2 摻燒高爐煤氣對(duì)鍋爐的影響
循環(huán)流化床鍋爐摻燒高爐煤氣會(huì)對(duì)爐膛換熱、過熱蒸汽溫度、鍋爐負(fù)荷、熱效率、分離裝置以及環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。
2.1 摻燒高爐煤氣對(duì)爐膛換熱的影響
鍋爐摻燒高爐煤氣后對(duì)各傳熱因素的影響是十分重要的，應(yīng)定性探討并找出傳熱系數(shù)計(jì)算公式以便確定爐膛結(jié)構(gòu)。
程樂鳴等結(jié)合自己從事循環(huán)流化床十多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)1臺(tái)165MW循環(huán)流化床鍋爐的720小時(shí)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析總結(jié)，提出爐膛四周水冷壁傳熱系數(shù)可通過下式計(jì)算：hw＝0.156(ρb)0.35(Tb)0.91。與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相比，該式的最大相對(duì)誤差為1.32%，剩余標(biāo)準(zhǔn)差為1.96%，比較符合工程設(shè)計(jì)。
2.1.1 固體顆粒懸浮密度
鍋爐摻燒高爐煤氣后，由于進(jìn)入爐內(nèi)熱量的20%由氣體燃料提供，爐膛的固體顆粒濃度比純?nèi)济簳r(shí)小，但爐膛的換熱還是以顆粒換熱為主，除燃燒器的局部位置會(huì)形成高溫外（比純?nèi)济簳r(shí)要高40℃～90℃），其它地方溫度與純?nèi)济簳r(shí)差不多。濟(jì)南某鍋爐公司設(shè)計(jì)的220t/h摻燒高爐煤氣循環(huán)流化床鍋爐，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)純?nèi)济簳r(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，摻燒20%高爐煤氣時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)（煤質(zhì)不變、給水溫度不變）見表2；該鍋爐爐膛的吸熱量對(duì)比見表3（屏過布置在爐膛中上部）。
由表2、表3的運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷公式應(yīng)改為hw＝0.135(ρb)0.35(Tb)0.91，待鍋爐性能測(cè)試完畢后再確定誤差。
2.1.2 床層溫度
在一定的懸浮密度下，總傳熱系數(shù)隨床層溫度的增加而增加。床層溫度升高，床層與壁面的輻射傳熱系數(shù)將增大，同時(shí)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)將增大，使得顆粒絮團(tuán)與壁面間的瞬態(tài)導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻均減小，顆粒對(duì)流傳熱系數(shù)也有所增大。摻燒高爐煤氣時(shí)，可通過一、二次風(fēng)配比的不同，使兩種工況下的床溫基本保持差別在20℃～30℃，煤氣燃燒器的區(qū)域局部溫度要高一些，由于布置在衛(wèi)燃帶區(qū)域，對(duì)整個(gè)鍋爐爐膛換熱影響不大，因此設(shè)計(jì)時(shí)仍按床溫900℃作為摻燒高爐煤氣的計(jì)算依據(jù)。床層溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響見下圖。
2.2 摻燒高爐煤氣對(duì)過熱蒸汽溫度的影響
不同摻燒率條件下鍋爐對(duì)流式過熱器的傳熱計(jì)算結(jié)果見表4。
從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著摻燒高爐煤氣量的增加，通過對(duì)流式過熱器的煙氣流速有所提高，煙氣的放熱系數(shù)也相應(yīng)增大；系統(tǒng)中工質(zhì)輻射換熱器占總換熱量的分額逐漸降低，當(dāng)摻燒率為80%時(shí)，輻射吸熱僅占14.2%。
高壓鍋爐的過熱汽溫一般約在540℃，工質(zhì)的過熱吸熱焓增750kJ/kg，過熱吸熱量約占工質(zhì)吸熱量的30%，循環(huán)流化床鍋爐一般在爐膛中上部靠近前墻布置屏式過熱器，爐頂布置頂棚過熱器，尾部布置高、低溫過熱器受熱面。由于摻燒煤氣后，循環(huán)物料比純?nèi)济簳r(shí)少，屏過的吸熱量比不摻燒時(shí)低，爐膛出口溫度與不摻燒時(shí)差不多，這就使進(jìn)入對(duì)流式過熱器的煙氣溫度水平相同，傳熱溫壓基本接近。由于摻燒后，體積流量增加12%左右，煙氣流速提高11%左右，對(duì)流換熱系數(shù)相應(yīng)提高8%～10%，因此以對(duì)流換熱形式為主的高壓鍋爐摻燒高爐煤氣時(shí)，過熱系統(tǒng)受熱面積應(yīng)比不摻燒時(shí)減少5%～8%。
2.3 摻燒高爐煤氣對(duì)鍋爐負(fù)荷和熱效率的影響
摻燒高爐煤氣后，爐膛灰粒的濃度減少，蒸發(fā)吸熱量降低，如果要保持鍋爐的負(fù)荷不變，這部分熱量只能由省煤器的吸熱來彌補(bǔ)，因此需要將省煤器改變成沸騰式省煤器。隨著摻燒率的提高，省煤器工質(zhì)吸熱不足補(bǔ)償爐膛換熱的減少，焓增減少，如果要保持鍋爐的其它參數(shù)不變，鍋爐的負(fù)荷就會(huì)降低，那么就有一部分熱量隨煙氣帶出鍋爐，運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)為排煙溫度升高，排煙熱損失增加，鍋爐熱效率下降。當(dāng)摻燒率大于40%時(shí)，鍋爐熱效率的降低也不能使過熱器蒸汽溫度達(dá)到額定值。
摻燒高爐煤氣后，省煤器吸熱量增加，省煤器出口必然會(huì)出現(xiàn)較大的沸騰度，高沸騰度不但要增加給水泵的揚(yáng)程和功率，而且使省煤器管內(nèi)工質(zhì)的水動(dòng)力設(shè)計(jì)難度增大。為了防止省煤器沸騰度超標(biāo)，在過熱器之后增設(shè)一組對(duì)流換熱自然循環(huán)方式的螺旋肋片管蒸發(fā)器，這樣不僅能起到保護(hù)省煤器、防止沸騰度超標(biāo)的作用，還能起到延時(shí)調(diào)整汽溫及低負(fù)荷時(shí)調(diào)整負(fù)荷的作用。
2.4 摻燒高爐煤氣對(duì)分離裝置的影響
摻燒高爐煤氣后，進(jìn)入旋風(fēng)分離器的氣流量增大，切向進(jìn)口風(fēng)速明顯增加，氣流湍流度增加，顆粒反彈加劇，二次夾帶嚴(yán)重，結(jié)果造成旋風(fēng)分離器的分離效率降低。同時(shí)，隨著煙氣中顆粒濃度的減小，粉塵的凝聚與團(tuán)聚性下降，較小塵粒分布較散，不易捕集，大顆粒對(duì)這些小塵粒的攜帶作用也減弱，進(jìn)一步造成了分離效率的減弱。另外，分離器進(jìn)口氣速過高，壓力損失大大增加，能量損耗太大；同時(shí)也加速了對(duì)分離器本體的磨損。流速增加還會(huì)引起加入爐膛中的石灰石顆粒被二次夾帶，與大量同粒徑的顆粒一起進(jìn)入尾部，造成脫硫劑損失，脫硫效率下降，在尾部沖刷受熱面，造成嚴(yán)重磨損。
采用蝸殼水冷旋風(fēng)分離器，盡管蝸殼進(jìn)口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可使氣固混合物平滑進(jìn)入分離器，從而減弱了氣固混合物對(duì)筒體內(nèi)氣流的撞擊和干擾，因此，分離效率較高，阻力損失也相對(duì)較小。蝸殼水冷旋風(fēng)分離器的工作范圍較大，無論是摻燒高爐煤氣還是純?nèi)济壕苷９ぷ，切割粒徑?0微米，能分離煙氣中大多數(shù)石灰石，保證脫硫效率。另外，這種旋風(fēng)分離器采用了水冷形式，可以彌補(bǔ)因摻燒高爐煤氣引起的受熱面不足。
2.5 摻燒高爐煤氣對(duì)環(huán)境的影響
一般化石燃料在燃燒過程中形成的NOX（有害氣體）有3個(gè)生成源，見表5。
循環(huán)流化床鍋爐能夠在燃燒中有效地控制NOX和SO2的產(chǎn)生和排放，這是它能得到快速發(fā)展的最根本原因。循環(huán)流化床鍋爐燃燒室的燃燒溫度范圍可以控制在800℃～900℃內(nèi)并穩(wěn)定高效燃燒，抑制了熱力型NOX的形成，且同時(shí)采用分段燃燒方式，可控制燃料型NOX的生成。一般情況下，循環(huán)流化床鍋爐NOX的生成量僅為煤粉爐NOX生成量的1/4～1/3。此外，在燃燒過程中直接向循環(huán)流化床內(nèi)加入石灰石，還可以脫去在燃燒過程中生成的SO2，達(dá)到90％的脫硫效率。
鍋爐摻燒高爐煤氣后，雖然高爐煤氣本身含有大量的N2，但由于高爐煤氣在絕熱條件下的理論燃燒溫度不足1400℃，而熱力型NOX當(dāng)燃燒溫度低于1500℃時(shí)的生成量幾乎觀察不到；高爐煤氣中不存在固液體燃料中的含氮有機(jī)化合物，所以燃料型NOX也不存在；至于催化型NOX，目前的控制技術(shù)還不成熟。
由于高爐煤氣中幾乎不含硫，因此摻燒高爐煤氣后對(duì)有害氣體的排放影響不大。
3 結(jié)論
（1）根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，摻燒20%高爐煤氣的循環(huán)流化床鍋爐爐膛四周水冷壁傳熱系數(shù)的公式為：hw＝0.135(ρb)0.35(Tb)0.91。
（2）由于摻燒高爐煤氣后，體積流量增加12%左右，煙氣流速提高11%左右，對(duì)流換熱系數(shù)相應(yīng)提高8%～10%。因此以對(duì)流換熱形式為主的高壓鍋爐摻燒高爐煤氣時(shí)，過熱系統(tǒng)受熱面積應(yīng)比不摻燒時(shí)減少5%～8%。
（3）循環(huán)流化床鍋爐摻燒高爐煤氣的最大比例為30%，否則會(huì)破壞傳熱平衡，造成鍋爐負(fù)荷降低，熱效率下降。
（4）摻燒高爐煤氣后，采用旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)的鍋爐的分離效率降低、脫硫效率下降、尾部受熱面磨損嚴(yán)重；采用蝸殼水冷旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)的鍋爐運(yùn)行良好。
（5）摻燒高爐煤氣后對(duì)有害氣體的排放影響不大。
參考文獻(xiàn)：
[1] 岑可法，等.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行[M].北京：中國電力出版社， 1998.
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