循環流化床鍋爐摻燒高爐煤氣的應用
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流化床鍋爐中摻燒時對爐膛換熱、過熱蒸汽溫度、鍋爐負荷、熱效率、分離裝置以及環境的影響，并提出了消除不良影響的相應措施。
關鍵詞:循環流化床鍋爐,摻燒,高爐煤氣,受熱面,傳熱系數
由于能源緊缺現象的日益嚴重，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電系統，再作為鍋爐的輔助燃料燃燒。循環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，其化學成分、熱值及物理參數見表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含量及著火環境（約530℃～650℃），但大量的惰性氣體（N2）會使火焰傳播速度變慢（層流火焰傳播速度約為0.3～1.2m/s），因此燃燒時容易發生脫火等不穩定狀態。
（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，因而其燃燒產物的體積流量也大。對于同樣容量的鍋爐，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流化床鍋爐爐內結渣、受熱面飛灰磨損、堵灰和低溫腐蝕等各種危害將會大大減輕。
2 摻燒高爐煤氣對鍋爐的影響
循環流化床鍋爐摻燒高爐煤氣會對爐膛換熱、過熱蒸汽溫度、鍋爐負荷、熱效率、分離裝置以及環境產生一定的影響。
2.1 摻燒高爐煤氣對爐膛換熱的影響
鍋爐摻燒高爐煤氣后對各傳熱因素的影響是十分重要的，應定性探討并找出傳熱系數計算公式以便確定爐膛結構。
程樂鳴等結合自己從事循環流化床十多年的設計經驗對1臺165MW循環流化床鍋爐的720小時實際運行數據進行了分析總結，提出爐膛四周水冷壁傳熱系數可通過下式計算：hw＝0.156(ρb)0.35(Tb)0.91。與實際運行數據相比，該式的最大相對誤差為1.32%，剩余標準差為1.96%，比較符合工程設計。
2.1.1 固體顆粒懸浮密度
鍋爐摻燒高爐煤氣后，由于進入爐內熱量的20%由氣體燃料提供，爐膛的固體顆粒濃度比純燃煤時小，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形成高溫外（比純燃煤時要高40℃～90℃），其它地方溫度與純燃煤時差不多。濟南某鍋爐公司設計的220t/h摻燒高爐煤氣循環流化床鍋爐，根據現場純燃煤時的運行數據，摻燒20%高爐煤氣時的運行數據（煤質不變、給水溫度不變）見表2；該鍋爐爐膛的吸熱量對比見表3（屏過布置在爐膛中上部）。
由表2、表3的運行數據，判斷公式應改為hw＝0.135(ρb)0.35(Tb)0.91，待鍋爐性能測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將增大，同時氣體的導熱系數將增大，使得顆粒絮團與壁面間的瞬態導熱熱阻和接觸熱阻均減小，顆粒對流傳熱系數也有所增大。摻燒高爐煤氣時，可通過一、二次風配比的不同，使兩種工況下的床溫基本保持差別在20℃～30℃，煤氣燃燒器的區域局部溫度要高一些，由于布置在衛燃帶區域，對整個鍋爐爐膛換熱影響不大，因此設計時仍按床溫900℃作為摻燒高爐煤氣的計算依據。床層溫度對傳熱系數的影響見下圖。
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傳熱計算結果見表4。
從表4中的數據可以看出，隨著摻燒高爐煤氣量的增加，通過對流式過熱器的煙氣流速有所提高，煙氣的放熱系數也相應增大；系統中工質輻射換熱器占總換熱量的分額逐漸降低，當摻燒率為80%時，輻射吸熱僅占14.2%。
高壓鍋爐的過熱汽溫一般約在540℃，工質的過熱吸熱焓增750kJ/kg，過熱吸熱量約占工質吸熱量的30%，循環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，循環物料比純燃煤時少，屏過的吸熱量比不摻燒時低，爐膛出口溫度與不摻燒時差不多，這就使進入對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，對流換熱系數相應提高8%～10%，因此以對流換熱形式為主的高壓鍋爐摻燒高爐煤氣時，過熱系統受熱面積應比不摻燒時減少5%～8%。
2.3 摻燒高爐煤氣對鍋爐負荷和熱效率的影響
摻燒高爐煤氣后，爐膛灰粒的濃度減少，蒸發吸熱量降低，如果要保持鍋爐的負荷不變，這部分熱量只能由省煤器的吸熱來彌補，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，省煤器工質吸熱不足補償爐膛換熱的減少，焓增減少，如果要保持鍋爐的其它參數不變，鍋爐的負荷就會降低，那么就有一部分熱量隨煙氣帶出鍋爐，運行時表現為排煙溫度升高，排煙熱損失增加，鍋爐熱效率下降。當摻燒率大于40%時，鍋爐熱效率的降低也不能使過熱器蒸汽溫度達到額定值。
摻燒高爐煤氣后，省煤器吸熱量增加，省煤器出口必然會出現較大的沸騰度，高沸騰度不但要增加給水泵的揚程和功率，而且使省煤器管內工質的水動力設計難度增大。為了防止省煤器沸騰度超標，在過熱器之后增設一組對流換熱自然循環方式的螺旋肋片管蒸發器，這樣不僅能起到保護省煤器、防止沸騰度超標的作用，還能起到延時調整汽溫及低負荷時調整負荷的作用。
2.4 摻燒高爐煤氣對分離裝置的影響
摻燒高爐煤氣后，進入旋風分離器的氣流量增大，切向進口風速明顯增加，氣流湍流度增加，顆粒反彈加劇，二次夾帶嚴重，結果造成旋風分離器的分離效率降低。同時，隨著煙氣中顆粒濃度的減小，粉塵的凝聚與團聚性下降，較小塵粒分布較散，不易捕集，大顆粒對這些小塵粒的攜帶作用也減弱，進一步造成了分離效率的減弱。另外，分離器進口氣速過高，壓力損失大大增加，能量損耗太大；同時也加速了對分離器本體的磨損。流速增加還會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，造成嚴重磨損。
采用蝸殼水冷旋風分離器，盡管蝸殼進口結構復雜，但可使氣固混合物平滑進入分離器，從而減弱了氣固混合物對筒體內氣流的撞擊和干擾，因此，分離效率較高，阻力損失也相對較小。蝸殼水冷旋風分離器的工作范圍較大，無論是摻燒高爐煤氣還是純燃煤均能正常工作，切割粒徑為50微米，能分離煙氣中大多數石灰石，保證脫硫效率。另外，這種旋風分離器采用了水冷形式，可以彌補因摻燒高爐煤氣引起的受熱面不足。
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的NOX（有害氣體）有3個生成源，見表5。
循環流化床鍋爐能夠在燃燒中有效地控制NOX和SO2的產生和排放，這是它能得到快速發展的最根本原因。循環流化床鍋爐燃燒室的燃燒溫度范圍可以控制在800℃～900℃內并穩定高效燃燒，抑制了熱力型NOX的形成，且同時采用分段燃燒方式，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流化床內加入石灰石，還可以脫去在燃燒過程中生成的SO2，達到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當燃燒溫度低于1500℃時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有害氣體的排放影響不大。
3 結論
（1）根據設計經驗和運行數據，摻燒20%高爐煤氣的循環流化床鍋爐爐膛四周水冷壁傳熱系數的公式為：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，對流換熱系數相應提高8%～10%。因此以對流換熱形式為主的高壓鍋爐摻燒高爐煤氣時，過熱系統受熱面積應比不摻燒時減少5%～8%。
（3）循環流化床鍋爐摻燒高爐煤氣的最大比例為30%，否則會破壞傳熱平衡，造成鍋爐負荷降低，熱效率下降。
（4）摻燒高爐煤氣后，采用旋風分離器結構的鍋爐的分離效率降低、脫硫效率下降、尾部受熱面磨損嚴重；采用蝸殼水冷旋風分離器結構的鍋爐運行良好。
（5）摻燒高爐煤氣后對有害氣體的排放影響不大。
參考文獻：
[1] 岑可法，等.循環流化床鍋爐理論設計與運行[M].北京：中國電力出版社， 1998.
[2] 陳鵬.鋼鐵廠煤氣回收利用與節能[J].中國能源,1994（6）.
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