基于提高煤粉煤气混烧锅炉经济性运行方法研究

高 磊，陈伟鹏

(1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古特种设备检验院包头分院，内蒙古 包头 014010)

1 设备概况

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、焦炉煤气及转炉煤气等副产煤气总热值约相当于钢铁工业总能耗量的25%，其中我国又以高炉煤气产量最多，其年发生量高达3×1012m3。因此利用好副产煤气，尤其是产量最大的高炉煤气，这对钢铁行业节能降耗有着重要的意义[1-2]。目前，通过煤气、煤粉混烧锅炉燃烧发电是我国钢铁企业利用副产煤气，提高经济性的主要途径之一[3-4]，包钢热电厂现有10台锅炉，其中1号、2号、3号锅炉为煤粉、煤气混烧锅炉，在高炉检修、停运、煤气量大量不足时承担着重要的供热、发电、供风任务，是重要的生产设备，而研究煤粉、煤气混烧锅炉的经济性，在当前钢铁行业显得尤为重要。

2015年，我国提出了史上最为严格的“环保法”，对于燃煤锅炉来说，其主要污染物为粉尘、二氧化硫及氮氧化物，其中粉尘、二氧化硫的排放量主要受煤质影响，随着电厂煤质逐步趋于稳定，并于2011年新增设布袋除尘、石灰石-石膏湿法脱硫工艺设备，粉尘及二氧化硫排放量已达到国家环保要求，运营成本已趋于稳定[5-6]；而氮氧化物的生成受到温度、氧量、停留时间及燃料氮氧化物含量等因素影响，不同工况、不同操作方法，会对氮氧化物的生成产生极大差异，1号锅炉采用的是“低氮燃烧器+SNCR”工艺，主要成本体现在吸收剂，即尿素的消耗量上，分析煤气掺烧对煤粉燃烧产生氮氧化物的影响，编制一套合理、科学、节约的操作方法，对降低环保成本极为重要[7-8]。

2 原有煤粉、煤气混烧锅炉运行调整方法

运行方法为70～130 t/h负荷时，煤粉火咀投入量及给粉机转速无要求，高焦炉煤气投入量随意调整。高焦炉煤气投入量无明确要求，从成本角度，煤粉制备成本高于煤气成本，影响锅炉运行经济性；原有操作法未考虑以下问题：煤粉消耗量对成本的影响；未考虑煤气煤粉不同掺烧量对成本的影响；未考虑运行过程中煤气对脱硝成本的影响。

3 试验方法与分析过程

3.1 煤粉燃烧试验

试验目的：确定煤粉燃烧量，规范煤粉燃烧调整方法。

试验方法：控制锅炉氧量在5%～8%，炉膛负压在-50～-100 Pa,分负荷段调整上下2层共8台给粉机转速，隔绝高焦炉煤气，根据四角均匀配粉原则，尽量调至给粉机最低转速可得出以下结论。

1号锅炉在70 t/h负荷时上下2层给粉机最低转速控制在450 r/min；80 t/h负荷时上层给粉机最低转速控制在500 r/min，下层给粉机最低转速控制在500 r/min；90 t/h负荷时上下2层给粉机最低转速控制在550 r/min，100 t/h负荷时上下2层给粉机最低转速控制在600 r/min，110 t/h负荷时上下2层给粉机最低转速控制在650 r/min，120 t/h负荷时上下2层给粉机最低转速控制在700 r/min，130 t/h负荷时上下2层给粉机最低转速控制在900 r/min。

给粉机0.5 t/min下70～130 t/h负荷段锅炉换热效率见表1，随锅炉负荷上升，锅炉换热效率增加，当负荷在120 t/h时，换热效率达到最大，而如果继续提升锅炉负荷，效率显著下降。

表1 给粉机0.5 t/min下70～130 t/h负荷段锅炉换热效率

3.2 高煤不同比例混合燃烧试验

试验目的：确定高煤对锅炉各主要参数影响程度，规范高煤混烧调整方法。

试验方法：在不同负荷段调整给粉机转速至结论值，分别投入高焦炉煤气，控制氧量在5%～8%，炉膛负压在-50～-100 Pa，尽量调至给粉机最低转速可得出如下结论。

a.焦炉煤气由于热值较高，投入时对给粉机转速影响较大，投入1000 m3/h时，对给粉机转速影响在25 r/min左右，投入2000 m3/h时，对给粉机转速影响在55 r/min左右。

b.高炉煤气由于热值较低，投入时对给粉机转速影响较小，投入2000 m3/h时，对给粉机转速影响在12 r/min左右；投入4000 m3/h时，对给粉机转速影响在22 r/min左右；投入6000 m3/h时，对给粉机转速影响在35 r/min左右，投入8000 m3/h时，对给粉机转速影响在44 r/min左右；投入10 000 m3/h时，对给粉机转速影响在56 r/min左右，投入12 000 m3/h时，对给粉机转速影响在68 r/min左右。

c.高焦炉煤气掺烧对锅炉换热效率的影响是：随焦煤量增加，排烟温度降低，锅炉热效率增加；随高煤量增加，排烟温度升高，锅炉热效率降低。

d.由于风机最大出力在320 000 m3/h，纯高煤掺烧工况，当负荷提升至110 t/h时，高煤掺烧量至最大12 000 m3/h，随负荷升高，由于吸风机出力限制，高煤掺烧量逐渐减小，当负荷达到130 t/h时，高煤掺烧量只能达到2500 m3/h，如投入焦煤，可小幅度提升高煤掺烧量，负荷提升至115 t/h时，高煤掺烧量至最大12 000 m3/h，随负荷升高，由于吸风机出力限制，高煤掺烧量逐渐减小，当负荷达到130 t/h时，高煤掺烧量只能达到6500 m3/h。

3.3 脱硝系统影响试验

试验目的：确定高煤掺烧对NOx生成的影响，从成本角度改进高煤调整方法。

试验方法：由于已知高煤对NOx的生产有抑制效果，在锅炉不同负荷段，调整煤粉、高煤、焦煤掺烧量，控制氧量5%～8%，炉膛负压-50～-100 Pa,收集脱硫后NOx折算值、二次风门开度、尿素流量、燃尽风门开度、排烟温度数据，进行分析。

脱硝系统影响试验见表2，由表2可得出如下结论。

表2 脱硝系统影响试验

a.随着负荷降低，NO浓度呈下降趋势。主要原因为随着负荷降低，燃料量有所减少，燃料型NO排放减少，同时炉内温度有所降低，热力型NO降低，所以总的氮氧化物减少，进而表现为NO浓度分布的下降。

b.高炉煤气对NOx的影响较大，由于高炉煤气中的惰性气体在炉内大量吸收燃烧热量，使炉内燃烧产物的温度水平降低，抑制热力型NOx的生成；同时由于掺烧高炉煤气，减少了煤粉中原料型NOx的生产，其中投入2000 m3/h高煤减少尿素流量0.02 m3/h, 投入4000 m3/h高煤减少尿素流量0.04 m3/h,投入6000 m3/h高煤减少尿素流量0.05 m3/h, 投入8000 m3/h高煤减少尿素流量0.07 m3/h,投入10 000 m3/h高煤减少尿素流量0.1 m3/h,投入12 000 m3/h高煤减少尿素流量0.12 m3/h。

c.高炉煤气投入对排烟温度影响较小，虽然掺烧高炉煤气会使火焰中心上移，炉膛辐射吸热量减少，炉膛出口烟温升高，但由于1号锅炉高煤掺烧量较小，对排烟温度影响在5 ℃以内。

4 优化措施

通过前期试验可对现有煤粉、煤气混烧锅炉运行调整方法进行成本核算。

核算方法：成本=耗煤量×煤价+煤气耗量×煤气热值×煤气价格+制粉系统电耗+风烟系统电耗。其中：耗煤量=给粉机转速/额定转速×给粉机额定供煤量；煤价通过进煤获得；煤气热值通过化验获得(包括高煤、焦煤)；制粉系统电耗=排粉机电耗+磨煤机电耗；风烟系统电耗=吸风机电耗+送风机电耗。

最优煤气掺烧比例见表3，可得出各负荷段的以下运行操作方式。

表3 最优煤气掺烧比例

a.80 t/h负荷时，煤粉火咀投入8个，给粉机转速380 r/min，焦炉煤气量投入2000 m3/h,高煤投入4000 m3/h。

b.90 t/h负荷时，煤粉火咀投入8个，给粉机转速430 r/min，焦炉煤气量投入2000 m3/h,高煤投入5000 m3/h。

c.100 t/h负荷时，煤粉火咀投入8个，给粉机转速480 r/min，焦炉煤气量投入2000 m3/h,高煤投入6000 m3/h。

d.110 t/h负荷时，煤粉火咀投入8个，给粉机转速530 r/min，焦炉煤气量投入2000 m3/h,高煤投入7000 m3/h。

e.120 t/h负荷时，煤粉火咀投入8个，给粉机转速590 r/min，焦炉煤气量投入2000 m3/h,高煤投入8000 m3/h。

f.130 t/h负荷时，煤粉火咀投入8个，给粉机转速810 r/min，焦炉煤气量投入2000 m3/h,高煤投入7000 m3/h。

5 经济效益与推广应用

以1号锅炉为例，2015年全年运行5000 h计算，平均负荷按100 t/h，按原有运行方式(12 000 m3/h高煤，2000 m3/h焦煤)，煤气价格按14元/GJ，焦煤热值按16 000 kJ/Nm3，高煤热值按3600 kJ/Nm3,燃煤量为21.975 t/h，煤价按305元/t，生产成本为7789元/h，全年运行成本为3894.5万元。

调整煤气掺烧量后(6000 m3/h高煤，2000 m3/h焦煤)，燃煤量为22.8 t/h，生产成本为7735元/h,全年运行成本为3867.5万元。单台煤粉炉每年可节约27万元，而减少的6000 m3/h高煤可用于煤气炉生产，以现有运行方式，结余煤气可用于5号、6号煤气炉生产，每h可生产6 t中压蒸汽，按全年运行5000 h计算，创造经济效益278.4万元。全年累计经济效益为305.4万元。

该运行方法已在动供总厂1号锅炉正式运行，目前运行良好，下一步将对2号、3号锅炉运用同样方法进行应用并指导运行，同时该运行方法也可应用于同类型煤粉煤气锅炉，作为提升效率的理论依据，具有一定的应用推广价值。