循环流化床锅炉掺烧高炉煤气的应用
摘要:介绍了高炉煤气的主要燃烧特性，分析了高炉煤气在循环流化床锅炉中掺烧时对炉膛换热、过热蒸汽温度、锅炉负荷、热效率、分离装置以及环境的影响，并提出了消除不良影响的相应措施。
关键词:循环流化床锅炉,掺烧,高炉煤气,受热面,传热系数
由于能源紧缺现象的日益严重，一些低热值的气体燃料的综合利用就显得越来越重要。高炉煤气是高炉炼铁过程中的副产品，也是一种可以利用的气体燃料。钢铁厂一般是把除尘后的高压高炉煤气送入余压发电系统，再作为锅炉的辅助燃料燃烧。循环流化床锅炉掺烧高炉煤气是一种很好的能源综合利用方式。
1 高炉煤气主要燃烧特性
高炉煤气的主要化学成分是CO、CO2、N2和含量很少的CH4和H2。以山东某钢厂的高炉煤气为例，其化学成分、热值及物理参数见表1。
高炉煤气的特性主要有：
（1）高炉煤气的可燃成分主要是CO，但其含量比较低，热值约为12,636kJ/Nm3，所以高炉煤气是一种低发热量的气体燃料。若高炉煤气采用湿式除尘，由于水蒸汽含量增大，其热值会更低一些。
（2）高炉煤气的着火温度主要取决于CO含量及着火环境（约530℃～650℃），但大量的惰性气体（N2）会使火焰传播速度变慢（层流火焰传播速度约为0.3～1.2m/s），因此燃烧时容易发生脱火等不稳定状态。
（3）由于高炉煤气的热值低，锅炉燃烧所需的燃料气体流量大，因而其燃烧产物的体积流量也大。对于同样容量的锅炉，燃用高炉煤气的烟气体积流量要比燃用烟煤时增大40%～60%，但所需的入炉空气体积流量却大大减少，仅是燃煤锅炉的55%～65%。
（4）由于高炉煤气的含尘量低，因而合理掺烧高炉煤气的循环流化床锅炉炉内结渣、受热面飞灰磨损、堵灰和低温腐蚀等各种危害将会大大减轻。
2 掺烧高炉煤气对锅炉的影响
循环流化床锅炉掺烧高炉煤气会对炉膛换热、过热蒸汽温度、锅炉负荷、热效率、分离装置以及环境产生一定的影响。
2.1 掺烧高炉煤气对炉膛换热的影响
锅炉掺烧高炉煤气后对各传热因素的影响是十分重要的，应定性探讨并找出传热系数计算公式以便确定炉膛结构。
程乐鸣等结合自己从事循环流化床十多年的设计经验对1台165MW循环流化床锅炉的720小时实际运行数据进行了分析总结，提出炉膛四周水冷壁传热系数可通过下式计算：hw＝0.156(ρb)0.35(Tb)0.91。与实际运行数据相比，该式的最大相对误差为1.32%，剩余标准差为1.96%，比较符合工程设计。
2.1.1 固体颗粒悬浮密度
锅炉掺烧高炉煤气后，由于进入炉内热量的20%由气体燃料提供，炉膛的固体颗粒浓度比纯燃煤时小，但炉膛的换热还是以颗粒换热为主，除燃烧器的局部位置会形成高温外（比纯燃煤时要高40℃～90℃），其它地方温度与纯燃煤时差不多。济南某锅炉公司设计的220t/h掺烧高炉煤气循环流化床锅炉，根据现场纯燃煤时的运行数据，掺烧20%高炉煤气时的运行数据（煤质不变、给水温度不变）见表2；该锅炉炉膛的吸热量对比见表3（屏过布置在炉膛中上部）。
由表2、表3的运行数据，判断公式应改为hw＝0.135(ρb)0.35(Tb)0.91，待锅炉性能测试完毕后再确定误差。
2.1.2 床层温度
在一定的悬浮密度下，总传热系数随床层温度的增加而增加。床层温度升高，床层与壁面的辐射传热系数将增大，同时气体的导热系数将增大，使得颗粒絮团与壁面间的瞬态导热热阻和接触热阻均减小，颗粒对流传热系数也有所增大。掺烧高炉煤气时，可通过一、二次风配比的不同，使两种工况下的床温基本保持差别在20℃～30℃，煤气燃烧器的区域局部温度要高一些，由于布置在卫燃带区域，对整个锅炉炉膛换热影响不大，因此设计时仍按床温900℃作为掺烧高炉煤气的计算依据。床层温度对传热系数的影响见下图。
2.2 掺烧高炉煤气对过热蒸汽温度的影响
不同掺烧率条件下锅炉对流式过热器的传热计算结果见表4。
从表4中的数据可以看出，随着掺烧高炉煤气量的增加，通过对流式过热器的烟气流速有所提高，烟气的放热系数也相应增大；系统中工质辐射换热器占总换热量的分额逐渐降低，当掺烧率为80%时，辐射吸热仅占14.2%。
高压锅炉的过热汽温一般约在540℃，工质的过热吸热焓增750kJ/kg，过热吸热量约占工质吸热量的30%，循环流化床锅炉一般在炉膛中上部靠近前墙布置屏式过热器，炉顶布置顶棚过热器，尾部布置高、低温过热器受热面。由于掺烧煤气后，循环物料比纯燃煤时少，屏过的吸热量比不掺烧时低，炉膛出口温度与不掺烧时差不多，这就使进入对流式过热器的烟气温度水平相同，传热温压基本接近。由于掺烧后，体积流量增加12%左右，烟气流速提高11%左右，对流换热系数相应提高8%～10%，因此以对流换热形式为主的高压锅炉掺烧高炉煤气时，过热系统受热面积应比不掺烧时减少5%～8%。
2.3 掺烧高炉煤气对锅炉负荷和热效率的影响
掺烧高炉煤气后，炉膛灰粒的浓度减少，蒸发吸热量降低，如果要保持锅炉的负荷不变，这部分热量只能由省煤器的吸热来弥补，因此需要将省煤器改变成沸腾式省煤器。随着掺烧率的提高，省煤器工质吸热不足补偿炉膛换热的减少，焓增减少，如果要保持锅炉的其它参数不变，锅炉的负荷就会降低，那么就有一部分热量随烟气带出锅炉，运行时表现为排烟温度升高，排烟热损失增加，锅炉热效率下降。当掺烧率大于40%时，锅炉热效率的降低也不能使过热器蒸汽温度达到额定值。
掺烧高炉煤气后，省煤器吸热量增加，省煤器出口必然会出现较大的沸腾度，高沸腾度不但要增加给水泵的扬程和功率，而且使省煤器管内工质的水动力设计难度增大。为了防止省煤器沸腾度超标，在过热器之后增设一组对流换热自然循环方式的螺旋肋片管蒸发器，这样不仅能起到保护省煤器、防止沸腾度超标的作用，还能起到延时调整汽温及低负荷时调整负荷的作用。
2.4 掺烧高炉煤气对分离装置的影响
掺烧高炉煤气后，进入旋风分离器的气流量增大，切向进口风速明显增加，气流湍流度增加，颗粒反弹加剧，二次夹带严重，结果造成旋风分离器的分离效率降低。同时，随着烟气中颗粒浓度的减小，粉尘的凝聚与团聚性下降，较小尘粒分布较散，不易捕集，大颗粒对这些小尘粒的携带作用也减弱，进一步造成了分离效率的减弱。另外，分离器进口气速过高，压力损失大大增加，能量损耗太大；同时也加速了对分离器本体的磨损。流速增加还会引起加入炉膛中的石灰石颗粒被二次夹带，与大量同粒径的颗粒一起进入尾部，造成脱硫剂损失，脱硫效率下降，在尾部冲刷受热面，造成严重磨损。
采用蜗壳水冷旋风分离器，尽管蜗壳进口结构复杂，但可使气固混合物平滑进入分离器，从而减弱了气固混合物对筒体内气流的撞击和干扰，因此，分离效率较高，阻力损失也相对较小。蜗壳水冷旋风分离器的工作范围较大，无论是掺烧高炉煤气还是纯燃煤均能正常工作，切割粒径为50微米，能分离烟气中大多数石灰石，保证脱硫效率。另外，这种旋风分离器采用了水冷形式，可以弥补因掺烧高炉煤气引起的受热面不足。
2.5 掺烧高炉煤气对环境的影响
一般化石燃料在燃烧过程中形成的NOX（有害气体）有3个生成源，见表5。
循环流化床锅炉能够在燃烧中有效地控制NOX和SO2的产生和排放，这是它能得到快速发展的最根本原因。循环流化床锅炉燃烧室的燃烧温度范围可以控制在800℃～900℃内并稳定高效燃烧，抑制了热力型NOX的形成，且同时采用分段燃烧方式，可控制燃料型NOX的生成。一般情况下，循环流化床锅炉NOX的生成量仅为煤粉炉NOX生成量的1/4～1/3。此外，在燃烧过程中直接向循环流化床内加入石灰石，还可以脱去在燃烧过程中生成的SO2，达到90％的脱硫效率。
锅炉掺烧高炉煤气后，虽然高炉煤气本身含有大量的N2，但由于高炉煤气在绝热条件下的理论燃烧温度不足1400℃，而热力型NOX当燃烧温度低于1500℃时的生成量几乎观察不到；高炉煤气中不存在固液体燃料中的含氮有机化合物，所以燃料型NOX也不存在；至于催化型NOX，目前的控制技术还不成熟。
由于高炉煤气中几乎不含硫，因此掺烧高炉煤气后对有害气体的排放影响不大。
3 结论
（1）根据设计经验和运行数据，掺烧20%高炉煤气的循环流化床锅炉炉膛四周水冷壁传热系数的公式为：hw＝0.135(ρb)0.35(Tb)0.91。
（2）由于掺烧高炉煤气后，体积流量增加12%左右，烟气流速提高11%左右，对流换热系数相应提高8%～10%。因此以对流换热形式为主的高压锅炉掺烧高炉煤气时，过热系统受热面积应比不掺烧时减少5%～8%。
（3）循环流化床锅炉掺烧高炉煤气的最大比例为30%，否则会破坏传热平衡，造成锅炉负荷降低，热效率下降。
（4）掺烧高炉煤气后，采用旋风分离器结构的锅炉的分离效率降低、脱硫效率下降、尾部受热面磨损严重；采用蜗壳水冷旋风分离器结构的锅炉运行良好。
（5）掺烧高炉煤气后对有害气体的排放影响不大。
参考文献：
[1] 岑可法，等.循环流化床锅炉理论设计与运行[M].北京：中国电力出版社， 1998.
[2] 陈鹏.钢铁厂煤气回收利用与节能[J].中国能源,1994（6）.
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