基于提高煤粉煤氣混燒鍋爐經濟性運行方法研究

高 磊，陳偉鵬

(1.內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古特種設備檢驗院包頭分院，內蒙古 包頭 014010)

1 設備概況

鋼鐵工業是我國能耗大戶之一，其能耗約占我國工業總能耗的12%，而鋼鐵工業的高爐煤氣、焦爐煤氣及轉爐煤氣等副產煤氣總熱值約相當于鋼鐵工業總能耗量的25%，其中我國又以高爐煤氣產量最多，其年發生量高達3×1012m3。因此利用好副產煤氣，尤其是產量最大的高爐煤氣，這對鋼鐵行業節能降耗有著重要的意義[1-2]。目前，通過煤氣、煤粉混燒鍋爐燃燒發電是我國鋼鐵企業利用副產煤氣，提高經濟性的主要途徑之一[3-4]，包鋼熱電廠現有10臺鍋爐，其中1號、2號、3號鍋爐為煤粉、煤氣混燒鍋爐，在高爐檢修、停運、煤氣量大量不足時承擔著重要的供熱、發電、供風任務，是重要的生產設備，而研究煤粉、煤氣混燒鍋爐的經濟性，在當前鋼鐵行業顯得尤為重要。

2015年，我國提出了史上最為嚴格的“環保法”，對于燃煤鍋爐來說，其主要污染物為粉塵、二氧化硫及氮氧化物，其中粉塵、二氧化硫的排放量主要受煤質影響，隨著電廠煤質逐步趨于穩定，并于2011年新增設布袋除塵、石灰石-石膏濕法脫硫工藝設備，粉塵及二氧化硫排放量已達到國家環保要求，運營成本已趨于穩定[5-6]；而氮氧化物的生成受到溫度、氧量、停留時間及燃料氮氧化物含量等因素影響，不同工況、不同操作方法，會對氮氧化物的生成產生極大差異，1號鍋爐采用的是“低氮燃燒器+SNCR”工藝，主要成本體現在吸收劑，即尿素的消耗量上，分析煤氣摻燒對煤粉燃燒產生氮氧化物的影響，編制一套合理、科學、節約的操作方法，對降低環保成本極為重要[7-8]。

2 原有煤粉、煤氣混燒鍋爐運行調整方法

運行方法為70～130 t/h負荷時，煤粉火咀投入量及給粉機轉速無要求，高焦爐煤氣投入量隨意調整。高焦爐煤氣投入量無明確要求，從成本角度，煤粉制備成本高于煤氣成本，影響鍋爐運行經濟性；原有操作法未考慮以下問題：煤粉消耗量對成本的影響；未考慮煤氣煤粉不同摻燒量對成本的影響；未考慮運行過程中煤氣對脫硝成本的影響。

3 試驗方法與分析過程

3.1 煤粉燃燒試驗

試驗目的：確定煤粉燃燒量，規范煤粉燃燒調整方法。

試驗方法：控制鍋爐氧量在5%～8%，爐膛負壓在-50～-100 Pa,分負荷段調整上下2層共8臺給粉機轉速，隔絕高焦爐煤氣，根據四角均勻配粉原則，盡量調至給粉機最低轉速可得出以下結論。

1號鍋爐在70 t/h負荷時上下2層給粉機最低轉速控制在450 r/min；80 t/h負荷時上層給粉機最低轉速控制在500 r/min，下層給粉機最低轉速控制在500 r/min；90 t/h負荷時上下2層給粉機最低轉速控制在550 r/min，100 t/h負荷時上下2層給粉機最低轉速控制在600 r/min，110 t/h負荷時上下2層給粉機最低轉速控制在650 r/min，120 t/h負荷時上下2層給粉機最低轉速控制在700 r/min，130 t/h負荷時上下2層給粉機最低轉速控制在900 r/min。

給粉機0.5 t/min下70～130 t/h負荷段鍋爐換熱效率見表1，隨鍋爐負荷上升，鍋爐換熱效率增加，當負荷在120 t/h時，換熱效率達到最大，而如果繼續提升鍋爐負荷，效率顯著下降。

表1 給粉機0.5 t/min下70～130 t/h負荷段鍋爐換熱效率

3.2 高煤不同比例混合燃燒試驗

試驗目的：確定高煤對鍋爐各主要參數影響程度，規范高煤混燒調整方法。

試驗方法：在不同負荷段調整給粉機轉速至結論值，分別投入高焦爐煤氣，控制氧量在5%～8%，爐膛負壓在-50～-100 Pa，盡量調至給粉機最低轉速可得出如下結論。

a.焦爐煤氣由于熱值較高，投入時對給粉機轉速影響較大，投入1000 m3/h時，對給粉機轉速影響在25 r/min左右，投入2000 m3/h時，對給粉機轉速影響在55 r/min左右。

b.高爐煤氣由于熱值較低，投入時對給粉機轉速影響較小，投入2000 m3/h時，對給粉機轉速影響在12 r/min左右；投入4000 m3/h時，對給粉機轉速影響在22 r/min左右；投入6000 m3/h時，對給粉機轉速影響在35 r/min左右，投入8000 m3/h時，對給粉機轉速影響在44 r/min左右；投入10 000 m3/h時，對給粉機轉速影響在56 r/min左右，投入12 000 m3/h時，對給粉機轉速影響在68 r/min左右。

c.高焦爐煤氣摻燒對鍋爐換熱效率的影響是：隨焦煤量增加，排煙溫度降低，鍋爐熱效率增加；隨高煤量增加，排煙溫度升高，鍋爐熱效率降低。

d.由于風機最大出力在320 000 m3/h，純高煤摻燒工況，當負荷提升至110 t/h時，高煤摻燒量至最大12 000 m3/h，隨負荷升高，由于吸風機出力限制，高煤摻燒量逐漸減小，當負荷達到130 t/h時，高煤摻燒量只能達到2500 m3/h，如投入焦煤，可小幅度提升高煤摻燒量，負荷提升至115 t/h時，高煤摻燒量至最大12 000 m3/h，隨負荷升高，由于吸風機出力限制，高煤摻燒量逐漸減小，當負荷達到130 t/h時，高煤摻燒量只能達到6500 m3/h。

3.3 脫硝系統影響試驗

試驗目的：確定高煤摻燒對NOx生成的影響，從成本角度改進高煤調整方法。

試驗方法：由于已知高煤對NOx的生產有抑制效果，在鍋爐不同負荷段，調整煤粉、高煤、焦煤摻燒量，控制氧量5%～8%，爐膛負壓-50～-100 Pa,收集脫硫后NOx折算值、二次風門開度、尿素流量、燃盡風門開度、排煙溫度數據，進行分析。

脫硝系統影響試驗見表2，由表2可得出如下結論。

表2 脫硝系統影響試驗

a.隨著負荷降低，NO濃度呈下降趨勢。主要原因為隨著負荷降低，燃料量有所減少，燃料型NO排放減少，同時爐內溫度有所降低，熱力型NO降低，所以總的氮氧化物減少，進而表現為NO濃度分布的下降。

b.高爐煤氣對NOx的影響較大，由于高爐煤氣中的惰性氣體在爐內大量吸收燃燒熱量，使爐內燃燒產物的溫度水平降低，抑制熱力型NOx的生成；同時由于摻燒高爐煤氣，減少了煤粉中原料型NOx的生產，其中投入2000 m3/h高煤減少尿素流量0.02 m3/h, 投入4000 m3/h高煤減少尿素流量0.04 m3/h,投入6000 m3/h高煤減少尿素流量0.05 m3/h, 投入8000 m3/h高煤減少尿素流量0.07 m3/h,投入10 000 m3/h高煤減少尿素流量0.1 m3/h,投入12 000 m3/h高煤減少尿素流量0.12 m3/h。

c.高爐煤氣投入對排煙溫度影響較小，雖然摻燒高爐煤氣會使火焰中心上移，爐膛輻射吸熱量減少，爐膛出口煙溫升高，但由于1號鍋爐高煤摻燒量較小，對排煙溫度影響在5 ℃以內。

4 優化措施

通過前期試驗可對現有煤粉、煤氣混燒鍋爐運行調整方法進行成本核算。

核算方法：成本=耗煤量×煤價+煤氣耗量×煤氣熱值×煤氣價格+制粉系統電耗+風煙系統電耗。其中：耗煤量=給粉機轉速/額定轉速×給粉機額定供煤量；煤價通過進煤獲得；煤氣熱值通過化驗獲得(包括高煤、焦煤)；制粉系統電耗=排粉機電耗+磨煤機電耗；風煙系統電耗=吸風機電耗+送風機電耗。

最優煤氣摻燒比例見表3，可得出各負荷段的以下運行操作方式。

表3 最優煤氣摻燒比例

a.80 t/h負荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機轉速380 r/min，焦爐煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入4000 m3/h。

b.90 t/h負荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機轉速430 r/min，焦爐煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入5000 m3/h。

c.100 t/h負荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機轉速480 r/min，焦爐煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入6000 m3/h。

d.110 t/h負荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機轉速530 r/min，焦爐煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入7000 m3/h。

e.120 t/h負荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機轉速590 r/min，焦爐煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入8000 m3/h。

f.130 t/h負荷時，煤粉火咀投入8個，給粉機轉速810 r/min，焦爐煤氣量投入2000 m3/h,高煤投入7000 m3/h。

5 經濟效益與推廣應用

以1號鍋爐為例，2015年全年運行5000 h計算，平均負荷按100 t/h，按原有運行方式(12 000 m3/h高煤，2000 m3/h焦煤)，煤氣價格按14元/GJ，焦煤熱值按16 000 kJ/Nm3，高煤熱值按3600 kJ/Nm3,燃煤量為21.975 t/h，煤價按305元/t，生產成本為7789元/h，全年運行成本為3894.5萬元。

調整煤氣摻燒量后(6000 m3/h高煤，2000 m3/h焦煤)，燃煤量為22.8 t/h，生產成本為7735元/h,全年運行成本為3867.5萬元。單臺煤粉爐每年可節約27萬元，而減少的6000 m3/h高煤可用于煤氣爐生產，以現有運行方式，結余煤氣可用于5號、6號煤氣爐生產，每h可生產6 t中壓蒸汽，按全年運行5000 h計算，創造經濟效益278.4萬元。全年累計經濟效益為305.4萬元。

該運行方法已在動供總廠1號鍋爐正式運行，目前運行良好，下一步將對2號、3號鍋爐運用同樣方法進行應用并指導運行，同時該運行方法也可應用于同類型煤粉煤氣鍋爐，作為提升效率的理論依據，具有一定的應用推廣價值。