燃煤锅炉大量掺烧焦炉煤气的效率计算

刘善聪

华能营口电厂 辽宁省营口市 115007

中国是一个多煤少油的国家，截止2019年初，我国已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的33.8%，煤炭在中国一次性能源消费中处于主导地位。化石燃料燃烧是电力生产和其他能源、资源消耗部门的主要来源，这种形势在短期内将不会改变[1]。

钢铁生产过程中会产生大量焦炉、高炉煤气，一般钢铁企业会相应的建设自备电厂，受机组容量限制，钢铁厂并不能完全的、高效的利用焦炉、高炉煤气。杨轶、湛志刚等通过对高炉煤气及煤粉燃烧理论的研究［2，3］，分析了高炉煤气燃烧需要的空气量及掺烧对炉膛烟气量、飞灰可燃物含量、炉膛辐射换热以及燃烧效率的影响。钢铁工业中大量未被利用的高、焦炉煤气排放到大气，造成环境的污染和能源的浪费。钢铁工业副产品煤气的浪费促使德国、捷克、匈牙利等国相继开始了对利用高、焦炉煤气替代一次能源发电的应用研究[4]。

华能营口电厂锅炉为前苏联塔甘罗格红色工人锅炉厂制造的超临界参数压力、多次垂直上升直流锅炉，单炉膛前后墙对冲燃烧，п型布置，一次中间再热，平衡通风。经改造#1、2锅炉各增设三只煤气燃烧器，用于燃烧鞍钢来煤气。本文以华能营口电厂煤气掺烧为例，根据焦炉煤气掺烧后空预器排烟温度、各风机出力、磨煤机电流等变化，计算大量掺烧焦炉煤气后，燃煤锅炉锅炉效率的变化，并对煤气掺烧的经济性进行评价。

工况	煤气掺烧情况	锅炉负荷（MW）	总煤量(t/h)	煤气折算量(t/h)	引风机电流 （A）	送风机电流（A）	一次风机电流（A）	空预器排烟温度 （℃）	炉膛出口氧量（%）
工况一	掺烧 煤气	144.2	82.96	23.72	87.5	36.1	63.1	130.44	3.68
	未掺烧煤气	141.5	82.87	0	88.0	35.3	69.9	128.73	3.93
工况二	掺烧 煤气	176.3	100.2	23.20	96.2	38.4	67.0	126.08	3.70
	未掺烧煤气	171.4	95.35	0	93.6	37.5	72.0	123.24	3.40
工况三	掺烧 煤气	276.8	150.6	14.55	162.6	54.4	88.1	144.00	2.51
	未掺烧煤气	276.5	150.6	0	158.8	55.4	91.9	145.01	2.38
工况四	掺烧 煤气	254.4	145.0	17.81	142.2	51.3	79.2	144.11	2.03
	未掺烧煤气	249.4	137.9	0	152.1	50.0	86.7	136.33	2.94

工况一按照燃用煤种采购价格60%结算煤气价格，折合节约燃煤10.99t/h，节约燃料成本为13.48%，降低燃烧单位燃料成本31.93元/千千瓦时。受排烟温度变化影响燃料成本变化为-0.22元/千千瓦时。电耗降低156.82kW·h，节约燃料成本为0.26元/千千瓦时。综合节约单位燃料成本31.97元/千千瓦时，即该工况下节约单位燃料成本13.50%。

工况二按照燃用煤种采购价格60%结算煤气价格，折合节约燃煤7.21t/h，节约燃料成本为7.34%，降低燃烧单位燃料成本17.39元/千千瓦时。受排烟温度变化影响燃料成本变化为-0.73元/千千瓦时。电耗降低86.07kW·h，节约燃料成本为0.11元/千千瓦时。综合节约单位燃料成本16.77元/千千瓦时，即该工况下节约单位燃料成本7.08%。

低负荷大量掺烧煤气空预器排烟温度稍有升高，锅炉效率变化不大。发电成本的降低主要是由于单位热值煤气折算价格引起的。

工况三按照燃用煤种采购价格60%结算煤气价格，折合节约燃煤6.02/h，节约燃料成本为3.99%，降低燃烧单位燃料成本9.46元/千千瓦时。受排烟温度变化影响燃料成本变化为0.13元/千千瓦时。电耗增加58.53kW·h，节约燃料成本为0.05元/千千瓦时。综合节约单位燃料成本9.54元/千千瓦时，即该工况下节约单位燃料成本4.03%。

工况四由于煤气掺烧时#3空预器排烟温度接近空预器安全运行温度上限，采取降低送风（氧量）的方法处理，对于其他参数的对比造成了干扰，高负荷时大量掺烧煤气可能会导致#3空预器排烟温度的大幅度升高，人为降低送风造成了化学不完全燃烧热损失大幅增加，降低了锅炉的热效率。

上述工况损失燃料约4.4t/h，实际折算节煤2.72t/h，节约成本4.59元/千千瓦时。在不考虑CO造成的环境污染成本情况下，电耗降低值约为327.95KW/h，节约成本0.30元/千千瓦时。排烟温度影响为1.02元/千千瓦时。综合节约单位燃料成本3.87元/千千瓦时，即该工况下节约单位燃料成本1.63%。

通过比较焦炉煤气掺烧总量与负荷排烟温度的关系可以得出如下结论：

1. 低负荷时大量掺烧焦炉煤气时空预器排烟温度总体变化不大。

2. 高负荷大量掺烧焦炉煤气，尤其是掺烧量超过15000Nm³/h时，有较大概率#3空预器烟温会显著升高。

3. 如果磨煤机出口温度可控，那么#3空预器出口烟温的变化对锅炉效率影响不大。如果需要通过调整一次风、送风来调整煤气大量掺烧后的空预器温度变化以保证安全运行，掺烧焦炉煤气产生的收益会大幅降低，但仍然十分可观。高负荷煤气掺烧应当合理调整送风量，避免增加无谓的排烟损失；应当特别注意高负荷大量掺烧煤气工况的运行调整，避免缺氧燃烧，否则化学不完全燃烧热损失将会显著的增长，有可能最终导致掺烧煤气反而造成经济上的不划算。因此，保证#1、2空预器的良好换热是保证高负荷大量掺烧煤气时经济性的重要条件。

4. 经抽样掺烧煤气数据，高负荷大量掺烧煤气量占掺烧煤气总量的6.72%。

5. 焦炉煤气掺烧量与单位燃料成本的估算公式总结为：

△E=E₀（1-η）m/[M-（1-η）m]-0.13△t+0.15

其中：△E-单位燃料成本变化值，元/千千瓦时；

E₀-单位燃料成本，元/千千瓦时；

m-折算煤气量，t/h；

M- 总煤量，t/h；

η-相同热值煤气价格与煤价比；

△t-空预器排烟温度变化，℃。

参考文献

[1]严传俊等.燃烧学.西北工业大学出版社，2005:12〜14

[2]杨轶，陈刚.煤粉和高炉煤气混烧锅炉燃烧问题的分析及改造[几电站系统工 程，2003， 19(2):36-38.

[3]湛志钢.煤粉锅炉掺烧高炉煤气对煤粉燃尽影响的研究[D]・武汉:华中科技大 学，2004

[4]穆进章.300MW煤气混烧发电锅炉燃烧调整及能耗研究[D].北京：华北电力 大学，2010.

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