掺烧高炉煤气的循环流化床锅炉设计

研究与开发 掺烧高炉煤气的循环流化床锅炉设计 1 7 文章编号 ： 1 0 0 4 8 7 7 4 ( 2 0 1 2 ) 0 3 1 7 - 0 3 掺烧高炉煤气的循环流化床锅炉设计 邹瑞 ， 张志程 ( 济南锅炉集团有 限公司 ，山东 济南 2 5 0 0 2 3 ) 摘要 ： 随着国内工业持续快速的发展 ， 钢厂产量 在扩 大 ， 而高炉煤气 的回收与利用成 了钢 铁企业解决自身排放的有效途径之一。掺烧高炉煤气的循环流化床锅炉能够满足市场的需要。 关键词： 循环流化床锅炉； 高炉煤气 ； 掺烧 中图分类号 ： T K 2 2 9 6 6 ； T K 2 2 9 9 1 文献标识码 ： A De s i g n o f Ci r c u l a t i n g Fl u i d i z e d Be d Bo i l e r CO fir e d Bl a s t Fu r n a c e Ga s ZOU Ru i ZHANG Zh i c h e n g ( J i n a n B o i l e r G r o u p C o L t d ， J i n a n 2 5 0 0 2 3 ，C h i n a ) 第 一 作 者 ：邹 瑞 ( 1 9 8 1一) ， 学 士 学 位 ， 长期 从事 电站锅 炉设计工作 。 Ab s t r a c t ： W i t h t h e s u s t a i n e d a n d r a p i d d e v e l o p me n t o f d o me s t i c i n d u s t r y ，s t e e l o u t p u t i n e x p a n d i n g ，a n d b l a s t f u r - n a c e g a s r e c o v e ry a n d u t i l i z a t i o n o f i r o n a n d s t e e l e n t e r p r i s e s t o s o l v e t h e i r o wn e mi s s i o n s h a s b e c o me o n e o f t h e e f f e c t i v e wa y s Ci r c u l a t i ng flu i di z e d b e d b o i l e r c ofir e d b l a s t f u r na c e g a s c a n me e t t h e ne e ds o f t he ma r k e t Ke y wo r ds：c i r c ul at i ng fiu i di z e d be d b oi l e r；bl a s t f ur n ac e g a s；C O- fir i ng 0前言 随着 国内工业持续快速发展 ， 市场用钢需求在 增大， 钢厂产量在扩大 ， 高炉炼铁的大气排放污染物 也在增加 ， 而煤气是其主要排放物之一。高炉煤气 的回收与利用既能实现钢铁企业节能降耗 的 目标 ， 又能达到保护大气环境的 目的， 成为钢铁企业解决 自身排放 的有效途径之一。 现在许 多钢铁企业筹备 自备电厂时， 常要求锅 炉厂家设计锅炉时掺烧一定 比例 的高炉煤气 ， 以解 决高炉煤气的回收利用问题。我们企业的成熟产品 为燃煤循环流化床锅炉， 而为了适应市场的需要 ， 我 们也进行了掺烧高炉煤气锅炉的设计 ， 且能够满足 一 定 比例下煤与高炉煤气两种燃料 的燃烧 ， 锅炉正 常运行。下面以 1 3 0 t h循环流化床锅炉的设计为 例进行分析。 1 混合燃料的性质 与掺烧 比例 常规 1 3 0 t h循环 流化床锅 炉其燃 料多 为烟 煤 ， 低位发热值在 4 2 0 0 4 6 0 0 k c a l k g ， 所含水分、 挥发分、 固定碳和灰分含量有所不同。需要掺烧 的 高炉煤气 ， 其成分主要为 C O、 C O 、 N ， H 与 C H 的 含量较低 ， 综合可燃成分约 占 2 5 。以某一用户提 供资料 为例 ， 高炉煤气所含 C O为 2 4 5 ， C O 为 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 2 1 3 1 8 5 ， N 2为 5 4 9 ， H2 为 1 8 ， C H 4为 0 3 ， 低位发热值为 3 8 5 0 k J m ( 标态)。因此掺烧高炉 煤气的量设定在一定范围。设计的 1 3 0 t h循环流 化床锅炉掺烧高炉煤气 的燃料 比例 ( 热值 比) 为高 炉煤气 ： 烟煤 =1： 4， 锅炉总图如图 1 所示。 肯 域 l 吨 幽 圭 一 f f ： e I l _ l l 扩 l = lI 雾 自 一 8 2、- l 、 一 i l _ l 一 ；、 一 亡 三 匡 三巨 ： 一 了 l 至垦，二 T 一 【 ； f 瞄 1 | -# 蝤 I jt l L 4 固 1 一炉膛2 一水冷屏3 一 蜗壳水冷分离器4 一过热器 5 一省煤器6 一 空气 预热器7 一 返料器8 一点火烟道 9 一落煤管1 0 一 高炉煤 气燃烧器 图 1 1 3 0 t h掺烧高炉煤气循环流化床锅炉结构示意图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 工业锅炉 2 0 1 2年第 3期( 总第 1 3 3期) 2 设计掺烧高炉煤气循环流化床锅炉需要 考虑的 因素 我公 司 1 3 0 t h循环 流化床锅 炉技术 日趋 完 善， 在此成熟设计 的基础上 ， 应市场需要 ， 考虑掺烧 一 定数量的高炉煤气。因高炉煤气的燃烧特性与燃 煤不同， 所以在锅炉燃烧与调整 、 锅炉效率、 锅炉某 些部件等方面的设计考虑与纯燃煤时也不相 同。 2 1 掺烧对炉内燃烧的影响 纯燃煤时， 煤 由输煤皮带送人炉内后 ， 随即被大 量高温的不可燃床料包围并迅速升温。与此同时 ， 煤粒分解出挥发分 ， 在助燃气体 0 ，的存在下 ， 挥发 分着火燃烧。随着挥发分的逐渐燃尽 ， 剩余部分焦 炭的温度开始升高； 当挥发分燃尽后 ， 焦炭开始着火 燃烧 ， 完成燃烧过程。当掺烧高炉煤气时， 高炉煤气 本身在炉内燃烧其着火点并不高 ， 但 因其热值 比煤 低很多 ， 并存在大份额的既不参与燃烧产生热量 、 也 不起助燃作用 的 N 与 C O ， 使得其着火温度要远大 于着火点 ， 并且火焰 传播速度慢 ， 容易发生脱火现 象 ， 使燃烧稳定性不好。炉膛 内的固体燃料高温燃 烧能够形成强烈的辐射面， 增强炉内换热 ， 燃烧室的 传热系数也 随固料浓度 的增加而增加 j 。掺烧高 炉煤气相 当于炉膛 内同时存在气体燃 料和 固体燃 料， 使得炉膛 内物料浓度变小 ， 降低了炉内辐射换热 能力 ， 减少 了蒸发受热面的吸热量 ， 使炉膛 出口烟温 增 加 。 掺烧高炉煤气对于料层差压及床上温度也产生 明显的影响。在循环流化床锅炉运行 中， 维持相对 稳定的床高或料层差压 十分必要 ， 料层差压偏高或 偏低都会引起床层的变化 ， 影 响流化质量并引发结 焦现象 。通常以床上压力值为检测 点， 控制料层差 压 。加入高炉煤气相 当于减少 了燃烧室 的固体物 料 ， 使得密相 区物料相对减少， 料层差压减小 。为 了 将料层差压稳定在合适 的范 围， 就需要调整一二次 风的配比， 降低一次风量 ， 将差压保持在 89 k P a 。 在床温方面 ， 一方面为 了降低不完全燃烧损失， 提高 传热系数 ， 希望温度高一些 ； 另一方面考虑脱硫 脱 硝 ， 减少大气 污染物 的排放 ， 又希望温度选择低 一 些 ， 所以床温也要控制在一定的范围。 掺人高炉煤气有时会在燃烧室产生剧烈燃烧并 形成局部高温， 虽通人了冷却风 ， 仍有结焦的可 能。 此时就需要及时调整给煤量 ， 并调整一二次风量 ， 将 床上温度控制在 8 2 0 9 0 0， 低于灰的初始变形温 度 ， 避免结焦 。 2 2 掺烧对锅炉负荷与热效率的影响 锅炉设计参数为正常运行时满负荷 1 3 0 t h ， 允 许瞬时超 负荷 1 0 ， 燃烧 效率 为 9 6 ， 热 效率 为 8 8 。纯燃煤时， 高温烟气产生 的热量分别 由炉膛 内蒸发受热面、 炉膛内及尾部过热受热面、 尾部省煤 器吸收 ， 最后以尾气排 出， 排烟温度设计 为 1 3 8 o C。 掺人高炉煤气后 ， 造成炉膛物料浓度降低 ， 炉膛 内辐 射热源减少 ， 蒸发受热面的热流密度减少。炉膛 内 蒸发受热面以吸收辐射传热为主 ， 固体悬浮物 的对 流传热对其贡献不大， 因此影 响到蒸发受热面的产 汽量 ， 影响锅炉负荷。若要保证足够的饱和蒸汽 ， 就 要加大蒸发受热面之前 的产汽量 ， 增强尾部 三组省 煤器的传热 ， 加大吸热量。省煤器 吸热以对流传热 为主， 省煤器内工质的吸热量取决于炯气对流放热 系数的大小 ， 也就是烟气传热强度 的大小。掺人高 炉煤气能够增加尾部整个烟气的流量与流速 ， 增大 烟气的对流放热系数 ， 加大尾部省煤器的换热量 ， 这 样就可以弥补炉膛蒸发受热面吸热量 的减少 ， 保证 过热器之前受热面的吸热量 ， 满足负荷要求。省煤 器 的吸热量也要考虑其工质沸腾 度的大小 ， 沸腾度 过大会使省煤器的流 阻过大 ， 给水泵消耗 的电能过 多， 影响电厂的经济性 ， 故计算时省煤器流阻不大于 汽包压力 的 5 ， 避免其沸腾度超过 2 0 。一方面 要加大省煤器 的吸热量 ， 一方面又要防止其沸腾度 过大 ， 除了运行方面的调整外 ， 在设计时高炉煤气 的 掺人比例也 要控制在一定 范 围， 故设计此 1 3 0 t h 循环流化 床锅 炉 时掺 入高 炉 煤气 的 比例设 定 在 2 0 ， 锅炉满负荷时过热蒸汽压力为 9 8 MP a ， 温度 为 5 4 0。 锅炉有效的吸热量 占整个燃料释放总热量的百 分 比， 称为锅炉热效率。掺人高炉煤气 的混合燃料 送人炉膛后 ， 燃料释放总热量不变 ， 但炉膛蒸发受热 面吸热量减少 ， 造成燃料 的燃烧 生成热一部分随烟 气通过尾部竖井， 通过引风机 由烟囱排出， 致使排烟 温度升高 ， 排烟热损失增加 。此损失除了大大影响 锅炉热效率 ， 还会造成烟气量增大 ， 排烟浓度增高 ， 加大引风机负荷 。所 以在上述加大省煤器吸热量以 增加有效利用热 的同时 ， 还