220th燃煤锅炉掺烧焦炉煤气热力计算.doc

220t/h燃煤锅炉掺烧焦炉煤气计算 密级：内部220t/h燃煤锅炉掺烧焦炉煤气热力计算Thermodnaimic calculations of blended Combustion of 220t/h coal bolier and coke oven gas摘要焦炉煤气和煤粉是两种形态完全不同的燃料，其燃烧过程和机理存在着很大的差异。在燃煤锅炉中即燃烧煤气，又不影响煤粉正常燃烧，保证锅炉额定出力， 是锅炉改造中必须解决的问题。本文为减少焦炉煤气排放，节能降耗、改善环境，就煤粉锅炉掺烧高炉煤气技术，对锅炉大量掺烧焦炉煤气的利弊进行了分析，由于焦炉煤气的燃烧特牲与媒存在很大的差异，使原来按燃煤设计的锅炉掺烧媒气后锅炉参数产生很大的变化。为此在改造的热力计算中，将掺烧的焦炉煤气的燃烧计算折算成煤粉的燃烧计算，即将煤粉和焦炉煤气的混合燃料假想成一种全新的煤，这种假想煤的热力计算过程就是煤和焦炉煤气掺烧的热力计算，而假想煤的燃烧计算数值为煤和焦炉煤气分别计算数值的折算数值。本文对220t/h 煤粉锅炉掺烧45%焦炉煤气后各个受热面进行了热力计算加于校核。计算证明在不改变锅炉各个受热面布置的情况下，掺烧后锅炉完全能满足负荷的要求。关键词：燃煤锅炉；焦炉煤气；掺烧；燃烧器AbstractCoke oven gas and dust are two form completely different fuels, the combustion process and mechanism exist great differences. In coal-fired boilers burning gas, and in that does not affect the normal burning coal boiler, ensure rated output, is built in the must solve the problem.This article for reducing coke oven gas emissions, saving energy, improving the environment, the coal boiler blast furnace gas technology, mixed burn for boiler burning of coke oven gas mixed and analyzed the advantages and disadvantages of coke oven gas, because of the burning offerings and media, theres a large difference. The original design of coal-fired boilers by mixed burn gas boiler parameters after produce very big change. Therefore in the transformation of the thermodynamic calculation, the mixed burning coke oven gas combustion calculation of pulverized coal combustion commuted calculated, the upcoming pulverized coal and coke oven gas mixture fuel imaginary into a kind of brand-new coal, this imaginary coal thermodynamic calculation process is mixed burn coal and coke oven gas the thermodynamic calculation, and the numerical coal combustion hypothetical respectively for coal and coke oven gas conversion of the numerical valueThis article 220 t/h boiler of mixed coal burning coke oven gas heating 45% after the different thermal calculation and in check. Computing proof not changing the boiler heating under the condition of different decorate, mixing with fully meet after burning boiler load requirements.Keywords: coal boiler; Coke oven gas; blended combustion; burner目录摘要IAbstractII1 绪 论- 1 -1.1 研究背景- 1 -1.2 焦炉煤气- 2 -1.2.1 焦炉煤气的特点- 3 -1.2.2 焦炉煤气的利用途径- 3 -1.3 燃煤锅炉掺烧焦炉煤气改造的可行性分析- 4 -1.4 大量掺烧焦炉煤气的利弊分析- 5 -2 掺烧的计算- 7 -2.2 掺烧的具体计算- 7 -2.2.1 煤及煤气成分- 7 -2.2.2 煤及煤气的燃烧计算- 8 -2.2.3 掺烧焦炉煤气后的计算- 10 -3 锅炉掺烧校核计算- 13 -3.1 锅炉基本信息- 13 -3.2 辅助计算- 13 -3.2.1 漏风系数和过量空气系数的选择- 13 -3.2.2烟气特性计算- 14 -3.2.3烟气焓、空气焓、蒸汽焓的计算- 16 -3.2.4 锅炉热效率及燃料热消耗量计算- 19 -3.3 炉膛校核热力计算- 21 -3.4 对流受热面的热力计算- 27 -3.4.1对流受热面计算步骤- 28 -3.4.2 屏式过热器热力计算- 28 -3.4.3 凝渣管的热力计算- 35 -3.4.4 高温过热器的热力计算- 37 -3.4.5 低温过热器的热力计算- 44 -3.4.6 省煤器和空气预热器- 48 -3.5锅炉热力计算误差检查- 61 -4 掺烧焦炉煤气燃烧器的说明- 63 -4.1 掺烧煤气后锅炉本体的改造- 64 -4.2 掺烧焦炉煤气燃烧器的基本要求- 64 -4.2.1着火、稳燃、燃尽- 64 -4.2.2 保证足够的焦炉煤气煤掺烧量- 64 -4.2.3 安全- 64 -4.3 焦炉煤气燃烧器的选择- 65 -4.4掺烧高、焦炉煤气燃烧器的布置- 66 -4.4.1 焦炉煤气喷嘴与煤粉喷嘴的关系- 66 -4.4.2 焦炉煤气煤喷嘴的设计- 67 -4.5 焦炉煤气燃烧器的计算- 67 -4.6 几点看法- 69 -总结- 70 -致谢- 71 -参考文献- 72 - 75 -1 绪 论1.1 研究背景中国是世界上少数几个能源以煤为主的国家之一，中国煤炭消费量占世界每年消费量的28左右，中国常规能源的生产总量中煤炭生产量占70以上，火力发电厂用煤逐年增加，发电用煤量增长速度高于煤炭消费量，发电用煤量在煤炭消费量中所占的比例一直呈上升趋势。大幅度增加煤炭产量，将使煤炭开采、运输和利用的难度增加，大量的燃煤还会造成严重的环境污染。因此提高能源利用率，提高发电机组效率，降低煤耗，发展热电联产，成为行业发展的必然趋势。钢铁厂具有较多的富余能源，电厂作为煤炭资源消耗大户，若能利用利用钢铁厂内富余能源，可相当程度上减少煤炭资源消耗，并充分减少钢铁厂能源浪费，从而实现发电成本的降低。体现了可持续发展和循环经济理念，提高环境保护和资源综合利用水平，节能降耗。 我国钢铁工业的迅猛发展，使炼焦行业也出现超常规发展，焦炭产量由 2000年的12184万t增长到2007年的33580万t，增长率超过了1.5倍，接近世界焦炭生产总量的60%，继续稳居世界第一产焦大国地位。焦化厂在炼焦生产中，每炼成1吨焦炭，常产生约300350Nm3焦炉煤气，消耗1.21.3t煤。这些煤气炼焦回炉用去约50%，剩余部分则排入大气。目前我国每年炼焦煤气的排放高达120亿m3以上，若按0.4元/m3 煤气计算，每年将直接浪费48亿元。由于焦炉煤气中含有大量硫化氢、苯、萘 、焦油等, 直接排放会造成严重的大气污染。 2002年我国宝钢、首钢等27家钢铁联合企业的统计数据显示，焦炉煤气的放散量达37132万m，其回收率和国外发达国家相比还是有着明显的差距。2006年焦化生产行业直接放散或放空燃烧的焦炉煤气约240亿m3，占全行业总量的20%，相当于西气东输天然气体积量的2倍，等于每年燃烧1400余万t 标准煤，向大气排放粉尘3.9万t、硫氧化物18.6万t、氮氧化物8.7万t。这些污染物排放当大气中对环境污染和对人类健康的破坏可想而知。近年来随着我国焦化产业结构的调整，以及天然气的“西气东输”，我国能源供应呈现出多元化的格局，钢铁企业消耗大量一次能源，同时产生大量二次能源，因此，加大对炼焦行业节能，节水和资源综合利用的研究和开发，充分合理利用副产煤气，对减少一次能源消耗和对改善环境、降低二氧化碳排放、节能增效具有深远的战略意义。目前通过对200MW电站掺烧高炉煤气的锅炉设计特点及性能进行分析，并根据气固两相燃料混合燃烧理论和高炉煤气特点，完善系统，优化燃烧，合理调整减温水，通过逐步掺烧实践，实现了在燃用贫煤情况下大量掺烧高炉煤气的目的，提高了电厂运行安全性和经济性，减少了高炉煤气放散和环境污染，取得了显著经济效益和社会效益。掺烧煤气锅炉的建成应用，大大减少了高、焦炉煤气的放散量，成功地将低品质的高、焦炉煤气转化为高品质电能，不但解决了高、焦炉煤气大量放散所造成的能源浪费、环境污染问题，而且缓解了电力原煤供应紧张、价格持续上涨的矛盾，对推动冶金行业节能降耗、降低成本、提高市场竞争力具有重要意义。并且进一步改善了环境，提高了能源的综合利用率，具有发电、节能、环保等多重效益。1.2 焦炉煤气焦炉煤气，又称焦炉气。是指用几种烟煤配制成炼焦用煤，在炼焦炉中经过高温干馏后，在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的一种可燃性气体，是炼焦工业的副产品。焦炉气是混合物，其产率和组成因炼焦用煤质量和焦化过程条件不同而有所差别，一般每吨干煤可生产焦炉气300350m3（标准状态）。其主要成分为氢气（55%60%）和甲烷（23%27%），另外还含有少量的一氧化碳（5%8%）、C2以上不饱和烃（2%4%）、二氧化碳（1.5%3%)、氧气(0.3%0.8%)、氮气(3%7%)。其中氢气、甲烷、一氧化碳、C2以上不饱和烃为可燃组分，二氧化碳、氮气、氧气为不可燃组分。焦炉气属于中热值气，其热值为每标准立方米1719MJ，适合用做高温工业炉的燃料和城市煤气。焦炉气含氢气量高，分离后用于合成氨，其它成分如甲烷和乙烯可用做有机合成原料。焦炉气为有毒和易爆性气体，空气中的爆炸极限为6%30%。焦炉煤气主要由氢气和甲烷构成，分别占56%和27%，并有少量一氧化碳、二氧化碳、氮气、氧气和其他烃类；其低发热值为18250kJ/Nm3，密度为0.40.5kg/Nm3，运动粘度为2510-6m2/s。根据焦炉本体和鼓冷系统流程图，从焦炉出来的荒煤气进入之前，已被大量冷凝成液体。同时，煤气中夹带的煤尘， 焦粉也被捕集下来，煤气中的水溶性的成分也溶入氨水中。焦油、氨水以及粉尘和焦油渣一起流入机械化焦油氨水分离池。分离后氨水循环使用，焦油送去集中加工，焦油渣可回配到煤料中炼焦煤气进入初冷器被直接冷却或间接冷却至常温。此时，残留在煤气中的水分和焦油被进一步除去。出初冷器后的煤气经机械捕焦油使悬浮在煤气中的焦油雾通过机械的方法除去，然后进入鼓风机被升压至19600帕(2000毫米水柱)左右。为了不影响以后的煤气精制的操作，例如硫铵带色、脱硫液老化等，使煤气通过电捕焦油器除去残余的焦油雾。为了防止萘在温度低时从煤气中结晶析出，煤气进入脱硫塔前设洗萘塔用于洗油吸收萘。在脱硫塔内用脱硫剂吸收煤气中的硫化氢，与此同时煤气中的氰化氢也被吸收了。煤气中的氨则在吸氨塔内被水或水溶液吸收产生液氨或硫铵。煤气经过吸氨塔时，由于硫酸吸收氨的反应是放热反应，煤气的温度升高，为不影响粗苯回收的操作，煤气经终冷塔降温后进入洗苯塔内，用洗油吸收煤气中的苯、甲苯、二甲苯以及环戊二烯等低沸点的炭化氢化合物和苯乙烯、萘古马隆等高沸点的物质，与此同时有机硫化物也被除去了。1.2.1 焦炉煤气的特点（）、焦炉煤气发热值高1672018810KJ/m3，可燃成分较高（约90%左右）； （）、焦炉煤气是无色有臭味的气体； （）、焦炉煤气因含有CO和少量的H2S而有毒； （）、焦炉煤气含氢多，燃烧速度快，火焰较短； （）、焦炉煤气如果净化不好，将含有较多的焦油和萘，就会堵塞管道和管件，给调火工作带来困难； （）、着火温度为600650 。 （）、焦炉煤气含有H2（5560%），CH4（2327%），CO（58%），CO2（1.53.0%），N2（37%），O2（11901210表2.1 煤的成分（2）焦炉煤气的成分： 表2.2 煤气的成分其它热值23.686.4517.5111.9638.990.411.075242.2.2 煤及煤气的燃烧计算（1）、煤的燃烧计算理论空气量 产生的烟气中，三原子气体的量 氮气量的水蒸气的量 理论烟气量 （2）、煤气的燃烧计算 理论空气量产生的烟气中，三原子气体的量氮气的量水蒸气的量理论烟气量 2.2.3 掺烧焦炉煤气后的计算由所给的锅炉资料可知，全烧煤时锅炉的计算热效率为，机械不完全热损失。由过热蒸汽焓，给水焓，可知锅炉有效利用热：全烧煤时燃料消耗量：计算燃料消耗量：设掺烧45%的焦炉煤气时，锅炉的热效率为，则此时焦炉煤气产生的热量：焦炉煤气的掺烧量：掺烧焦炉煤气后煤的消耗量：焦炉煤气的密度：混合密度焦炉煤气的掺烧量：掺烧煤气占煤与煤气混合物的质量百分数：由焦炉煤气的密度可知，焦炉煤气燃烧时：理论空气量： 产生的烟气中，三原子气体量： 产生的氮气量： 产生的水蒸气量： 产生的理论烟气量： 将煤和焦炉煤气的混合物看作是一种假想的煤，假想煤的灰分： 则这种全新的假想煤燃烧时：所需的理论空气量： 产生的烟气中，三原子气体量： 氮气的量： 水蒸气的量：理论烟气量：理论干烟气容积： 所需的燃料量: 燃烧计算结果：表2.3 混合燃料燃烧计算结果序号项目名称符号单位结果1理论空气量2.7662理论氮气量2.4613RO2容积0.564理论干烟气容积3.0215理论水蒸气容积0.4816飞灰份额0.97所需的燃料量52234.817 3 锅炉掺烧校核计算3.1 锅炉基本信息(1) 锅炉额定蒸发量：De220t/h(2) 给水温度：tgs215(3) 过热蒸汽温度：tGR540(4) 过热蒸汽压力：PGR9.8MPa(5) 制粉系统：中间储仓式（热空气作干燥剂、钢球筒式磨煤机）(6) 燃烧方式：四角切圆燃烧(7) 排渣方式：固态(8) 环境温度：20(9) 蒸汽流程： 一次喷水减温 二次喷水减温 汽包顶棚管低温对流过热器屏式过热器高温对流过热器冷段高温对流过热器热段汽轮机3.2 辅助计算3.2.1 漏风系数和过量空气系数的选择序号名称漏风系数符号出口过量空气系数1制粉系统01 符号结果2炉膛005 1.23屏、凝渣管0 1.24高温过热器0025 1.2255低温过热器0025 1.256高温省煤器002 1.277高温空气预热器005 1.38低温省煤器0021.349低温空预器0.051.39表3.1 漏风系数和过量空气系数 3.2.2烟气特性计算 需要计算出各受热面的烟道平均过量空气系数。干烟气容积、水蒸汽容积，烟气总容积、RO2容积份额、三原子气体和水蒸汽容积总份额、容积飞灰浓度、烟气质量、质量飞灰浓度等。表3.2 烟气特性表序号项目名称符号单位 （标准状况下）炉膛，屏凝渣管高过低过高温省煤器高温空预器低温省煤器低温空预器1漏风系数-0.050.0250.0250.020.050.020.052受热面出口过量空气系数（查表1-5）_1.21.2251.251.271.321.341.393烟道平均过量空气系数pj_1.21.21251.23751.261.2951.331.3654干烟气容积 V0gy+(pj-1)v0Vgym3/kg3.57423.60883.67793.74023.8373.93384.03065水蒸气容积V0H2O+0.0161(pj-1)V0m3/kg0.48990.49050.49160.49260.49410.49570.49736烟气容积 Vgy+VH2OVym3/kg4.06414.09934.16954.23284.33114.42954.62797RO2容积份额 VRO2/VYr RO2_0.13780.13660.13430.13230.12930.12640.121续表序号项目名称符号单位 （标准状况下）炉膛，屏凝渣管高过低过高温省煤器高温空预器低温省煤器低温空预器8水蒸气容积份额 /Vy_0.12050.11970.11790.11640.11410.11190.10759三原子气体和水蒸汽溶剂总份额r RO2+ r H2Or_0.25830.25630.25220.24870.24340.23830.228510容积飞灰浓度 10Aarfh/Vyg/m322.145121.95521.585321.262520.7820.318319.44711烟气质量 1-Aar/100+1.306pjV0mykg/kg5.23495.285.37035.45165.57815.70455.830912质量飞灰浓度 fhAar/(100my)ykg/kg0.01720.01710.01680.01650.01610.01580.01543.2.3烟气焓、空气焓、蒸汽焓的计算炉膛、屏式过热器、高温过热器、低温过热器、高温省煤器、高温空气预热器、低温省煤器、低温空气预热器等所在烟气区域的烟气在不同温度下的焓，并列成表格作为温焓表。具体见表3.3、3.4、3.5、3.6。对在锅炉受热面的各个部位的蒸汽或者空气的焓值进行计算，列成表格，作为温焓表。具体见表 表3.3 烟气焓温表用于炉膛、屏、高过的计算烟气或空气温度 （）理论烟气焓h0y(kJ/kg)理论空气焓h0k(kJ/kg)理论烟气焓增(每100）h0y炉膛、屏、凝渣管高温过热器=1.2=1.225hyhyhyhy4002029.21498.52328.92366.4543.6577.3587.15002572.81892.22906.22953.5557.8683.4693.56003130.62295.13589.63647572.5654.76657003703.127064244.34312584.8668.2678.68004287.93123.14912.54990.6595.1679.9690.590048833546.95592.45681.1604.4690.1700.810005487.43975.66282.56381.9614.4701.6712.511006101.84411.56984.17094.4621.8709.5720.512006723.648507693.67814.9630.3719.3730.313007353.95294.88412.98545.2续表烟气或空气温度 （）理论烟气焓h0y(kJ/kg)理论空气焓h0k(kJ/kg)理论烟气焓增(每100）h0y炉膛、屏、凝渣管高温过热器=1.2=1.225hyhyhyhy14007988.35742.8634.49136.97249280.4735.2640.7730.7742150086296192.89867.610022.4645.9736.6747.916009274.96646.410604.210770.3652743754.417009926.97101.311347.211524.7653.2744.2755.6180010580.17556.312091.412280.3657.1749.4761190011237.28018.212840.813041.3660.6752.9764.4200011897.88479.413593.713805.7666.2759.2770.92100125648944.714352.914576.6表3.4 烟气焓温表用于低温过热器、高温省煤器的计算烟气或空气温度 （）理论烟气焓h0y(kJ/kg)理论空气焓h0k(kJ/kg)理论烟气焓增(每100）h0y低温过热器高温省煤器=1.25=1.27hyhyhyhy3001500.21113.81778.71800.94002029.21498.55292403.8625.12433.8632.9543.6642.1649.95002572.81892.23045.93083.7557.8658.5666.66003130.62295.13704.43750.3572.5675.2683.47003703.127064379.64433.7584.8689.1697.48004287.93123.15068.75131.1表3.5 烟气焓温表用于高温空预器、低温省煤器的计算烟气或空气温度 （）理论烟气焓h0y(kJ/kg)理论空气焓h0k(kJ/kg)理论烟气焓增(每100）h0y高温空预器低温省煤器=1.32=1.34hyhyhyhy100486.5366.3603.7611499.8618.4625.8200986.3736.81222.11236.8513.9634.5642.13001500.21113.81856.61878.9529652.1659.84002029.21498.52508.72538.75002572.81892.2543.63178.3669.63216.1677.4557.8686.7694.86003130.62295.138653910.9 表3.6 烟气焓温表用于低温空预器的计算烟气或空气温度 （）理论烟气焓h0y(kJ/kg)理论空气焓h0k(kJ/kg)理论烟气焓增(每100）h0y低温空预期=1.39hyhy100486.5366.3629.4499.8644.3200986.3736.81273.7513.9660.93001500.21113.81934.65296794002029.21498.52613.6543.6697.25002572.81892.23310.8557.8714.96003130.62295.14025.73.2.4 锅炉热效率及燃料热消耗量计算（1）计算锅炉输入热量，包括燃料的收到基低位发热量，燃料物理显热、外来热源加热空气时带入的热量。（2）各项热损失，包括化学不完全燃烧热损q3和机械不完全燃烧热损失q4，锅炉七散热损失q5，灰渣热物理损失q6，排烟热损失q2。具体数据见锅炉热平衡及燃料消耗量计算表表3.7 锅炉热平衡及燃料消耗量计算序号名称符号单位公式结果1锅炉输入热量11588.382排烟温度先估后校1403排烟焓查焓温表887.124冷空气温度取用205理论冷空气焓=73.36化学未完全燃烧损失%取用1.57机械未完全燃烧损失%取用1.58排烟出过量空气系数%指导书表2-9即低温空预器出口过量空气系数1.399排烟损失%6.7910散热损失%取用0.511灰渣损失%指导书式（2-13）012锅炉总损失%+10.2913锅炉热效率%100-89.714保热系数1-0.9915过热蒸汽焓查附录二中水和水蒸气性质表，高过出口参数=9.8MPa t=5403476.416给水温度给定21517给水焓查附录二中水和水蒸气性质表,低省入口参数 t=21598818锅炉有效利用热Q(-)19煤消耗量14903.920焦炉煤气消耗量37330.921混合燃料消耗量52234.8173.3 炉膛校核热力计算校核热力计算步骤：（1）、计算炉膛结构尺寸及烟气有效辐射层。（2）、选取热风温度、并依据有关条件计算随每kg燃料进入炉膛的有效热量。（3）、根据燃料种类、燃烧设备的形式和布置方式，计算火焰中心位置的系数M。（4）、估计炉膛出口烟温，计算炉膛烟气平均热容量。（5）、计算炉膛受热面辐射换热特性参数。（6）、根据燃料和燃烧方式计算火焰黑度和炉膛黑度。（7）、计算炉膛出口烟温。（8）、核对炉膛出口烟温误差。（9）、计算炉膛热力参数。（10）、炉膛内其他辐射受热面的换热计算。具体见表3.8、表3.9。表3.8 炉膛的结构数据序号名称符号单位公式结果1前墙总面积768（1.395+0.905）+3.995/2+22.176(5.888+21.276)219.622侧墙总面积=(6.912+3.995)1.762 =5.126=5.126+(6.912-0.896-1.76)=(6.912-0.896-1.76)0.334=(6.912-0.896-1.76)+3.39 =6.974=+218.483后墙总面积768 （1.395+0.905）+3.995/2+12.976(5.888+21.276)+7.68157.744喷燃器及门孔面积65炉顶面积7.68(3.39+0.869)-232.116炉膛与屏的交界面积(6.974+0.225+0.334)65.617炉墙总面积+693.568炉膛截面