300MW烟煤-高炉煤气混燃锅炉掺烧褐煤燃烧特性的数值模拟及经济性分析

1、烟 煤高炉煤气混燃锅炉掺烧褐煤 燃烧特性的数值模拟及经济性分析 王 春 波 ， 李伟华北电力大学 能源动力与机械工程 学 院 ，保 定 摘要 ：对 某 烟 煤高 炉 煤 气混燃锅炉掺烧褐 煤 的 燃 烧 特 性 进 行 数 值 模 拟 和 经 济 性 分 析 ，分 析 了 褐 煤 完 全 取 代 烟 煤 、部 分 掺 烧 褐 煤 和 不 同 高 炉 煤 气 掺 烧 比 例 等 因 素 对 炉 内 温 度 场 和 摩尔 分 数 分 布 的 影 响 结 果 表 明 ：褐 煤 完 全 取 代 烟 煤 后 ，炉 内 温 度 显 著 降 低 而 炉 膛 出 口 烟 气 温 度 明 显 升 高 ，影 响

2、了 锅 炉 运 行 的 安 全 性 ；褐 煤 取 代 部 分 烟 煤 后 ，随 着 褐 煤 掺 烧 比 例 的 增 大 ，炉 内 温 度 逐 渐 下降 ，炉 膛 出 口 烟 气 温 度 升 高 但 摩 尔 分 数 变 化 不 大 ；在 褐 煤 掺 烧 比 例 一 定 时 ，随 着 高 炉 煤 气 掺 烧 比 例 的 增 大 ，炉 膛 最 高 温 度 明 显 降 低 且 炉 膛 出 口 温 度 升 高 ， 摩 尔 分 数 的 峰 值 逐 渐 减 小 ；纯 烧 烟煤 的 发 电 成 本 为元，当 掺 烧褐 煤 和高 炉 煤 气 时 ，发 电 成 本 降 为元，发电 成 本 比 纯 烧 烟 煤 降

3、低 了 关 键 词 ：褐 煤 ；高 炉 煤 气 ；掺 烧 ；数 值 模 拟 ；经 济 性 分 析， ， ，： ， ， ， ；， ；， ， 收 稿 日 期 ：基 金 项 目 ：国家自然科学基金资助工程 作 者 简 介 ：王 春 波 ，男 ，河 北 唐 山 人 ，教 授 ，博 士 ，研 究 方 向 为 ：煤的洁净燃烧及污染物控制 电 话 ：；：动 力 工 程 学 报第 卷， ，：；钢 铁 企 业 在 炼 钢 过 程 中 会 产生大量的高炉煤 气 ，由于高 炉煤气量大且热值低，其 有 效 利 用 是 迫 切 需 要 解 决 的 问 题在已有的高炉煤气 利 用 方 法 中 ，煤 粉高 炉 煤 气 混

4、燃 技 术 是 较 为 有 效 的 手 段 之 一由 于 高 炉 煤 气 的 热 值 低 ，在 掺 烧 过 程 中 需 要 添 加 相 对 较 高 品 质 的 煤 ，如一般采用发热量较高 、燃 烧 特 性 较 好 的 烟 煤 我 国 褐 煤 资 源 丰 富 ，已 经 探 明 的 褐 煤 保 有 储 量 为 亿，约 占 煤 炭 总 保 有 储 量 的 与 烟 煤 和 无 烟 煤 相 比 ，目前对褐煤的开发利用还不 够 充 分 同 时 我 国煤炭供给紧张 、价 格 上 涨 ，电 煤 价 格 矛 盾 突 出 ，发 电 企 业 一 度 亏 损 严 重 褐 煤 资 源 丰 富 且 价 格 便 宜 ，因

5、此 如何有效地利用 褐煤资源显得尤 为 重 要在 保 证 锅 炉 安 全 、经 济 运 行 的 前 提 下 ，很 多 燃 煤 电 厂 开 展 了 褐 煤 掺 烧 工 作，以 缓 解 电 煤 供 应 紧 张 笔 者 以 某 钢 厂 烟 煤高 炉 煤 气 混 燃 锅 炉 为 例 ，在 原 设 计 煤 种 烟 煤 的 基 础 上 掺 烧 褐 煤 ，对 该 锅 炉 进 行热力特性数值 模拟和经济性分 析 ，以期为 该类混燃锅炉 燃料优化提供一定的参考 表 高炉煤气的成分分析 参 数数 值该 锅 炉 为 单 炉 膛 ，燃 烧器为四角布置的摆动式 燃 烧 器 ，切 向 燃 烧 ，上 下 摆 动 的 最 大

6、 角 度 为 一 次 风 、二 次 风 出 口 中心线和燃尽风出口中心线与水 冷 壁 中 心 线 的 夹 角 分 别 为 和 ，在 炉 膛 中 心 形 成 逆 时 针 旋 转 的 个直径不同的假想切圆 为 了 削 弱 炉膛出口烟气的旋转强度 和 减 小 由四 角切 圆燃烧 引 起 的 炉 膛 出 口 烟 气 温 度 偏 差 ，燃尽风室设计为反 切 ，使其喷嘴 出 口 中心 线与主喷嘴中 心 线 成 的 夹 角 锅 炉 宽 度 为 ，深 度 为 ， 高 度 为 锅 炉 共 布 置 层 燃 烧 器 喷 口 ，其 中 上 层 为 煤 粉 喷 口 ，下 层 为 高 炉 煤 气 喷 口 锅 炉 炉 膛结

7、构和燃烧器布置见图 研 究 对 象以 某 钢 厂 机 组 烟 煤高 炉 煤 气 混 燃 锅 炉 为 模 拟 对 象 该锅 炉为亚临界参数 、一 次 中 间 再 热 、自 然 循 环 汽 包 锅 炉 ，燃烧方式 为四角切圆燃烧 ， 设 计 煤 种 为 烟 煤 ，具 有 掺 烧 高 炉 煤 气 的 能 力 设 计 煤 种 和 拟 掺 烧 褐 煤 的 煤 质 分 析 见 表 ，高 炉 煤 气 成 分 分 析 见 表 表 煤 质 分 析参 数褐 煤烟 煤 ，图 锅炉炉膛结构和燃烧器布置示意图 单 位 ： ：第 期 王 春 波 ，等 ： 烟 煤高 炉 煤 气混燃锅炉掺烧褐 煤 燃 烧 特 性的 数值 模

8、拟及经济性分析 相 似 ，炉内的最高温度 均 出 现在 燃烧器略上区域 但与 烟 煤 相 比 ，褐 煤 与高炉煤气混燃后的温度场发生 了 个 显 著 的 变 化 ：一 是 炉 内 温 度 有 所 下 降 ，如 最 高 点 温 度 下 降 近 ；二是炉膛出口烟气温度显著 提 高 这 是 因 为 ：与 烟 煤 相 比 ，褐 煤 的 发 热 量 较 低 ，在 锅 炉负荷一定的条件下 ，褐 煤 的 送 入 量 较 多 褐 煤 一个 很 明 显 的 特 征 是 水 分 大 ，由于大量水分引入需要 吸 收大量的汽化潜热 ，因 而 炉 内 温 度 降 低 炉 内 温 度 的 下 降 直 接 导 致 水冷壁辐

9、射吸热量减少 ，具 体 表 现为 炉膛出口烟气温度升高 由 图 可 知 ， 种 煤 种 对 应 的 平 均 摩 尔 分 数以 下 简 称 摩 尔 分 数 峰值均出现在 燃 烧 器 区域 ，但 烟 煤 与 高 炉 煤 气 混 烧 的 摩 尔 分 数 最 大 值 明 显大于褐煤与高炉煤气混 燃 的 摩 尔 分 数 最 大 值 另 外 ，炉膛出口处褐煤与 高 炉 煤 气混 燃生 成的烟 气 中 摩 尔 分 数 要 大 于 烟 煤 与 高炉煤气混燃的 摩 尔 分 数 ，说明其燃烧效果劣于烟煤与 高 炉 煤气 混 燃 的 燃 烧 效 果 ，原 因 可 能 为 ：与 烟 煤 相 比 ，褐 煤与 高 炉 煤

10、 气 混 燃 后的炉内温度显著下降 ，从 而 影 响了 的 燃 尽 综 上 所 述 ，如 果 用 褐 煤 完 全 代 替 烟 煤 ，炉 内 温 度会 显 著 下 降 约 ，且炉膛出口烟气温度明显 升 高 这 可 能 会 导 致 个 严 重 问 题 ：一 是 水 冷 壁 吸 热量 的 大 大 减 小 会 影响水循环的平安和稳定性 ；二 是炉 膛出口烟气温度的显著升 高 会 导 致炉 膛出 口受热 面 结渣从而影响平安运行 结 合 图 中 炉 膛 出 口 摩 尔 分 数 增 大 的 趋 势 ，说明褐煤完全代 替 烟 煤 后 炉 内 燃 烧 水 平 下 降 因 此 ，从平安性方面考虑 ，用 褐 煤完

11、全取代烟煤是不适宜的 数 值 计 算 方 法数 值 模 拟 采 用 软 件 炉 膛 网 格 采 用 分 段 划 分 方 法 ，从冷灰斗至炉 膛出口共划分为 部 分 炉 膛 截 面 网 格 采 用 方 法 生 成 非 结 构 四 边 形 网 格 ，体 网 格 采 用 方法沿着炉膛高度方向铺展 生 成 六 面 体 网 格 整 个 炉 膛 网 格 总 数 为 万 数 值 计 算 中湍流流动采用 双 方 程 模 型 ，辐 射 传 热 采 用 模 型，离 散 相 颗 粒 轨 迹 采 用 随 机 跟 踪 模 型 ，焦炭燃烧采用动力 扩 散 限 制 模 型 ，挥 发 分 热 解 采 用 两 步 竞 相 反

12、应 模 型 ，气 相湍流燃烧采用 混 合 分 数概 率 密 度 函 数 方 法 模 拟 对 象 包 括 煤 粉 和 高 炉 煤 气 种 燃 料 ， 采 用 二 混 合 分 数 方法将煤粉 流定义为燃料流 ，并 将 高 炉 煤 气 定 义 为 二 次 流 计算结果及分析 褐 煤 完 全 取 代 烟煤后与高炉 煤气混燃的燃烧 特 性褐 煤 价 格 远 远 低 于 烟 煤 ，在 保 证 安 全 运 行 的 前提 下 ，褐煤 假设能完全取代 烟煤将是最有利的情况 在满 负 荷 条 件 下 ，对 该 混 燃 锅 炉 分 别 进 行 褐 煤 高 炉 煤 气 与 烟 煤 高炉煤气混烧的 模 拟 ，其 燃 烧

13、 特 性 见 图 褐 煤 取 代 部 分 烟 煤 后与高炉煤气混燃的燃烧 特 性用褐煤完全取代烟煤会 严 重 影 响锅 炉运 行的安 全 性 ，因 此 考 虑 用 褐煤取代局部烟煤后与高炉煤气 混 燃 其 中 掺 烧 高 炉 煤 气 的 比 例 为 ，满 负 荷 下 混 燃的燃烧特性见图 由 图 可 知 ， 种 掺烧比例下温度场分布的 总 体 趋 势 相 似 ，但 随 着 褐 煤 掺 烧 比 例 的 增 大 ，温 度 峰值 逐 渐 降 低 ，炉 膛 出 口 温 度 逐 渐 升 高 由 图 可 知 ，随着褐煤掺烧比例 的 增 大 ， 摩尔分数峰值逐 渐 减 小 ，但 仍 出 现 在 燃 烧 器

14、附 近 而 在 炉 膛 其 他 区 域 ，掺烧不同比例的褐 煤 后 摩 尔 分 数 几 乎 相 同 ，说 明在这几种掺烧比例下 ，除 燃 烧 器 附 近 外 ，其 他 区域 摩 尔 分 数 所 受 的 影 响 不 大 且 能 较 好 地 燃 尽 对 比 图 和 图 可 知 ，利 用 褐 煤 取 代 部 分 烟 煤 来 实 现与高炉煤气混燃在 安 全 性方 面是 可 行的 在 模温 度 场 分 布 平均摩尔分数分布 图 褐 煤 、烟 煤 与 高炉煤气混燃的燃烧特性 由 图 可 知 ，无 论 褐 煤 还 是 烟 煤 ，在 与 高 炉煤 气 混 燃 后 ，炉 内 温度随炉膛高度 的变化趋势非常 动力

15、工程 学 报第 卷由 图 可 以 看 出 ，在 高 炉 煤 气 喷 口 处 ，温 度随 着 高 炉 煤 气 掺 烧比例的增大而升高 ，这 是 因 为 高 炉 煤 气 易 于 着 火 ，从 而 造 成 局 部 性 高 温 在 燃 烧 器 区 域 ，由于高炉煤气热值 明 显 小于 烟煤而烟气量 增 大 ， 随 着 高 炉 煤 气 掺 烧 比 例 的 增 大 ，温度呈明显下降的 规 律 此 外 ，炉膛出口附近温 度 的 变 化与 燃烧 器区域 温 度 的 变 化 呈 相 反 趋 势 ，即炉膛出口烟气温度随高 炉 煤 气 掺 烧 比 例 的 增 大 而 升 高 ，主要原因是掺烧高 炉 煤气使得炉内温度

16、总体下降 ，水 冷 壁 吸 热 量 减 少 ， 因 此炉膛出口烟气温度升高 由 图 可 以 看 出 ，在高炉煤气喷口以下 ，随 着 高 炉 煤 气 掺 烧 比 例 的 增 大 ， 摩 尔 分 数 显 著 增 大 ，这 与 高 炉 煤 气 中 含 有 左 右 的 密 切 相 关 另 外 ， 摩 尔 分 数 的 峰 值 均 出 现 在 煤 粉 燃 烧 器 区 域 ，但随着高炉煤气掺 烧 比例 的 增大 ， 摩 尔 分 数 明 显 减 小 如 掺 烧 高 炉 煤 气 时 摩 尔 分 数 最 大 ，约 为 ；掺 烧 高 炉 煤 气 时 摩 尔 分 数 减 小 为 左 右 摩尔分数的峰 值 位 置 随

17、高 炉 煤 气 掺 烧 比 例 的 增 大 向 右 偏 移 ，可能是因为高炉煤气 的 掺入推迟了煤粉的着火 种 工 况 下 炉 膛 出 口 摩 尔 分 数 均 很 小 且在允许范围内 ，说明炉膛出口处 的 燃料已根本燃烧完全 温 度 场 分 布 平均摩尔分数分布 不同掺烧比例褐煤 、烟 煤 与 高炉煤气混燃的 燃 烧 特 性图 拟的几种比例中，掺混褐煤是比拟理想的比例不 同 高 炉 煤 气 掺 烧 比 例 的 影 响高 炉 煤 气 掺 烧 比 例 是 现 场 运 行 非 常 重 要 的 参数 因 为 尽 可 能 多 地掺烧高炉煤气 将会产生更大的 经 济 效 益 该 锅 炉 原 设 计 烟 煤

18、 可 掺 烧 的 高 炉 煤 气对掺烧褐煤 条 件 下 的 燃 烧 进 行 研 究，改 变 高 炉煤气掺烧比例后炉内燃烧的数值模拟结果见图热力计算与经济性分析 以 上 主 要 从 运 行 安 全 性 角 度 进 行 分 析 为 了 更 全 面 地 分 析 掺 烧 褐 煤 的 问 题 ，还需要进行经济性评 估 在 掺 烧 褐 煤 的 情 况 下 ，对 高 炉 煤 气 掺 烧 比 例 为、和 种 情 况 进 行 了 热 经 济 性 评 估 ，结 果 见 表 由 表 可 以 看 出 ，排 烟 温 度 随 着 高 炉 煤 气 掺 烧 比 例的增大而升高 由于褐煤热值远 小 于 烟 煤 ，产 生 同 样

19、多的热量需要的褐煤量大大增 加 给 煤 量 和 高 炉 煤气掺烧比例的增大导致烟气量 增 加 ，排 烟 温 度 升 高 ，从 而 造 成 排 烟 热 损 失 和 固 体 不 完 全 燃 烧 热 损 失 增 大 随 着高炉煤气掺烧比例的增 大 ，锅炉效率明显降低 发电本钱计算结果 见 表 由 表 可 知 ，纯 烧 设 计 煤 种 烟 煤 的 发 电 成 本 是 元，而 掺 烧高 炉 煤 气 高 炉煤气为钢厂的副产品不需要成 本 时 发 电 成 本 降 为元，降 低 了 由 于褐煤单价更廉价 ，褐 煤 单 价 约 为 烟 煤 的 ，当 掺 烧 褐 煤 和 高 炉 煤 气 时 ，发 电 成 本 降

20、为元，相 对 设 计 煤 种 降 低 了 ，因 此 利 用 高炉煤气和适当地掺烧褐 煤 所 产 生的 经济 效益是 非 常 巨 大 的 温 度 场 分 布 平均摩尔分数分布 掺烧不同比例高炉煤气时的燃烧特性 图 第 期 王 春 波 ，等 ： 烟 煤高 炉 煤 气混燃锅炉掺烧褐 煤 燃 烧 特 性的 数值 模拟及经济性分析 表 热经济性计算结果 混 煤 粉 高 炉 煤 气 混 煤 粉 高 炉 煤 气 混 煤 粉 高 炉 煤 气参 数 混 煤 粉锅 炉 输 入 热 量排 烟 温 度排 烟 温 度 校 核 排 烟 焓冷 空 气 温 度理 论 冷 空 气 焓排烟处过量空气系数 排 烟 损 失灰 渣 损

21、 失 锅 炉 总 损 失 锅 炉 效 率燃烧设计煤种时的 锅 炉 效 率表 发电本钱计算结果 烟 煤 高 炉 煤 气 烟 煤 褐 煤 高 炉 煤 气 烟 煤 褐 煤 高 炉 煤 气 烟 煤 褐 煤 高 炉 煤 气参 数纯 烟 煤烟 煤 高 炉 煤 气烟 煤褐 煤 高 炉 煤 气烟 煤褐 煤 高 炉 煤 气烟 煤褐 煤高 炉 煤 气燃 料 消 耗 量 单 价元 燃 煤 成 本元 水 费元 材 料 费元 折 旧 费元 其 他 成 本元 发 电 成 本元 发 电 成 本 降 为 元，发 电 成 本 降 低 了 ，适当掺烧褐煤可产 生 很 大 的经 济效 益 结论在 掺 烧 高 炉 煤 气 的 条 件

22、 下 ，采 用 褐 煤完 全 取 代 设 计 煤 种 烟 煤 后 ，炉内 温度比燃用设计 煤 种 低 左 右 ，排 烟 温 度 大 幅 升 高 ，影 响 锅 炉 运 行 的 安 全 性 随 着 褐 煤 掺 烧 比 例 的 增 大 ，炉内温度逐渐下 降 ，排 烟 温 度 升 高 随着 高炉煤气 掺烧比例的增大 ， 炉 内 温 度 下 降 ，排 烟 温 度 升 高 ，锅 炉 效 率 降 低 经 济 性 分 析 表 明 ，纯 烧烟煤的发电本钱为 元，当 掺 烧褐 煤 和高 炉 煤 气 时 ，参 考 文 献 ：湛 志 钢 ，陈 刚 煤粉锅炉掺烧高炉煤气 对 煤 粉 燃 尽 影响 的 研 究 动 力 工 程 ，： ， ，：赵 振 兴 ，曹 子 栋 ，常 勇 强 高炉煤气直流燃 烧 器 的 试 验研 究 动 力 工 程 学 报 ，：动 力 工程 学 报第 卷， ， ，：汪 洪 涛 ，程 艳 玲 ，杨 天