江文豪 方 田

(中冶華天工程技術有限公司)

為了對鋼廠低熱值煤氣進行充分利用，減少煤氣放散，一些鋼鐵廠采用煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐來消納剩余煤氣[1-4]。與純燒煤粉鍋爐相比，同等發(fā)電量下混燒鍋爐的大氣污染物排放量更低；與純燒高爐煤氣鍋爐相比，作為末端的混燒鍋爐可不完全受限于煤氣供給情況，因此機組的負荷穩(wěn)定性和運行靈活性更高。

隨著鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排工作的積極開展，其自備電廠發(fā)電機組的經(jīng)濟運行也日益受到關注。采用耗差分析理論，定量分析運行參數(shù)偏離基準或目標值對機組發(fā)電能耗的影響，是電廠節(jié)能工作的一項技術手段[5-6]，已廣泛應用于常規(guī)燃煤火電機組，并取得了較好成效[7-11]，但是在煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐中的應用還未見報道。文章分析了影響混燒鍋爐效率的關鍵參數(shù)，推導出了適用于該類鍋爐的耗差分析模型，對混燒鍋爐節(jié)能降耗具有一定的借鑒意義。

1 發(fā)電煤耗偏差總體模型

當煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐運行參數(shù)偏離基準值時，機組的發(fā)電煤耗也會偏離目標值。所述運行參數(shù)偏差主要通過鍋爐效率來反映其對機組能效的影響，相應的發(fā)電煤耗偏差模型為：

(Δb)i=-(δηb)ibb

(1)

式中：(Δb)i為某運行參數(shù)偏差對應的機組發(fā)電煤耗偏差，gce/kWh；(δηb)i為某運行參數(shù)偏差對應的鍋爐效率相對偏差；bb為機組發(fā)電煤耗率，gce/kWh，可按式(2)計算：

(2)

式中：Bc為入爐煤量，kg/h；Bg為入爐煤氣量，m3/h；(Qar，net)c為入爐煤低位熱值(收到基)，kJ/kg；(Qar，net)g為入爐煤氣低位熱值(收到基)，kJ/m3；Pe為機組發(fā)電功率，MW。

可見，先定量計算出各主要運行參數(shù)偏離基準值導致的鍋爐效率相對偏差(δηb)i，再結(jié)合基準發(fā)電煤耗便可求出相應的煤耗偏差。

2 混燒鍋爐效率計算模型

2.1 鍋爐熱損失模型

鍋爐效率ηb可通過反平衡(熱損失法)求解得到[12]：

ηb=100-(q2+q3+q4+q5+q6)

(3)

式中：q2為排煙熱損失，%；q3為化學不完全燃燒熱損失，%；q4為固體不完全燃燒熱損失，%；q5為鍋爐散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%。

對于煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐，其各項熱損失q2～q6可參照燃煤鍋爐，按式(4)～(8)計算：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.2 實際干煙氣量模型

在煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐熱損失計算過程中，實際干煙氣量的求解至關重要。傳統(tǒng)方法一般結(jié)合理論干煙氣量、理論干空氣量和過量空氣系數(shù)求解得到，相對繁瑣。文章推薦采用式(9)進行計算：

(9)

(10)

式中：Car為混合燃料(折算后)碳元素的質(zhì)量含量，%。為了便于進行耗差分析，需對式(9)進行進一步變換。首先通過煙氣中的氧含量和CO含量來表征三原子氣體RO2的含量：

(11)

式中：φ′(O2)為干煙氣中O2的體積分數(shù)，%；β為實際燃燒條件下的燃料特性系數(shù)，可按式(12)計算：

(12)

式中：Har、Oar分別為混合燃料(折算后)氫元素、氧元素的質(zhì)量含量，%。

(13)

與式(9)相比，根據(jù)式(13)來分析排煙氧量和排煙中CO含量的改變對實際干煙氣量的定量影響要更為直觀，也更方便。

3 鍋爐主要運行參數(shù)的耗差分析模型

3.1 排煙溫度θpy偏離導致的發(fā)電煤耗偏差

由排煙熱損失計算公式可知，排煙溫度θpy偏離基準值將引起排煙熱損失q2的偏離，從而造成鍋爐效率的偏離。

結(jié)合公式(4)，可推導得到排煙溫度偏離導致的鍋爐效率相對變化量為：

于是可得排煙溫度偏離導致的發(fā)電煤耗偏差為：

(Δb)θpy=-bb(δηb)θpy

(15)

3.2 煙氣含氧量φ′(O2)偏離導致的發(fā)電煤耗偏差

由公式(13)可知，鍋爐尾部煙氣含氧量與實際干煙氣量密切相關，其運行數(shù)值的改變會直接影響實際干煙氣量的大小，從而通過排煙熱損失的變化反映至鍋爐效率的變化。

結(jié)合公式(4)和(13)，可推導得到煙氣含氧量偏離導致的鍋爐效率相對變化量為：

kΔφ′(O2)×100

(16)

排煙氧量偏離導致的發(fā)電煤耗偏差為：

(Δb)φ′(O2)=-bb(δηb)φ′(O2)

(17)

3.3 煙氣中CO含量φ′(CO)偏離導致的發(fā)電煤耗偏差

與煙氣含氧量類似，鍋爐尾部煙氣中的CO含量與實際干煙氣量密切相關，其運行數(shù)值的改變會直接影響實際干煙氣量的大小，從而通過排煙熱損失的變化反映至鍋爐效率的變化。此外，由公式(5)可知，煙氣中CO含量的變化還會通過化學不完全燃燒熱損失的變化反映至鍋爐效率的變化。

結(jié)合公式(4)、(5)、(13)，可推導得到煙氣中CO含量偏離導致的鍋爐效率相對變化量為：

kΔφ′(CO)×100

(18)

于是可得煙氣中CO含量偏離導致的發(fā)電煤耗偏差為：

(Δb)φ′(CO)=-bb(δηb)φ′(CO)

(19)

3.4 飛灰含碳量偏離導致的發(fā)電煤耗偏差

與鍋爐其他運行參數(shù)相比，飛灰含碳量的變化對鍋爐效率的影響較為復雜，一方面直接關系到固體不完全燃燒熱損失和灰渣物理熱損失的大小，另一方面通過實際燃燒掉的碳含量來影響到實際干煙氣量進而造成排煙熱損失與化學不完全燃燒熱損失的變化。

結(jié)合公式(4)～(6)、(8)、(10)、(13)，可推導得到飛灰含碳量偏離導致的鍋爐效率相對變化量為：

(20)

于是可得飛灰含碳量偏離導致的發(fā)電煤耗偏差為：

(21)

4 計算實例

針對某鋼鐵企業(yè)220 t/h煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐，選取額定負荷下的兩種典型工況(其中工況1的高爐煤氣混燒比例相對較低，工況2的高爐煤氣混燒比例相對較高)，將文章所述的耗差分析模型應用于該鍋爐的發(fā)電煤耗偏差計算，結(jié)果匯總于表1。

表1 煤粉與高爐煤氣鍋爐主要運行參數(shù)的煤耗偏差計算結(jié)果

由表1可見，排煙溫度、煙氣含氧量、煙氣中CO含量和飛灰含碳量偏離基準值均會造成機組發(fā)電煤耗的升高，且排煙溫度每變化1 ℃、煙氣含氧量每變化0.1%、煙氣中CO含量每變化100×10-6、飛灰含碳量每變化0.1%對應的煤耗影響量均處于一個量級。

此外，排煙溫度、煙氣含氧量和煙氣中CO含量同等變化幅度下，工況2中發(fā)電煤耗的相對變化量要高于工況1中發(fā)電煤耗的相對變化量，說明高爐煤氣混燒比例越高，排煙溫度、排煙氧量和排煙中CO含量的變化對機組發(fā)電煤耗的影響程度越大，這主要是因為在同等放熱量下，相較于煤粉，高爐煤氣燃燒產(chǎn)生的煙氣量更大；飛灰含碳量對機組發(fā)電煤耗的影響則相反，即高爐煤氣混燒比例越高，飛灰含碳量的變化對機組發(fā)電煤耗的影響程度越小，這主要是由煤粉在總?cè)剂现姓急认陆邓斐傻摹?/p>

5 結(jié)語

煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐的各項關鍵運行參數(shù)偏離基準值時，會導致熱損失的增加，造成鍋爐效率的降低，從而引發(fā)機組發(fā)電煤耗的升高。煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐的相關特性與常規(guī)燃煤鍋爐和煤氣鍋爐均有一定差異，文章從燃燒計算原理出發(fā)，結(jié)合鍋爐效率反平衡模型，逐一推導出了煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐各項關鍵參數(shù)的耗差分析模型，定量計算了鍋爐運行過程中相關參數(shù)變化對機組熱經(jīng)濟性的影響。結(jié)合現(xiàn)場的熱工配置條件，將文章模型用于煤粉與高爐煤氣混燒發(fā)電機組的實時耗差分析，可在線指導運行人員進行優(yōu)化調(diào)整，使機組始終處于或接近最佳運行工況。