梁占偉， 陳鴻偉， 趙爭(zhēng)輝， 張梅有

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司，銀川 750001)

目前，煤炭緊缺以及煤炭燃燒發(fā)電帶來(lái)的環(huán)境污染備受關(guān)注，煤粉與天然氣[1]、生物質(zhì)、低階煤氣化氣體[2-3]及工業(yè)副產(chǎn)品氣體[4-5]混燃發(fā)電是一種既能減少煤炭消耗又能降低污染物排放的可行性技術(shù)，尤其是煤粉與工業(yè)副產(chǎn)品氣體混燃還能減少低品位可燃?xì)怏w能源的放散。煤粉與氣體燃料混燃(以下簡(jiǎn)稱(chēng)煤/氣混燃)所呈現(xiàn)的燃燒特性必然會(huì)影響鍋爐輻射換熱量與對(duì)流換熱量的分配份額，進(jìn)而對(duì)鍋爐主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度產(chǎn)生影響。同時(shí)，為了控制NOx排放濃度[6-7]，現(xiàn)役燃煤鍋爐機(jī)組所采用的分級(jí)配風(fēng)燃燒技術(shù)對(duì)其熱量分配也會(huì)產(chǎn)生較大影響。因此，研究煤/氣混燃和分級(jí)配風(fēng)燃燒對(duì)鍋爐熱量分配的影響十分重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是對(duì)純?nèi)济哄仩t熱量分配和蒸汽溫度特性進(jìn)行研究。肖琨等[8-9]研究了低氮改造對(duì)純?nèi)济哄仩t蒸汽溫度的影響，表明分級(jí)配風(fēng)燃燒通過(guò)改變爐膛火焰中心高度來(lái)影響主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度。靳允立[10]分析了純?nèi)济哄仩t低NOx技術(shù)對(duì)熱量分配的影響，發(fā)現(xiàn)增加分離燃盡風(fēng)(SOFA)后引起熱量分配向水冷壁區(qū)遷移，使得主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度偏低。Park等[11]采用CFD模擬四角切圓純?nèi)济哄仩t存在的主蒸汽溫度偏差現(xiàn)象，結(jié)果表明調(diào)整燃盡風(fēng)擺角可以將主蒸汽溫度偏差從27 K降到9 K.Kuang等[12]基于W型火焰純?nèi)济哄仩t研究了二次風(fēng)擺角對(duì)蒸汽溫度的影響，表明降低二次風(fēng)擺角不僅未改善主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度低的狀況，還導(dǎo)致燃燒惡化。由以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，配風(fēng)方式對(duì)鍋爐熱量分配與蒸汽溫度具有較大的影響，尤其是經(jīng)低氮改造后分級(jí)配風(fēng)對(duì)純?nèi)济哄仩t熱量分配和蒸汽溫度的影響越來(lái)越受到相關(guān)學(xué)者的重視。然而，針對(duì)采用分級(jí)配風(fēng)燃燒方式的煤/氣混燃鍋爐熱量分配的研究未見(jiàn)報(bào)道。

煤/氣混燃決定了其燃燒器布置及分級(jí)配風(fēng)方式不同于純?nèi)济哄仩t。因此，研究不同的煤氣熱量摻燒比和分級(jí)配風(fēng)對(duì)鍋爐熱量分配的影響具有重要意義。筆者以某廠的煤粉摻燒高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣鍋爐為對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣熱量摻燒比協(xié)同分級(jí)配風(fēng)對(duì)鍋爐主蒸汽、再熱蒸汽吸熱量的影響，為煤/氣混燃鍋爐蒸汽溫度調(diào)整提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某300 MW煤粉摻燒高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣四角切圓燃燒鍋爐。煤質(zhì)分析和煤氣成分如表1所示，高爐煤氣的主要可燃成分為CO和少量的H2與CH4，焦?fàn)t煤氣的主要可燃成分為H2和CH4以及少量的CO和CmHn。

表1 煤質(zhì)分析和煤氣成分

主蒸汽、再熱蒸汽流程及燃燒器布置方式如圖1所示，該機(jī)組的主蒸汽受熱面之間布置三級(jí)噴水減溫控制主蒸汽溫度，再熱蒸汽受熱面之間布置二級(jí)噴水減溫作為輔助的再熱蒸汽溫度控制手段，防止再熱蒸汽受熱面超溫。如圖1(b)所示，一次風(fēng)沿線1的方向噴入爐膛形成逆時(shí)針的切圓，二次風(fēng)AA、CC、DD、EE及SOFA與一次風(fēng)的噴入方向相同，二次風(fēng)AB、BC和DE沿線2的方向噴入爐膛進(jìn)行混燃。由圖1(c)可見(jiàn)，燃燒器由下至上分別為2個(gè)高爐煤氣噴嘴組(A-GAA和B-GAA)，5個(gè)煤粉噴嘴(從A-COAL到E-COAL)，15個(gè)二次風(fēng)噴口(除GA、AA、AB、BC、CC、DD、DE及EE外，還包括7個(gè)位于高爐煤氣噴嘴和煤粉噴嘴周?chē)闹芙顼L(fēng)噴口：GAA、GBB、AS、BS、CS、DS及ES)，4個(gè)SOFA噴口(從SOFA1到SOFA4)，4個(gè)焦?fàn)t煤氣噴口(布置在二次風(fēng)噴口GA、AB、BC及DE中心位置)。

圖1 煤/氣混燃鍋爐燃燒器及蒸汽流程圖

Fig.1 Burner arrangement and steam flow diagram of a co-firing boiler

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)期間機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在300 MW，且煤粉、焦?fàn)t煤氣及高爐煤氣的總輸入熱量不變，通過(guò)機(jī)組分布式控制系統(tǒng)(DCS)系統(tǒng)采集主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度、減溫水量、蒸汽流量和壓力等參數(shù)。另外，實(shí)驗(yàn)期間保持燃燒器擺角不變，以消除其對(duì)主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度的影響。參數(shù)采集的時(shí)間間隔為5 s，取各參數(shù)連續(xù)10個(gè)數(shù)據(jù)平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了比較不同實(shí)驗(yàn)工況對(duì)熱量分配的影響，定義焓增率ηH為實(shí)驗(yàn)工況相對(duì)于純?nèi)济汗r的蒸汽或減溫水的焓增百分?jǐn)?shù)。其定義式為：

(1)

主蒸汽或再熱蒸汽的焓增為：

ΔHk,v=(hso-hsi)·(qm,r-qm,a)，k=1,2

(2)

減溫水的焓增為：

ΔHk,w=(hso-hai)·qm,a，k=1,2

(3)

主蒸汽或再熱蒸汽和減溫水的總焓增為：

(4)

式中：ΔH1為實(shí)驗(yàn)工況主蒸汽、再熱蒸汽或減溫水的焓增，kJ/h；ΔH2為純?nèi)济汗r主蒸汽、再熱蒸汽或減溫水的焓增，kJ/h；ΔHk為純?nèi)济汗r或?qū)嶒?yàn)工況主蒸汽、再熱蒸汽或減溫水的焓增，kJ/h，k=1表示純?nèi)济汗r，k=2表示實(shí)驗(yàn)工況；hso為末級(jí)過(guò)熱器、再熱器出口蒸汽焓值，kJ/kg；hsi為低溫過(guò)熱器或低溫再熱器入口蒸汽焓值，kJ/kg；qm,r為末級(jí)過(guò)熱器、再熱器出口蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；qm,a為主蒸汽、再熱蒸汽或減溫水質(zhì)量流量，kg/h；hai為主蒸汽、再熱蒸汽或減溫水入口焓值，kJ/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 摻燒煤氣對(duì)熱量分配的影響

2.1.1 摻燒焦?fàn)t煤氣對(duì)熱量分配的影響

圖2給出了焦?fàn)t煤氣熱量摻燒比對(duì)主蒸汽、再熱蒸汽吸熱量的影響，該實(shí)驗(yàn)工況中高爐煤氣熱量摻燒比保持在0%不變，焦?fàn)t煤氣的熱量摻燒比分別為0%、5.5%和11.5%。由圖2(a)可以看出，隨著焦?fàn)t煤氣熱量摻燒比的增加，主蒸汽焓增率略微有所升高，說(shuō)明主蒸汽吸熱量略微增加。但主減溫水焓增率隨著焦?fàn)t煤氣熱量摻燒比的增加而大幅降低，說(shuō)明主蒸汽減溫水噴水量大幅減少。隨著焦?fàn)t煤氣熱量摻燒比的增加，總焓增率降低，表明各級(jí)主蒸汽受熱面的總吸熱量相對(duì)減少。而再熱蒸汽焓增率、再熱減溫水焓增率及總焓增率均隨著焦?fàn)t煤氣熱量摻燒比的增加而降低，表明各級(jí)再熱器的總吸熱量相對(duì)減少。因此，摻燒焦?fàn)t煤氣會(huì)使各級(jí)主蒸汽、再熱蒸汽受熱面的總吸熱量均相對(duì)減少。這主要是因?yàn)樵黾咏範(fàn)t煤氣熱量摻燒比會(huì)強(qiáng)化煤粉的燃燒，有利于煤粉的著火和燃盡，使火焰中心下移，提高爐膛溫度，增強(qiáng)爐膛內(nèi)的輻射換熱。同時(shí)，逐漸增加焦?fàn)t煤氣的熱量摻燒比會(huì)使煙氣量不斷減少。因此，摻燒焦?fàn)t煤氣會(huì)使輻射換熱量與對(duì)流換熱量分配發(fā)生變化，輻射換熱量增加，對(duì)流換熱量減少。對(duì)于主蒸汽在爐膛內(nèi)的輻射受熱面(分隔屏過(guò)熱器和后屏過(guò)熱器)，輻射換熱量增加，而在水平煙道和尾部煙道內(nèi)的對(duì)流受熱面(低溫過(guò)熱器和末級(jí)過(guò)熱器)，對(duì)流換熱量卻減少，輻射換熱量的增加未能抵消對(duì)流換熱量的減少，導(dǎo)致各級(jí)主蒸汽受熱面的總吸熱量減少。而再熱蒸汽溫度主要受到煙氣對(duì)流換熱的影響，所以再熱蒸汽各級(jí)受熱面的總吸熱量隨著焦?fàn)t煤氣熱量摻燒比的增加而減少。

(a)摻燒焦?fàn)t煤氣對(duì)主蒸汽吸熱量的影響

(b)摻燒焦?fàn)t煤氣對(duì)再熱蒸汽吸熱量的影響

2.1.2 摻燒高爐煤氣對(duì)熱量分配的影響

圖3給出了高爐煤氣熱量摻燒比對(duì)主蒸汽、再熱蒸汽吸熱量的影響，該實(shí)驗(yàn)工況中焦?fàn)t煤氣熱量摻燒比保持在7%不變，高爐煤氣熱量摻燒比從6.7%增加到11.2%。由圖3可知，主蒸汽、再熱蒸汽焓增率基本維持不變，但隨著高爐煤氣熱量摻燒比的增加，主減溫水焓增率和總焓增率降低，而再熱減溫水焓增率和總焓增率卻升高。不斷增加高爐煤氣熱量摻燒比會(huì)使?fàn)t膛溫度逐漸降低，煙氣量增加，從而造成爐膛內(nèi)輻射換熱量減少，煙道內(nèi)的對(duì)流換熱量增加。由于主蒸汽各級(jí)受熱面總吸熱量同時(shí)受到輻射換熱量和對(duì)流換熱量的影響，所以主蒸汽總焓增率雖有所降低，但降低幅度較小。而以對(duì)流換熱為主的再熱減溫水焓增率和總焓增率均大幅上升。

(a)摻燒高爐煤氣對(duì)主蒸汽吸熱量的影響

(b)摻燒高爐煤氣對(duì)再熱蒸汽吸熱量的影響

2.1.3 摻燒焦?fàn)t煤氣與高爐煤氣對(duì)熱量分配的影響

圖4為焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣的熱量摻燒比均為7%、12.4%和18.5%時(shí)熱量分配的變化。對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可知，隨著焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣熱量摻燒比的增加，主蒸汽焓增率、再熱蒸汽焓增率都有所降低，且降低幅度基本相同；但是主減溫水焓增率、再熱減溫水焓增率及總焓增率均升高，且升高幅度相差較大。隨著焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣熱量摻燒比的增加，主減溫水焓增率升高幅度為158.44%，主蒸汽總焓增率升高幅度為11.71%，再熱減溫水焓增率升高幅度為616.81%，再熱蒸汽總焓增率升高幅度為18.69%。

(a)摻燒焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣對(duì)主蒸汽吸熱量的影響

(b)摻燒焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣對(duì)再熱蒸汽吸熱量的影響

Fig.4 Effect of co-firing coke oven gas and blast furnace gas on heat distribution

隨著焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣熱量摻燒比的增加，爐膛溫度逐漸降低，煤粉著火及燃盡推遲，火焰中心上移，爐膛出口煙氣溫度升高；另外，煙氣量的增加使煙氣流速加快，煤粉在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間縮短導(dǎo)致煤粉燃盡困難；最終使煙氣在爐膛內(nèi)的輻射換熱量相對(duì)減少，爐膛出口后煙道內(nèi)的對(duì)流換熱量增加。主蒸汽在對(duì)流受熱面中吸熱量的增加大于在輻射受熱面中吸熱量的減少，使得主減溫水焓增率和總焓增率升高，但由于輻射換熱量的減少抵消了一部分對(duì)流換熱量的增加，使得主減溫水焓增率和總焓增率的升高幅度相對(duì)較小。而對(duì)于以對(duì)流換熱為主的再熱蒸汽，再熱減溫水焓增率和總焓增率升高幅度較大。因此，隨著焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣熱量摻燒比的增加，主蒸汽、再熱蒸汽均以對(duì)流換熱的方式為主，主蒸汽、再熱蒸汽的吸熱量均隨之增加。

2.2 分級(jí)配風(fēng)對(duì)熱量分配的影響

2.2.1 高爐煤氣二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)熱量分配的影響

將位于高爐煤氣噴嘴區(qū)域的二次風(fēng)稱(chēng)為高爐煤氣二次風(fēng)。高爐煤氣二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)主蒸汽、再熱蒸汽吸熱量的影響如圖5所示。由圖5可以看出，增大高爐煤氣二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度會(huì)減少主蒸汽各級(jí)受熱面的總吸熱量，同時(shí)增加再熱蒸汽各級(jí)受熱面的總吸熱量。這主要是因?yàn)樵龃蟾郀t煤氣二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度會(huì)增大高爐煤氣燃燒區(qū)的過(guò)量空氣系數(shù)，使高爐煤氣燃燒產(chǎn)生的煙氣量增加，同時(shí)降低煙氣溫度，進(jìn)而影響整個(gè)爐膛的溫度，并增加煙氣流速，最終導(dǎo)致煙氣的輻射放熱量減少，對(duì)流換熱量增加。由于主蒸汽對(duì)流換熱量的增加未能抵消輻射換熱量的減少，主減溫水焓增率和總焓增率均有小幅降低。對(duì)于主要以對(duì)流換熱為主的再熱蒸汽，再熱減溫水焓增率和總焓增率均大幅升高。

(a)高爐煤氣二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)主蒸汽吸熱量的影響

(b)高爐煤氣二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)再熱蒸汽吸熱量的影響

Fig.5 Effect of secondary air damper opening of blast furnace gas on heat distribution

2.2.2 煤粉二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)熱量分配的影響

該實(shí)驗(yàn)工況中煤粉噴嘴A-COAL、B-COAL及C-COAL運(yùn)行，D-COAL及E-COAL停運(yùn)，僅研究二次風(fēng)AA、AB、BC及CC風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)熱量分配的影響，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持其他二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度不變。由圖6可以看出，隨著煤粉二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增大,主蒸汽焓增率和再熱蒸汽焓增率均有所升高，說(shuō)明主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度均升高，并保持在合理波動(dòng)范圍。但主減溫水焓增率、再熱減溫水焓增率和總焓增率卻都隨著煤粉二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增大而降低。其主要原因是隨著煤粉二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增大，主燃區(qū)的供氧量逐漸增加，燃料在主燃區(qū)的燃燒份額增加，火焰中心下移，爐膛溫度提高，導(dǎo)致煙氣在爐膛內(nèi)的輻射換熱量增加，爐膛出口煙氣溫度降低，爐膛出口后受熱面對(duì)流換熱量減少，所以主蒸汽、再熱蒸汽的對(duì)流換熱量都隨著煤粉二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增大而減少。

(a)煤粉二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)主蒸汽吸熱量的影響

(b)煤粉二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)再熱蒸汽吸熱量的影響

Fig.6 Effect of secondary air damper opening of pulverized coal on heat distribution

因此，增大煤粉二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度會(huì)使主蒸汽輻射換熱量增加，對(duì)流換熱量減少，但輻射換熱量的增加未能補(bǔ)償對(duì)流換熱量的減少，致使主減溫水焓增率和總焓增率均小幅降低。而對(duì)于以對(duì)流換熱為主的再熱蒸汽,其吸熱量減少幅度較大，再熱減溫水焓增率和總焓增率降低幅度也較大。

2.2.3 SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)熱量分配的影響

圖7給出了SOFA1和SOFA2風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)熱量分配的影響。由圖7可以看出，隨著SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增大,主蒸汽焓增率和再熱蒸汽焓增率均降低，說(shuō)明主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度略微降低，但仍高于安全運(yùn)行的最低蒸汽溫度。主減溫水焓增率、再熱減溫水焓增率和總焓增率均隨著SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增大而升高，這主要是因?yàn)镾OFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度增大會(huì)導(dǎo)致主燃區(qū)的過(guò)量空氣系數(shù)相對(duì)減小，還原性氣氛增強(qiáng)，減少煤粉在主燃區(qū)的燃燒份額，主燃區(qū)煙氣溫度降低，輻射換熱量減少；同時(shí)增加了煤粉在燃盡區(qū)的燃燒份額，火焰中心上移，爐膛出口煙氣溫度升高；總之，煙氣在爐膛內(nèi)的輻射換熱量相對(duì)減少，煙氣在水平煙道及尾部煙道內(nèi)受熱面的對(duì)流換熱量增加。因此，主蒸汽和再熱蒸汽的對(duì)流換熱量均隨著SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增大而增加，以對(duì)流換熱為主的再熱蒸汽吸熱量增加幅度比較明顯，而同時(shí)進(jìn)行輻射換熱和對(duì)流換熱的主蒸汽吸熱量受到對(duì)流換熱的控制，輻射換熱為非控制因素，所以其吸熱量也有小幅的增加。

(a)SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)主蒸汽吸熱量的影響

(b)SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)再熱蒸汽吸熱量的影響

3 結(jié) 論

(1)摻燒焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣會(huì)使輻射換熱和對(duì)流換熱分配發(fā)生變化。隨著焦?fàn)t煤氣熱量摻燒比的增加，爐膛內(nèi)輻射換熱量增加，而煙道內(nèi)對(duì)流換熱量減少；摻燒高爐煤氣和摻燒焦?fàn)t煤氣對(duì)輻射換熱和對(duì)流換熱分配具有相反的作用。

(2)隨著焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣熱量摻燒比的增加，主蒸汽和再熱蒸汽均以對(duì)流換熱的方式為主，使得主蒸汽和再熱蒸汽的總吸熱量均增加。

(3)高爐煤氣二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度增大會(huì)增加高爐煤氣燃燒區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)，降低煙氣溫度，導(dǎo)致煙氣的輻射放熱量減少，對(duì)流換熱量增加；而對(duì)于主蒸汽，對(duì)流換熱量的增加未能抵消輻射換熱量的減少。

(4)隨著煤粉二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增大，主燃區(qū)燃燒加強(qiáng)，使?fàn)t膛內(nèi)輻射換熱增強(qiáng)，對(duì)流換熱量減少，主蒸汽和再熱蒸汽的對(duì)流換熱量均減少。

(5)主蒸汽和再熱蒸汽的對(duì)流換熱量均隨著SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增大而增加，以對(duì)流換熱為主的再熱蒸汽吸熱量增加幅度更為明顯，而同時(shí)進(jìn)行輻射換熱和對(duì)流換熱的主蒸汽吸熱量增加幅度較小。

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