燃煤电厂掺烧焦炉煤气的可行性及影响

燃煤电厂掺烧焦炉煤气的可行性及影响

刘善聪

华能营口电厂 辽宁省营口市 115007

煤炭是世界上分布最广、储量最大，也是我国使用最多的一次能源。伴随我国经济的高速发展，能源和环境间的矛盾成为制约我国经济发展的重要问题之一。如何提高能源利用率、控制能源消费过程中的污染已迫在眉睫。目前全球近90%的能量供应来自于化石燃料的燃烧（石油、天然气、煤炭）[1，2]。

钢铁行业生产过程中会产生大量焦炉、高炉煤气，鞍山钢铁集团鲅鱼圈分公司（下简称鞍钢）产生的焦炉、高炉煤气在自用剩余情况下，采取“点天灯”的方法处理，这种方法既不环保，也不经济。由于鞍钢毗邻华能营口电厂（下简称营口电厂），经技术升级后营口电厂一期两台锅炉均可燃烧鞍钢剩余焦炉煤气，解决了鞍钢剩余煤气无法有效处理的尴尬局面。

对比掺烧焦炉煤气和设计煤种燃烧需要的理论空气量，可以得出不改造送风机是否满足焦炉煤气掺烧的要求，即：

V_m0=0.0889*(C_ar+0.375*S_ar)+0.265*H_ar-0.0333*O_ar

式中：V_m0-煤粉燃烧的理论空气量，Nm³/Kg

C_ar、S_ar、H_ar、O_ar分别为收到基中碳、硫、氢、氧的质量分数，%；

营口电厂保证煤、较好煤、较差煤的收到基碳、氢、氧、氮、硫、水份、灰分含量及干燥无灰基挥发份、低位发热量分别为：58.56%、3.36%、7.28%、0.79%、0.63%、9.61%、19.77%、32.3%、22441KJ/kg；65.28%、3.86%、7.65%、0.6%、0.9%、7.22%、14.49%、36.6%、25076KJ/kg；56.37%、3.3%、7.5%、0.63%0.68%、10.72%、20.8%、32.3%、21236KJ/kg。

分别计算得出较好煤、保证煤、较差煤燃烧需要的理论空气量分别为6.60、5.87、5.66Nm³/Kg；即燃烧产生每千焦热量需要的空气量为263.262、261.796、266.468cm³。

焦炉煤气燃烧需要的理论空气量为：

V_J0=[0.5V_CO+0.5V_H2+Σ（m+n/4）V_CmHn-V_o2]/21

式中：V_J0-焦炉煤气燃烧需要的理论空气量，Nm³/Nm³；

V_CO、V_H2、V_o2-CO、H₂、O₂在焦炉煤气中的体积分数，%；

V_CmHn-C_mH_n类气体在焦炉煤气中的体积分数，%。

鞍钢焦炉煤气中不饱和烃约占焦炉煤气体积分数的2-4%，为方便计算将其统一简化为CH₄，V_J0计算范围为3.786-4.548，即每立方米焦炉煤气燃烧需要的理论空气量为3.786-4.548m³；即焦炉煤气每千焦热量需要空气量为206-247cm³。可见，焦炉煤气燃烧时产生相同热量需要的的理论空气量小于煤燃烧需要的理论空气量。理论上燃用焦炉煤气同设计煤种比较将会降低送风机、一次风机出力，同时磨煤机出力也会降低。

通过对比掺烧焦炉煤气和设计煤种燃烧产生的理论烟气量，可以知道炉膛内换热是否满足要求，并计算出引风机是否满足焦炉煤气掺烧的要求，即：

煤粉燃烧的理论烟气量为：

V_mg0=1.866*C_ar/100+0.7*S_ar/100+(0.8*N_ar/100+0.79*V_m0)+

(11.1*H_ar/100+1.24*M_ar/100+0.0161V_m0)

式中V_mg0-煤粉燃烧的理论烟气量，Nm³/Kg。

V_mg0=1.5609+0.8061V_m0

较差煤燃烧需要的理论空气量为5.66Nm³/Kg，V_mg0≈6.12Nm³/Kg。

营口电厂一期锅炉炉膛容积8190m³，按照较差煤产生的烟气量计算，烟气在炉膛内理想状态下流动时间为t₀≈80.3/M（分钟）；其中，M为锅炉总煤量。

焦炉煤气理论烟气量为：

V_jg⁰=0.01*(V_CO+V_CO2+V_CH4+mV_CmHn)+0.01V_N2+

0.79V_J0+0.01(V_H2+2_VCH4+n/2*V_CmHn）+0.0161V_J0

式中V_jg⁰为焦炉煤气理论烟气量；整理后：

V_jg⁰=0.029193*V_CO+0.029193*V_H2+0.01*V_CO2+0.01*V_N2+0.10677*V_CH4-0.048386*V_O2

即：当V_CmHn取31%，CO与H₂之和取64.5%，CO₂与N2之和取4.5%，O₂取0时V_jg⁰最大5.24Nm³。当V_CmHn取25%，CO与H₂之和取64.5%，CO₂与N₂之和取10%，O₂取0.5时V_jg0最小4.68Nm³。也即：焦炉煤气燃烧发出每千焦热量产生254.46-284.91cm³烟气，较差煤产生每千焦热量产生288.19cm³烟气。焦炉煤气掺烧产生的烟气量小于设计煤种产生的烟气的烟气量，掺烧焦炉煤气从理论上比燃用设计煤种时引风机出力降低。焦炉煤气掺烧烟气在炉膛内理想状态流动时间最大t取91/M（分钟）。

通过上述计算可知：燃用不同煤种需要的理论空气量和产生的烟气量相差不大；焦炉煤气掺烧时产生相同热量情况下，需要的理论空气量和燃烧产生的理论烟气量均小于较差煤燃烧时需要的理论空气量和燃烧产生的理论烟气量。综上所述：营口电厂具备掺烧鞍钢焦炉的基础条件。

焦炉煤气掺烧混合燃料理论发热量

Q=1/[xρ/Q_gas+(1-x)Q_coal)]

式中：x、ρ、Q_gas、Q_coal分别为气体燃料热值比、气体燃料密度、气体燃料热值、煤热值。

实际运行中煤气燃烧器多次出现火检失去导致煤气火嘴连锁关闭，因混合燃料热值提高，且焦炉煤气完全燃烧需要的过量空气系数较低，因此焦炉煤气掺烧理论上不存在降低炉膛火焰强度的可能。由计算得出营口电厂进入炉膛的煤气最低轴向速度约为17m/s，远大于焦炉煤气主要成分中氢气燃烧的火焰传播速度3.15m/s，可知一旦煤气燃烧器旋流遭到破坏将会严重影响煤气燃烧的稳定。煤气火嘴火检经炉控检查排除火检元件影响，煤气燃烧器出口压力低导致燃烧区靠近煤气燃烧器喷口，致使煤气燃烧器结构受损，从而影响到煤气的稳定燃烧，最终引发火检检测闪烁后跳闸，应当是目前煤气火嘴连锁关闭的主因，这也解释了远端煤气火嘴跳闸最为频繁的情况。

焦炉煤气掺烧在营口电厂可以不改造设备应用，但煤气燃烧器需保证煤气旋流可靠性，在锅炉维护期间应当加强对煤气燃烧器的检查，避免出现旋流片磨损甚至烧穿是保证焦炉煤气掺烧可靠运行的前提。

鞍钢的焦炉煤气被营口电厂有效利用将会为鞍钢提供可观的经济收益，营口电厂也可以参与分配收益，实现双方共赢。目前出于成本考虑各燃煤电厂普遍使用混配煤，煤质不稳定，煤中的硫分等燃烧后产生有害物的含量可能较高，使用煤气减少了发电厂煤的使用，降低了污染物的排放。因此煤气掺烧对于提高一次燃料的综合使用率及环境保护大有裨益。

参考文献

[1]国家统计局.中国统计年鉴(1978年版和1997年版)，中国统计出版社.北京

[2]王海建.近年来我国能源生产和消费若干现状分析.新能源，1999， 21(11):42〜46

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