220t/h燃煤鍋爐摻燒焦爐煤氣計算 密級：內部220t/h燃煤鍋爐摻燒焦爐煤氣熱力計算Thermodnaimic calculations of blended Combustion of 220t/h coal bolier and coke oven gas摘要焦爐煤氣和煤粉是兩種形態完全不同的燃料，其燃燒過程和機理存在著很大的差異。在燃煤鍋爐中即燃燒煤氣，又不影響煤粉正常燃燒，保證鍋爐額定出力， 是鍋爐改造中必須解決的問題。本文為減少焦爐煤氣排放，節能降耗、改善環境，就煤粉鍋爐摻燒高爐煤氣技術，對鍋爐大量摻燒焦爐煤氣的利弊進行了分析，由于焦爐煤氣的燃燒特牲與媒存在很大的差異，使原來按燃煤設計的鍋爐摻燒媒氣后鍋爐參數產生很大的變化。為此在改造的熱力計算中，將摻燒的焦爐煤氣的燃燒計算折算成煤粉的燃燒計算，即將煤粉和焦爐煤氣的混合燃料假想成一種全新的煤，這種假想煤的熱力計算過程就是煤和焦爐煤氣摻燒的熱力計算，而假想煤的燃燒計算數值為煤和焦爐煤氣分別計算數值的折算數值。本文對220t/h 煤粉鍋爐摻燒45%焦爐煤氣后各個受熱面進行了熱力計算加于校核。計算證明在不改變鍋爐各個受熱面布置的情況下，摻燒后鍋爐完全能滿足負荷的要求。關鍵詞：燃煤鍋爐；焦爐煤氣；摻燒；燃燒器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目錄摘要IAbstractII1 緒 論- 1 -1.1 研究背景- 1 -1.2 焦爐煤氣- 2 -1.2.1 焦爐煤氣的特點- 3 -1.2.2 焦爐煤氣的利用途徑- 3 -1.3 燃煤鍋爐摻燒焦爐煤氣改造的可行性分析- 4 -1.4 大量摻燒焦爐煤氣的利弊分析- 5 -2 摻燒的計算- 7 -2.2 摻燒的具體計算- 7 -2.2.1 煤及煤氣成分- 7 -2.2.2 煤及煤氣的燃燒計算- 8 -2.2.3 摻燒焦爐煤氣后的計算- 10 -3 鍋爐摻燒校核計算- 13 -3.1 鍋爐基本信息- 13 -3.2 輔助計算- 13 -3.2.1 漏風系數和過量空氣系數的選擇- 13 -3.2.2煙氣特性計算- 14 -3.2.3煙氣焓、空氣焓、蒸汽焓的計算- 16 -3.2.4 鍋爐熱效率及燃料熱消耗量計算- 19 -3.3 爐膛校核熱力計算- 21 -3.4 對流受熱面的熱力計算- 27 -3.4.1對流受熱面計算步驟- 28 -3.4.2 屏式過熱器熱力計算- 28 -3.4.3 凝渣管的熱力計算- 35 -3.4.4 高溫過熱器的熱力計算- 37 -3.4.5 低溫過熱器的熱力計算- 44 -3.4.6 省煤器和空氣預熱器- 48 -3.5鍋爐熱力計算誤差檢查- 61 -4 摻燒焦爐煤氣燃燒器的說明- 63 -4.1 摻燒煤氣后鍋爐本體的改造- 64 -4.2 摻燒焦爐煤氣燃燒器的基本要求- 64 -4.2.1著火、穩燃、燃盡- 64 -4.2.2 保證足夠的焦爐煤氣煤摻燒量- 64 -4.2.3 安全- 64 -4.3 焦爐煤氣燃燒器的選擇- 65 -4.4摻燒高、焦爐煤氣燃燒器的布置- 66 -4.4.1 焦爐煤氣噴嘴與煤粉噴嘴的關系- 66 -4.4.2 焦爐煤氣煤噴嘴的設計- 67 -4.5 焦爐煤氣燃燒器的計算- 67 -4.6 幾點看法- 69 -總結- 70 -致謝- 71 -參考文獻- 72 - 75 -1 緒 論1.1 研究背景中國是世界上少數幾個能源以煤為主的國家之一，中國煤炭消費量占世界每年消費量的28左右，中國常規能源的生產總量中煤炭生產量占70以上，火力發電廠用煤逐年增加，發電用煤量增長速度高于煤炭消費量，發電用煤量在煤炭消費量中所占的比例一直呈上升趨勢。大幅度增加煤炭產量，將使煤炭開采、運輸和利用的難度增加，大量的燃煤還會造成嚴重的環境污染。因此提高能源利用率，提高發電機組效率，降低煤耗，發展熱電聯產，成為行業發展的必然趨勢。鋼鐵廠具有較多的富余能源，電廠作為煤炭資源消耗大戶，若能利用利用鋼鐵廠內富余能源，可相當程度上減少煤炭資源消耗，并充分減少鋼鐵廠能源浪費，從而實現發電成本的降低。體現了可持續發展和循環經濟理念，提高環境保護和資源綜合利用水平，節能降耗。 我國鋼鐵工業的迅猛發展，使煉焦行業也出現超常規發展，焦炭產量由 2000年的12184萬t增長到2007年的33580萬t，增長率超過了1.5倍，接近世界焦炭生產總量的60%，繼續穩居世界第一產焦大國地位。焦化廠在煉焦生產中，每煉成1噸焦炭，常產生約300350Nm3焦爐煤氣，消耗1.21.3t煤。這些煤氣煉焦回爐用去約50%，剩余部分則排入大氣。目前我國每年煉焦煤氣的排放高達120億m3以上，若按0.4元/m3 煤氣計算，每年將直接浪費48億元。由于焦爐煤氣中含有大量硫化氫、苯、萘 、焦油等, 直接排放會造成嚴重的大氣污染。 2002年我國寶鋼、首鋼等27家鋼鐵聯合企業的統計數據顯示，焦爐煤氣的放散量達37132萬m，其回收率和國外發達國家相比還是有著明顯的差距。2006年焦化生產行業直接放散或放空燃燒的焦爐煤氣約240億m3，占全行業總量的20%，相當于西氣東輸天然氣體積量的2倍，等于每年燃燒1400余萬t 標準煤，向大氣排放粉塵3.9萬t、硫氧化物18.6萬t、氮氧化物8.7萬t。這些污染物排放當大氣中對環境污染和對人類健康的破壞可想而知。近年來隨著我國焦化產業結構的調整，以及天然氣的“西氣東輸”，我國能源供應呈現出多元化的格局，鋼鐵企業消耗大量一次能源，同時產生大量二次能源，因此，加大對煉焦行業節能，節水和資源綜合利用的研究和開發，充分合理利用副產煤氣，對減少一次能源消耗和對改善環境、降低二氧化碳排放、節能增效具有深遠的戰略意義。目前通過對200MW電站摻燒高爐煤氣的鍋爐設計特點及性能進行分析，并根據氣固兩相燃料混合燃燒理論和高爐煤氣特點，完善系統，優化燃燒，合理調整減溫水，通過逐步摻燒實踐，實現了在燃用貧煤情況下大量摻燒高爐煤氣的目的，提高了電廠運行安全性和經濟性，減少了高爐煤氣放散和環境污染，取得了顯著經濟效益和社會效益。摻燒煤氣鍋爐的建成應用，大大減少了高、焦爐煤氣的放散量，成功地將低品質的高、焦爐煤氣轉化為高品質電能，不但解決了高、焦爐煤氣大量放散所造成的能源浪費、環境污染問題，而且緩解了電力原煤供應緊張、價格持續上漲的矛盾，對推動冶金行業節能降耗、降低成本、提高市場競爭力具有重要意義。并且進一步改善了環境，提高了能源的綜合利用率，具有發電、節能、環保等多重效益。1.2 焦爐煤氣焦爐煤氣，又稱焦爐氣。是指用幾種煙煤配制成煉焦用煤，在煉焦爐中經過高溫干餾后，在產出焦炭和焦油產品的同時所產生的一種可燃性氣體，是煉焦工業的副產品。焦爐氣是混合物，其產率和組成因煉焦用煤質量和焦化過程條件不同而有所差別，一般每噸干煤可生產焦爐氣300350m3（標準狀態）。其主要成分為氫氣（55%60%）和甲烷（23%27%），另外還含有少量的一氧化碳（5%8%）、C2以上不飽和烴（2%4%）、二氧化碳（1.5%3%)、氧氣(0.3%0.8%)、氮氣(3%7%)。其中氫氣、甲烷、一氧化碳、C2以上不飽和烴為可燃組分，二氧化碳、氮氣、氧氣為不可燃組分。焦爐氣屬于中熱值氣，其熱值為每標準立方米1719MJ，適合用做高溫工業爐的燃料和城市煤氣。焦爐氣含氫氣量高，分離后用于合成氨，其它成分如甲烷和乙烯可用做有機合成原料。焦爐氣為有毒和易爆性氣體，空氣中的爆炸極限為6%30%。焦爐煤氣主要由氫氣和甲烷構成，分別占56%和27%，并有少量一氧化碳、二氧化碳、氮氣、氧氣和其他烴類；其低發熱值為18250kJ/Nm3，密度為0.40.5kg/Nm3，運動粘度為2510-6m2/s。根據焦爐本體和鼓冷系統流程圖，從焦爐出來的荒煤氣進入之前，已被大量冷凝成液體。同時，煤氣中夾帶的煤塵， 焦粉也被捕集下來，煤氣中的水溶性的成分也溶入氨水中。焦油、氨水以及粉塵和焦油渣一起流入機械化焦油氨水分離池。分離后氨水循環使用，焦油送去集中加工，焦油渣可回配到煤料中煉焦煤氣進入初冷器被直接冷卻或間接冷卻至常溫。此時，殘留在煤氣中的水分和焦油被進一步除去。出初冷器后的煤氣經機械捕焦油使懸浮在煤氣中的焦油霧通過機械的方法除去，然后進入鼓風機被升壓至19600帕(2000毫米水柱)左右。為了不影響以后的煤氣精制的操作，例如硫銨帶色、脫硫液老化等，使煤氣通過電捕焦油器除去殘余的焦油霧。為了防止萘在溫度低時從煤氣中結晶析出，煤氣進入脫硫塔前設洗萘塔用于洗油吸收萘。在脫硫塔內用脫硫劑吸收煤氣中的硫化氫，與此同時煤氣中的氰化氫也被吸收了。煤氣中的氨則在吸氨塔內被水或水溶液吸收產生液氨或硫銨。煤氣經過吸氨塔時，由于硫酸吸收氨的反應是放熱反應，煤氣的溫度升高，為不影響粗苯回收的操作，煤氣經終冷塔降溫后進入洗苯塔內，用洗油吸收煤氣中的苯、甲苯、二甲苯以及環戊二烯等低沸點的炭化氫化合物和苯乙烯、萘古馬隆等高沸點的物質，與此同時有機硫化物也被除去了。1.2.1 焦爐煤氣的特點（）、焦爐煤氣發熱值高1672018810KJ/m3，可燃成分較高（約90%左右）； （）、焦爐煤氣是無色有臭味的氣體； （）、焦爐煤氣因含有CO和少量的H2S而有毒； （）、焦爐煤氣含氫多，燃燒速度快，火焰較短； （）、焦爐煤氣如果凈化不好，將含有較多的焦油和萘，就會堵塞管道和管件，給調火工作帶來困難； （）、著火溫度為600650 。 （）、焦爐煤氣含有H2（5560%），CH4（2327%），CO（58%），CO2（1.53.0%），N2（37%），O2（11901210表2.1 煤的成分（2）焦爐煤氣的成分： 表2.2 煤氣的成分其它熱值23.686.4517.5111.9638.990.411.075242.2.2 煤及煤氣的燃燒計算（1）、煤的燃燒計算理論空氣量 產生的煙氣中，三原子氣體的量 氮氣量的水蒸氣的量 理論煙氣量 （2）、煤氣的燃燒計算 理論空氣量產生的煙氣中，三原子氣體的量氮氣的量水蒸氣的量理論煙氣量 2.2.3 摻燒焦爐煤氣后的計算由所給的鍋爐資料可知，全燒煤時鍋爐的計算熱效率為，機械不完全熱損失。由過熱蒸汽焓，給水焓，可知鍋爐有效利用熱：全燒煤時燃料消耗量：計算燃料消耗量：設摻燒45%的焦爐煤氣時，鍋爐的熱效率為，則此時焦爐煤氣產生的熱量：焦爐煤氣的摻燒量：摻燒焦爐煤氣后煤的消耗量：焦爐煤氣的密度：混合密度焦爐煤氣的摻燒量：摻燒煤氣占煤與煤氣混合物的質量百分數：由焦爐煤氣的密度可知，焦爐煤氣燃燒時：理論空氣量： 產生的煙氣中，三原子氣體量： 產生的氮氣量： 產生的水蒸氣量： 產生的理論煙氣量： 將煤和焦爐煤氣的混合物看作是一種假想的煤，假想煤的灰分： 則這種全新的假想煤燃燒時：所需的理論空氣量： 產生的煙氣中，三原子氣體量： 氮氣的量： 水蒸氣的量：理論煙氣量：理論干煙氣容積： 所需的燃料量: 燃燒計算結果：表2.3 混合燃料燃燒計算結果序號項目名稱符號單位結果1理論空氣量2.7662理論氮氣量2.4613RO2容積0.564理論干煙氣容積3.0215理論水蒸氣容積0.4816飛灰份額0.97所需的燃料量52234.817 3 鍋爐摻燒校核計算3.1 鍋爐基本信息(1) 鍋爐額定蒸發量：De220t/h(2) 給水溫度：tgs215(3) 過熱蒸汽溫度：tGR540(4) 過熱蒸汽壓力：PGR9.8MPa(5) 制粉系統：中間儲倉式（熱空氣作干燥劑、鋼球筒式磨煤機）(6) 燃燒方式：四角切圓燃燒(7) 排渣方式：固態(8) 環境溫度：20(9) 蒸汽流程： 一次噴水減溫 二次噴水減溫 汽包頂棚管低溫對流過熱器屏式過熱器高溫對流過熱器冷段高溫對流過熱器熱段汽輪機3.2 輔助計算3.2.1 漏風系數和過量空氣系數的選擇序號名稱漏風系數符號出口過量空氣系數1制粉系統01 符號結果2爐膛005 1.23屏、凝渣管0 1.24高溫過熱器0025 1.2255低溫過熱器0025 1.256高溫省煤器002 1.277高溫空氣預熱器005 1.38低溫省煤器0021.349低溫空預器0.051.39表3.1 漏風系數和過量空氣系數 3.2.2煙氣特性計算 需要計算出各受熱面的煙道平均過量空氣系數。干煙氣容積、水蒸汽容積，煙氣總容積、RO2容積份額、三原子氣體和水蒸汽容積總份額、容積飛灰濃度、煙氣質量、質量飛灰濃度等。表3.2 煙氣特性表序號項目名稱符號單位 （標準狀況下）爐膛，屏凝渣管高過低過高溫省煤器高溫空預器低溫省煤器低溫空預器1漏風系數-0.050.0250.0250.020.050.020.052受熱面出口過量空氣系數（查表1-5）_1.21.2251.251.271.321.341.393煙道平均過量空氣系數pj_1.21.21251.23751.261.2951.331.3654干煙氣容積 V0gy+(pj-1)v0Vgym3/kg3.57423.60883.67793.74023.8373.93384.03065水蒸氣容積V0H2O+0.0161(pj-1)V0m3/kg0.48990.49050.49160.49260.49410.49570.49736煙氣容積 Vgy+VH2OVym3/kg4.06414.09934.16954.23284.33114.42954.62797RO2容積份額 VRO2/VYr RO2_0.13780.13660.13430.13230.12930.12640.121續表序號項目名稱符號單位 （標準狀況下）爐膛，屏凝渣管高過低過高溫省煤器高溫空預器低溫省煤器低溫空預器8水蒸氣容積份額 /Vy_0.12050.11970.11790.11640.11410.11190.10759三原子氣體和水蒸汽溶劑總份額r RO2+ r H2Or_0.25830.25630.25220.24870.24340.23830.228510容積飛灰濃度 10Aarfh/Vyg/m322.145121.95521.585321.262520.7820.318319.44711煙氣質量 1-Aar/100+1.306pjV0mykg/kg5.23495.285.37035.45165.57815.70455.830912質量飛灰濃度 fhAar/(100my)ykg/kg0.01720.01710.01680.01650.01610.01580.01543.2.3煙氣焓、空氣焓、蒸汽焓的計算爐膛、屏式過熱器、高溫過熱器、低溫過熱器、高溫省煤器、高溫空氣預熱器、低溫省煤器、低溫空氣預熱器等所在煙氣區域的煙氣在不同溫度下的焓，并列成表格作為溫焓表。具體見表3.3、3.4、3.5、3.6。對在鍋爐受熱面的各個部位的蒸汽或者空氣的焓值進行計算，列成表格，作為溫焓表。具體見表 表3.3 煙氣焓溫表用于爐膛、屏、高過的計算煙氣或空氣溫度 （）理論煙氣焓h0y(kJ/kg)理論空氣焓h0k(kJ/kg)理論煙氣焓增(每100）h0y爐膛、屏、凝渣管高溫過熱器=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續表煙氣或空氣溫度 （）理論煙氣焓h0y(kJ/kg)理論空氣焓h0k(kJ/kg)理論煙氣焓增(每100）h0y爐膛、屏、凝渣管高溫過熱器=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 煙氣焓溫表用于低溫過熱器、高溫省煤器的計算煙氣或空氣溫度 （）理論煙氣焓h0y(kJ/kg)理論空氣焓h0k(kJ/kg)理論煙氣焓增(每100）h0y低溫過熱器高溫省煤器=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 煙氣焓溫表用于高溫空預器、低溫省煤器的計算煙氣或空氣溫度 （）理論煙氣焓h0y(kJ/kg)理論空氣焓h0k(kJ/kg)理論煙氣焓增(每100）h0y高溫空預器低溫省煤器=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 煙氣焓溫表用于低溫空預器的計算煙氣或空氣溫度 （）理論煙氣焓h0y(kJ/kg)理論空氣焓h0k(kJ/kg)理論煙氣焓增(每100）h0y低溫空預期=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 鍋爐熱效率及燃料熱消耗量計算（1）計算鍋爐輸入熱量，包括燃料的收到基低位發熱量，燃料物理顯熱、外來熱源加熱空氣時帶入的熱量。（2）各項熱損失，包括化學不完全燃燒熱損q3和機械不完全燃燒熱損失q4，鍋爐七散熱損失q5，灰渣熱物理損失q6，排煙熱損失q2。具體數據見鍋爐熱平衡及燃料消耗量計算表表3.7 鍋爐熱平衡及燃料消耗量計算序號名稱符號單位公式結果1鍋爐輸入熱量11588.382排煙溫度先估后校1403排煙焓查焓溫表887.124冷空氣溫度取用205理論冷空氣焓=73.36化學未完全燃燒損失%取用1.57機械未完全燃燒損失%取用1.58排煙出過量空氣系數%指導書表2-9即低溫空預器出口過量空氣系數1.399排煙損失%6.7910散熱損失%取用0.511灰渣損失%指導書式（2-13）012鍋爐總損失%+10.2913鍋爐熱效率%100-89.714保熱系數1-0.9915過熱蒸汽焓查附錄二中水和水蒸氣性質表，高過出口參數=9.8MPa t=5403476.416給水溫度給定21517給水焓查附錄二中水和水蒸氣性質表,低省入口參數 t=21598818鍋爐有效利用熱Q(-)19煤消耗量14903.920焦爐煤氣消耗量37330.921混合燃料消耗量52234.8173.3 爐膛校核熱力計算校核熱力計算步驟：（1）、計算爐膛結構尺寸及煙氣有效輻射層。（2）、選取熱風溫度、并依據有關條件計算隨每kg燃料進入爐膛的有效熱量。（3）、根據燃料種類、燃燒設備的形式和布置方式，計算火焰中心位置的系數M。（4）、估計爐膛出口煙溫，計算爐膛煙氣平均熱容量。（5）、計算爐膛受熱面輻射換熱特性參數。（6）、根據燃料和燃燒方式計算火焰黑度和爐膛黑度。（7）、計算爐膛出口煙溫。（8）、核對爐膛出口煙溫誤差。（9）、計算爐膛熱力參數。（10）、爐膛內其他輻射受熱面的換熱計算。具體見表3.8、表3.9。表3.8 爐膛的結構數據序號名稱符號單位公式結果1前墻總面積768（1.395+0.905）+3.995/2+22.176(5.888+21.276)219.622側墻總面積=(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后墻總面積768 （1.395+0.905）+3.995/2+12.976(5.888+21.276)+7.68157.744噴燃器及門孔面積65爐頂面積7.68(3.39+0.869)-232.116爐膛與屏的交界面積(6.974+0.225+0.334)65.617爐墻總面積+693.568爐膛截面