工厂设计中燃烧高炉煤气锅炉的热平衡计算简化探讨

工厂设计中燃烧高炉煤气锅炉的热平衡计算简化探讨。 ““ 笛；热力技术 i 磊{ {{ {；，{j{j 工厂设计中燃烧高炉煤气锅炉的热平衡计算简化探讨 1 概述周玉磊钢铁企业在炼铁时将会产生大量的高炉煤气，这些煤气具有发生量大、热值低(一般不超过 3600kJ／NIIl3)、供应与使用中波动性大等特点。因此除炼铁工艺中热风炉、焦炉等用户消耗掉 4o％左右以外，其余部分则采用放散，重点钢铁企业和骨干钢铁企业的放散率分别为 II．14％和 15．39％，一则对大气造成严重污染，二来浪费了大量的能源。...

。 ““ 笛；热力技术 i 磊{ {{ {；，{j{j 工厂设计中燃烧高炉煤气锅炉的热平衡计算简化探讨 1 概述周玉磊钢铁企业在炼铁时将会产生大量的高炉煤气，这些煤气具有发生量大、热值低(一般不超过 3600kJ／NIIl3)、供应与使用中波动性大等特点。因此除炼铁工艺中热风炉、焦炉等用户消耗掉 4o％左右以外，其余部分则采用放散，重点钢铁企业和骨干钢铁企业的放散率分别为 II．14％和 15．39％，一则对大气造成严重污染，二来浪费了大量的能源。因此对高炉煤气的利用问题是我国现有钢铁企业的一大难题。由于除热风炉及焦炉等这些保证用户外，高炉煤气可用于动力系统等缓冲用户，而缓冲用户为保持自己的负荷稳定，有时需采用混合燃料。而对于纯高炉煤气的利用主要有以下几种方式：效率最高的就是建立蒸汽—燃气联合循环电站(CCPP)，并实行热电联产。例如宝钢的 CCPP电站，纯发电额定负荷时效率可达45．5％，负荷降至 75％时，效率为43％，当负荷降至 50％时，其效率仍可达到 36％。但是由于这种方案投资太高，并且尚需进一步的实践检验及技术积累，因此在大多数钢铁企业内尚未得到推广。因此，常常倾向于采用高炉煤气锅炉，既可以用来提供工厂用汽，也可用于发电，对燃烧高炉煤气锅炉的热平衡计算将会越来越多地被钢铁企业采用。然而以往的锅炉热平衡计算，一般适宜燃煤为主，因此不够直观、方便的进 · 50 · 行计算。本文将针对高炉煤气这种燃料的锅炉的热平衡计算，尤其是大型高炉煤气锅炉的计算，进行归纳及简化，并对其中部分参数的选取提出了建议，希望对今后的此类计算能带来方便。 2 热平衡计算高炉煤气的主要成分为 CO、N2、H2、 C02，此外还有部分水蒸汽、尘埃及微量的 CH4等，在计算中CH4可忽略不计。高炉煤气的成分(体积百分比)见表 I。燃料燃烧计算包括燃料燃烧所需的空气量、燃烧后生成的烟气量、空气和烟气焓等。燃烧计算是锅炉热平衡和进行热力计算的基础，也是空气动力计算和选择鼓、引风机的依据，是锅炉设计及锅炉房布置中不可缺少的一项工作。高炉煤气成分表表 1 高炉煤气成分范围平均 c0 21—25 23．2 H2 l～4 3．1 C l9～25 22．4 N2 50—57 51．3 含水量(g／Nm3) 公式进行热平衡计算时，如果能够得到实际的煤气成份，则可以直接进行计算，否则利用表 l中的数据进行计算，误差也不会超过 5％。 2．1燃料燃烧所需的空气量 (1)理论(干)空气量 V 。理论空气量是燃料中的各种可燃成分完全燃烧所需的空气量之和(扣除燃料本身的含氧量)。由于高炉煤气中可燃成分为一氧化碳和氢气，所以其所需空气量的计算公式如下： Vk。=1／21(0．5C0+O．51-I2) Nm3／Nm3 (2)实际空气量 vk Vk=a·Vk。 Nm3／Nm3 式中：a—过量空气系数过量空气系数是锅炉运行的重要指标，a 太大则增加烟气容积，造成排烟损失，a太小则不能保证燃料完全燃烧，a通常指锅炉出口处的空气过量系数。对于燃气锅炉，一般取 1．晒至 1．2，锅炉越大，a越小。首钢 220t／ h全烧煤气锅炉，a为 1．05，燃烧情况良好。 2．2燃烧产物■计算 (1)理论烟气量 v-。理论烟气量是指在理论空气量(a=1)的条件下，达到完全燃烧时生成的烟气容积。计算时以每 Nm3(标立)为单位，故： V7~= 0 ． 01(C0 +H2+co2+N +0． 124d．)+O．016VK。+O．79Vk。 Nm3／Nm3 式中是以每公斤干空气含水量 10g来计算水蒸汽容积的。若所给定的空气含水量与此值相差很大时，应按下式修正： △VIDo=0．001610*Vk。(d一10) Nm3／Nm3 (2)实际坶气容积V，实际烟气容积是指在过量空气系数 a> l时，完全燃烧后的烟气容积： V =V 。+1 ．0161(o一1)Vk。 Nm3／Nm3 2．3空气和烟气的焓空气和烟气的焓是表示每立方米燃料所需理论空气量或生成的烟气量在等压下从 O℃加热到某一温度需要的热量。 (1)理论空气焓 II(。的计算 Ik。=Vk。(co)k kJ／Nm3 式中：(Ce)k一每 Nm3干空气连同其带入的水蒸汽在温度为 0℃时的焓，简称为每 Nm3干空气的湿空气焓(kJ，Nm3)；C表示空气在 0~C到 0℃时的平均比热。各种温度下空气、烟气组成气体的焓值可通过查表得蓟。 (2)烟气焓的计算烟气的焓是烟气各种成分的焓的总和，当烟气温度为 0℃时，理论烟气容积焓 IyO的计算式为： IT0=v恤 (Ce)蚀 +V陀0(Ce)陀+VIDo0 (Ce)啪 kJ，N 式中：v恤、V脚、VIDo—在 a=l时，烟气中 C02、N2、H20的容积(Nm3／Nm3) (0日})恤、(Ce) (0D)．Do—二氧化碳、氮气、水蒸汽在 0℃时的焓(kJ／Nm3)，其值亦可由表查出。通常 a>l时，烟气中除包括上述理论烟气外，还有过量空气，这部分过量空气的焓为： △Ik=(a—1) kJ／Nm3 烟气焓为：I，=I，0+(a一1)Ik。 kJ／Nm3 2．4锅炉热平衡及热效率计算 2．4．1锅炉热平衡的组成燃料在锅炉中燃烧所放出的热量一部分通过受热面被锅炉中的水和蒸汽吸收而得到有效利用，其余部分则以不同的方式损失掉了，这种锅炉热量的收支平衡关系，即为热平衡。对于燃气锅炉，锅炉的热平衡是以 1Nm3 气体燃烧为单位的，热平衡可用下式表示： · 5l · 维普资讯 http://www.cqvip.com Qr=Ql+Q2+ +Q4 lO／Nm3 式中：Qr—lN 燃烧带入锅炉的热量 kJ／Nma； Q。—锅炉有效利用热量kJ／Nm~； Q2—排烟热损失kJ／Nma； — 化学未完全燃烧热损失 Nm3； Q4—锅炉散热损失l【J，Nm3。空气在空气预热器中所吸收的热量及煤气在煤气预热器中所吸收的热量又随高炉煤气进入炉膛，因此，在锅炉热平衡中不予考虑。在上式中两边分别除以 Qr，则锅炉热平衡可用占输入热量的百分比表示，即： ql+(12+ +o,4=100％在这种热平衡计算的基础上，可以计算锅炉的热效率，用以判断锅炉的性能和运行水平，还可以计算锅炉的燃料消耗量。深入分析，测定各项热损失，则可以找到减少热损失，提高锅炉热效率的途径。 2．4．2锅炉的热效率锅炉热效率是指锅炉有效利用的热量占燃烧带入锅炉热量的百分数： =ql=100一( + +q．) 下面以、q3、o,4的选取分别讨论如下： (1)排烟热损失 Q2 排烟热损失 Q2系指排出锅炉的烟气具有的焓值高于进入锅炉的空气的焓值而造成的热损失。其值可按排烟焓与冷空气焓之差求得，即： Q2= 一。kJmm~ q2=Q2，Qr×100=( 一 k )，Qr×100 式中： —排烟的焓 kJ／Nma；。 — 进入锅炉的冷空气的焓 lO／Nm~； — 排烟处的过量空气系数。 · 52 · 排烟热损失的大小取决于排烟的焓值．即主要决定于排烟温度和烟气容积。排烟热损失是锅炉各项热损失较大的一项，一般为 5％一12％。排烟温度每增加 12—1S~C，q2 约增加 1％，故应量降低。一般大、中型锅炉的排烟温度为 110—180~C。炉膛出口过量空气系数 a ，以及沿烟气流程各处烟道的漏风使增大的原因，一是增大了排烟容积，二是漏风也使排烟温度升高。因为漏入烟道的冷空气使烟温降低，使漏风点以后所有受热面的传热量都减少，故使升高。 (2)化学未完全燃烧热损失化学未完全燃烧热损失 Q3是指排烟中含有未燃尽的 CO、H2等可燃气体造成的热损失。其值应等于各可燃烧气体容积容积与其容积发热量体积的总和，即： =Vw(126．4C0+10en~)’ 式中：V --lm3燃料燃烧后生成的实际干烟气容积 N ，N ； CO、H2一干烟气中 CO、H2容积百分数(％)；对于运行的锅炉，经烟气分析，Q3值可按上式进行计算。但在设计锅炉中，则按经验值来选取，一般不到 l％。 (3)锅炉散热损失 Q4 锅炉散热损失 Q4系指炉墙、锅简、集箱以及管道等外表面向外界空气散热所造成的热损失。其大小主要取决于散热表面积的大小、水冷壁和炉墙的结构、保温层的性能和厚度，以及周围空气的温度等因素，通常可按经验选取，参见下图 l。锅炉容量增大，其结构紧凑，平均到单位燃料的锅炉表面积减少，散热损失相对值也减少。维普资讯 http://www.cqvip.com 4 3 2 o ． 1 O 、、、、、、＼、、 ’ - ．．、～ lO l0o l000 锅炉褫 D，t／h 图 1 额定容量下锅炉的散热损失系列 1一有尾部受热面的锅炉机组；系列 2一无尾部受热面的锅炉机组如果锅炉不在额定负荷下运行，其散热损失根据下式进行修正，即： q． =q．×DID(％) 式中：q．、q．—锅炉额定负荷及运行负荷下的散热损失(％)； D 、嗍炉额定负荷扩运行负荷(Ve,／h) (4)输入锅炉的燃料热量 Qr 进入锅炉的热量 Q 可按下~i-I-算(用于无外部热源加热空气的情况)； Q ；Q ’+ir kJ，Nl 式中： ’——燃料的应用基低位发热量 kJ，N ； i —燃料的物理显热 kJ／rq~； i 可按 ir=C,y·tr kJ／N 计算式中：Cr，——燃料的应用基比热 (kJ， ·℃)； tr——燃料温度 0C； Cr=4．18／100／ro[0．31(CO+H2+ )+0．38CO2 — — 燃料的密度 I【g，N ro=0．0125CO+0．ooogrt~+0．0192CO2+ 0．0l25N2+0．008H~O (5)锅炉燃料消耗量锅炉燃料消耗量可按下式计算： B=100IDF(iF—i )+Dp．(ip—i )卫， Q Nl ，h 式中：D，—过热蒸汽量，kg，h； D，一锅炉机组排污水量，kg，h； ‘ i，—过热蒸汽焓，kJ，lcg； i，一给水焓，kJ，lcg； i口．—饱和水焓，。 3 计算实例通过以上有关热平ffrH-~过程中基本概念的论述及计算公式的简化以及部分参数的选取，我们可以十分方便地对全烧高炉煤气锅炉的热平衡进行计算。我们在上海威钢能源有限公司发电工程中，进行了燃烧系统热力计算及空气动力计算，现将其中有关燃料计算及热平衡计算的部分结果列于表 2，并将杭州锅炉厂通过标准计算方法提供的计算结果列于表 3及表 4。 · 53 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 上海威钢能源有限公司高炉煤气发电工程 220ffh全烧高炉煤气锅炉热平衡计算表(简化计算方法) 表 2 序号项目符号单位公式计算结果 1 输入锅炉热 Qf kJ／Nm3 Qd町+ir 3266+30 3296 2 排烟温度 ℃ 150 3 排烟焓 kJ／Nm3 o+(a一1)Ik0 376．5 4 冷空气温度 tlK ’ ℃ 15．7 5 冷空气理论焓 kJ／Nm3 27．．8 6 未完全燃烧热 q ％ O．3 7 散热损失 q．％ O．55 8 排烟热损失％ 1O．38 9 总热损失。 q ％ +q+q． 11．23 10 锅炉热效率 1 ％ 100一q 88．7 ● 11 过热蒸汽焓 lF kJ／l【g 12 给水温度 ℃ 2ID0 13 给水焓 ● kJ／l【g 856．8 14 过热蒸汽量 D t，h Z10 15 排污流量 t，h 取 1％ 2．2 ● 16 饱和水焓 kJ／l【g 14 ．6 17 锅炉有效热 Q| kJ，h D(i矿一ip)+D (i一一ip) 5．77×lcl5 18 燃料消耗量 B Nm3／h ／,yQ, 19．74×1o4 220ffh全烧高炉煤气锅炉燃料计算表(标准计算方法) 表 3 名称及符号单位结果名称及符号单位结果燃料容积％ 1．9 燃料容积％ 52．2 燃料容积％ O．8 燃料 CO容积％ 24．5 燃料C 容积％ 20．4 燃料 S 容积％ O 燃料 S容积％ O 燃料 CH,S容积％ O．2 燃料战容积％ O 燃料 I：| 容积％ O 燃料 c．}Il0容积％ O 燃料 G 容积％ O 燃料容积％ O 燃料 I：|战容积％ O 燃料 c．容积％ O 燃料 I：6战容积％ O 燃料 wⅣ容积 e／Nm3 24．16 气体燃料燃料热 Qp Nm3 805．521 外加热量 k N O 炉内加热热量 Nm3 56．26 燃料显热 k N 6．722 理论空气量 V 琥^ Nm3／Nm3 O．60I928 0理论容积 Vmo^ Nm3，N O．0S27678 N2理论容积 N ／N 1．0cB33 R 理论容积 V 叭 Nm3／Nm3 0．451 · 54 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 220t／h全烧高炉煤气锅炉热平衡计算表(标准计算方法) 表4 名称及符号单位结果名称及符号单位结果排烟热损失％ lO．6088 化学未完全燃料损失％ 52．2 散热损失％ 0．79 热量保留系数 O．992l 锅炉热效率％ 88．1012 燃料消耗量 B Nm3／h l895350 计算燃料消耗量 Bj N ，h l89l535 通过上述计算结果的比较，我们可以看出，用简化计算法得到的燃料消耗量等主要参数的精确度还是很高的。同时，采用简化计算方法，可不需知道详细的燃料成份，这在方案及初步设计阶段是非常实用的。此外，此计算方法在马钢增建 220t／h全烧高炉煤气锅炉工程中也得到了同样的验证：马钢全燃高炉煤气锅炉在额定负荷时，高炉煤气的消耗量为 19×104 N ／h，当锅炉最低负荷为 50％时，煤气消耗量约为 10×104 NIII3／h。 4 结论 (1)采用此算法非常简便。 (2)采用简化计算法的精度是足够的。 (3)采用简化计算可以无需知道十分详细的原始资料，对可研及方案设计阶段的辅机设备的选型等尤为适合。 (上接第 49页)① +② +③ +④ +⑤ +⑥ + ⑦ +⑧ +⑨ 一lO—ll—l2—13=7610．38万乖，a 当然上述计算是一种静态的效益计算，未考虑设备折旧，各种税赋等因素。但仍然可以从综合经济效益 7610万元，a得出一种结论，即如果综合考虑 CDQ技术带来的效益，它的投资回收期并不是很长。在日本建焦化厂时，有两项技术可以不经过论证即可以采用，那就是 CDQ和 CMC(煤调湿)。随着国内高炉大型化，能源价格逐渐合理及环保法规的日益严格，CDQ技术在我国会有很好的发展前景。 5 结语首钢焦化厂 1号焦炉干熄焦设施已经生产两年多了，由于其良好的经济、环保、节能等方面的效益，目前正在建设第二套 65t，}I的干熄焦设施。该设施在国内确实发挥出“示范”作用，一是由于其技术的先进、可靠；--是由于其与原焦炉有机接合，为国内焦化厂老厂改造上干熄焦提供了一个很好的经验。 · 55 · 维普资讯 http://www.cqvip.com

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