低浓度可燃废气作为辅助燃料在燃煤锅炉中的应用研究(pdf).pdf

第 25卷第 3期 2010年 5月 热能动力工程 JOURNAL OF ENG I NEERI NG FOR THERMAL ENERGY AND PO W ER Vo.l 25 , No. 3 M ay , 2010 收稿日期 2009- 04- 29; 修订日期 2009- 07- 07 基金项目 国家 863计划基金资助项目 2006AA05Z244 作者简介 邓 磊 1983- , 男, 湖北荆门人, 西安交通大学博士研究生 文章编号 1001- 2060 2010 03- 0287- 05 低浓度可燃废气作为辅助燃料在燃煤锅炉中的应用研究 邓 磊, 王一坤, 车得福 西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室, 陕西 西安 710049 摘 要 提出了一种低浓度 0 . 1 1. 0 可燃废气应用 于燃煤锅炉的方法, 基于物质平衡、 热平衡和热量传递, 分析 了可燃废气对锅炉热工参数的影响。结果表明, 低浓度可燃 废气作为辅助燃料送入燃煤锅炉中, 无需对锅炉系统进行改 造, 几乎不影响锅炉运行, 但能有效地节省燃煤, 回收可燃废 气的热量, 同时减少温室气体甲烷的排放。随着可燃废气体 积浓度增大, 炉膛辐射换热略有增强, 对流受热面换热相应 减弱。以一台 600MW 锅炉为例, 体积浓度为 1 . 0 的烃类 废气代替燃烧用空气后, 锅炉热效率提高了 0. 5 , 燃煤消 耗量减少了 25. 4 。 关键词 低浓度可燃废气; 辅助燃料; 燃煤锅炉; 热工参 数 中图分类号 TK224 . 1 文献标识码 A 引 言 可燃废气泛指作为废气排空或点火炬的可燃气 体, 主要有 5种 1 冶金行业排空的高炉煤气、 焦 炉煤气等; 2 石化行业点火炬的烃类废气; 3 油 气田开采初期排空的伴生天然气; 4 煤矿生产过 程中释放的瓦斯; 5 食品行业糟粕和垃圾填埋场 产生的沼气 [ 1]。可燃废气排空或点火炬造成了能 源严重浪费, 主要成分甲烷的温室效应是 CO2的 21 倍, 直接排入大气, 将引起一系列生态环境问题。高 浓度可燃废气已经得到很好的利用 [ 2 4], 但数量巨 大的低浓度 0 . 1 1 . 0 可燃废气仍有待综合 利用。 为防止矿井瓦斯爆炸, 通常采用通风稀释的方 法, 将瓦斯浓度控制在 1 . 0 以下, 这部分瓦斯称为 通风瓦斯, 是一种典型的低浓度可燃废气。通风瓦 斯代替燃烧用空气用于煤矿附近的坑口电站 [ 3, 5], 是一种理想的利用方式。由长福和徐旭常将通风瓦 斯作为辅助燃料应用于循环流化床锅炉进行了实验 研究 [ 6], 结果表明通风瓦斯能够很好地燃尽, 当甲 烷体积浓度低于 0 . 6 时不会影响锅炉运行。 目前, 研究工作集中于通风瓦斯的利用, 而对于 其它种类低浓度可燃废气利用的研究, 只有较少学 者涉及。可燃废气是很好的气体燃料, 燃烧效率高, 单位发热量产生的 CO2少。若将低浓度可燃废气 代替燃烧用空气送入燃煤锅炉, 不仅能节约大量能 源, 还能减少温室气体排放, 提高相关企业的经济效 益。 本研究提出了一种低浓度可燃废气在燃煤锅炉 中利用的方法, 从理论上分析了可燃废气引入锅炉 对热工参数的影响, 研究了低浓度可燃废气作为辅 助燃料应用于燃煤锅炉的可行性。 1 低浓度可燃废气应用于燃煤锅炉 低浓度可燃废气代替燃烧用空气应用于燃煤锅 炉的流程如图 1所示。可燃废气中通常有一些杂质 成分, 如煤矿瓦斯中携带的粉尘, 焦炉煤气和气田气 中含有的 H2S , 烃类废气和气田气中存在的水分等。 杂质随主气流进入空气预热器, 产生腐蚀、 堵塞运输 管道现象。因此, 在进入送风机之前, 低浓度可燃废 气要依次经过除尘、 脱除有害气体和除湿工序。由 于可燃废气浓度较低, 远离气体的爆炸极限, 一般可 不增设防暴装置。 图 1 低浓度可燃废气应用于燃煤锅炉的流程 冶金、 石化和食品行业工厂, 都配有燃煤为主的 工业锅炉。同时, 煤矿资源丰富的地区已经存在或 将要建设大量配有煤粉锅炉的坑口电站。它们的存 热能动力工程2010年 在, 使低浓度可燃废气作为辅助燃料可就近应用于 燃煤锅炉, 在经济上具有可行性。 2 典型可燃废气分析 两种典型可燃废气的相关参数如表 1所示。低 浓度可燃废气送入空气预热器加热后, 进入炉膛和 煤混烧。对锅炉系统做如下假设 1 锅炉负荷保 持不变; 2 锅炉结构保持不变; 3 炉膛出口过量 空气系数保持不变, 炉膛、 制粉系统和其它受热面的 漏风系数保持不变, 环境中漏入到锅炉系统中的为 纯空气, 空气预热器中漏入到锅炉烟道中的也为纯 空气; 4 一次风和二次风的冷、 热风温度保持不 变, 它们在总风量中的比例保持不变。 表 1 可燃废气的相关参数 废气种类 废气成分及体积 分数 / 废气收到基低位发 热量 Qne, t ar/kJ m- 3 烃类废气 CH4 23 . 3 C2H6 22 . 5 C3H8 37 . 1 C4H10 17 . 1 78 496. 5 天然气 CH4 100 35 880. 0 注 气体体积为标准状态下体积, 数据来自文献 [ 7]。 2 . 1 锅炉输入热量 煤与可燃废气混烧, 随 1 kg煤送入锅炉的可燃 废气的体积为 x, Nm 3。混合燃料的假定发热量为 Qne,t ar Qne, t ar x Qne, t ar 1 式中 Qne, t ar ∀ 固体燃料收到基低位发热量, kJ/ kg; Qnea , ar ∀ 气体燃料低位发热量, kJ/m 3。 混合燃料总的发热量中气体燃料所占份额为 qq x Qne,t ar /Qne, t ar 2 锅炉输入热量为 Qr Qne, t ar ir ir 3 式中 ir ∀ 固体燃料的物理显热, kJ/kg; ir ∀ 气体燃料的物理显热, kJ/kg。虽然送入炉膛的可燃 废气温度与热空气温度相同, 但其不是被外界热源 加热, 所以计算气体燃料物理显热时, 气体燃料温度 取与冷空气温度相同。 2 . 2 锅炉有效利用热 水和水蒸气流经各受热面吸收的热量为锅炉有 效利用热 Qyx [ 8]。而空气在空气预热器中吸收的热 量属锅炉内部热量, 不计入 Qyx。 锅炉负荷不变, 可燃废气的引入不会改变有效 利用热的值。 2 . 3 热平衡 锅炉热平衡是指输入热量与有效利用热量及各 项热损失之间的热量平衡 [ 8]。低浓度可燃废气的 引入, 增大了输入热量, 而有效利用热不变, 使燃煤 消耗量 B 减少。可燃废气热值越大, 体积浓度越 大, 节省的燃煤量越多。 2 . 4 物质平衡 混烧时空气中含有可燃废气, 标准状态下进入 空气预热器的实际空气量为 V1 Bj kV 0 x 4 式中 Bj∀ 计算燃料消耗量, kg /s ; k∀ 空气预热器 进口空气侧过量空气系数; V 0 ∀ 标准状态下的理论 空气量, m 3 /kg。 锅炉排烟处的过量空气系数为 py, 标准状态下 排烟处实际烟气量为 V2 Bj V 0 y 1 . 016 1 py- 1 V 0 5 式中 V 0 y∀ 标准状态下的理论烟气量, m 3 /kg。 可燃废气的引入使单位质量的煤燃烧需要的空 气量和产生的烟气量有所增加, 但燃煤消耗量的减 少使空气和烟气的体积流量变化不明显。 2 . 5 炉膛辐射换热 炉膛传热以辐射为主, 火焰在炉膛内的换热为 容积辐射。当炉膛的形状和尺寸不变时, 炉膛内换 热量的多少取决于火焰温度和烟气辐射特性。 炉膛有效放热量为 Q1 Qr 100- q3- q4- q6 100- q4 Qk 6 式中 q3、 q4、 q6∀ 锅炉各项热损失, ; Qk∀ 空气带 入炉膛的热量, kJ/kg, 由于空气中含有可燃废气, 其 被加热到与热空气温度相同时也为炉膛带入热量。 炉膛中烟气一般由二原子气体 N2, O2, CO、 三原子气体 CO2, H2O, SO2以及悬浮固体粒子 炭 黑, 飞灰, 焦炭粒子 组成, 具有辐射能力的主要是 三原子气体和悬浮固体粒子。 当固体燃料和气体燃料混烧时, 炉内介质的总 吸收系数为 k kq mkCqq kh h kK K 1- qq 7 式中 m∀ 考虑炭黑粒子发光火焰对炉膛相对充满 情况的系数。 可燃废气引入锅炉后, 由于可燃废气浓度低, 烟 气辐射特性变化较小。然而, 炉膛有效放热量增大 较多, 使得理论燃烧温度增大, 火焰温度相应增大。 炉膛辐射换热对火焰温度的变化更为敏感。因此, 可燃废气的引入, 使炉膛内辐射换热增强, 炉膛出口 288 第 3期邓 磊, 等 低浓度可燃废气作为辅助燃料在燃煤锅炉中的应用研究 烟气温度 T 1将相应地降低。 2 . 6 对流受热面换热 对流受热面的传热系数为 K 1/ 1 1 1 2 8 式中 1、 2∀ 烟气侧对管壁的放热系数及管壁对 水、 水蒸气或空气的放热系数, W / m 2 K; ∀h/ h, 为灰污层的热阻, m 2 K /W。 可燃废气引入锅炉后, 烟气温度、 烟气成分和烟 气量均发生变化, 将改变对流受热面管外烟气的辐 射特性、 烟气物性和烟气流速, 从而影响烟气对管外 壁的辐射和对流换热。气体燃料不会加重对流受热 面管壁的污染, 因此 的值保持不变。金属管内壁 对工质的放热是通过对流方式进行, 烟气侧的变化 几乎不影响管壁对工质的对流换热。 由传热方程可得对流受热面的传热量为 Qcr KH∃t 9 式中H ∀ 对流受热面传热面积, m 2; ∃t∀ 传热温压, K。 低浓度可燃废气的引入, 对烟气成分和烟气量 影响较小, 使传热系数变化不大。但炉膛出口烟温 的降低, 高温烟气区域对流受热面的传热温压减小 较多, 使传热稍有减弱。从热量平衡的角度看, 由于 炉膛内换热量增大, 而锅炉有效利用热不变, 锅炉所 有对流受热面的吸热量之和必将有所降低。 2 . 7 尾部受热面低温腐蚀 前苏联热力计算标准方法中推荐的烟气酸露点 温度计算为 [ 9] t1 ts 3 Sar , zs/1 . 05 fhA ar , zs 10 式中 ts∀ 烟气水露点温度, ; ∀ 与炉膛出口过量 空气系数有关的系数; fh∀ 飞灰份额; Sar , zs、 Aar , zs∀ 折算硫分和折算灰分, 。 可燃废气在空气中的体积浓度较低, 即使气体 燃料中氢元素含量较大, 与煤混烧后仍不能显著增 加烟气中水蒸气的体积份额, 从而不会引起尾部受 热面的低温腐蚀。 3 算例验证 针对表 1中两种可燃废气, 每种气体体积浓度 分别取 0 . 1 、 0 . 5 和 1 . 0 , 代替燃烧用空气送入 某 DG1900/25 . 4∃ 2型超临界直流锅炉的空气预 热器。利用课题组开发的 电站锅炉热力计算软 件 具有塑性 的碳化硅质改性喷口材料。 5 脱硫装置用碳化硅器件, 也可生产具塑性碳化硅材料。 6 流化床用耐磨浇注料, 烧成刚玉制品, 轻质保温浇注料, 轻质烧成制品。 7 普通烟囱耐酸胶泥, 微膨胀可塑料。 东山公司是一个科技创新为立厂根本的开拓型企业, 具有一定的自主创新 能力, 能为企业量身定做各类产品。欢迎用户提出各种特殊要求, 替代进口, 共 同开发, 合作创新。公司可以提供 200多种无机材料, 耐火材料, 保温材料供电 力材料行业采用。 厂址 江苏省宜兴市大浦镇工业区 电话 0510- 87457988传真 , 87457669, 13906152806 , 13812208664 E- m ail Web 188x . com http / /www. 188x. com 开户 工行东山办 帐号 1103028909000039117 邮编 214226 291 第 3期英 文 摘 要 tion and big particles aremainly burned in the dense phase zone until they are burned ou. t The combustion of the fine particlesmainly takesplace in a sparse phase zone . The residence ti me of the fine particles in the sparse phase zone of the boiler furnace is longer than that required by the combustion. The adiabatic cyclone separator w ith its inlet gas duct having a certain downward inclination angle and a concave slo, tand w ith the bottom of the exhaust gas central shell being converged and offset can guarantee the majority of fine particles being returned to the fur nace ,ensuring the residence ti me of fine particles in the furnace longer than their burnout duration . The above mentioned structure constitutes the root cause for ensuring a low carbon content of the flying ash in the boiler ,thus laying a theoretical basis for the design of CFB boilers of greater capacity. Key words circulating fluidized bed boiler ,fine anthracite particle ,residence ti me 低浓度可燃废气作为辅助燃料在燃煤锅炉中的应用研究 Applied Study of Low Concentration Combusti bleWaste Gases Serving as an Auxiliary Fuel in a Coalfired Boiler [刊, 汉 ] / DENG Le, i WANG Yikun, CHE Defu NationalKey Laboratory onMultiphase Flows in PowerEngineering, Xia n Jiaotong University, Xia n, China ,Post Code 710049 / / Journal of Engineering for Ther mal Energy Power .- 2010 ,25 3. - 287 291 A for using lowconcentration 0 . 1 to 1 . 0 combustible waste gases in coalfired boilerswas presented . Based on mass balancing, heat balance and transfer ,the influence of the combustiblewaste gases on the boiler ther modyna m ic parameterswas analyzed .It has been found that when the low concentration combustible waste gases are fed into a coalfired boiler as an auxiliary fue,l there is no need to reconstruct the boiler system and its operation is hardly affected . However ,it can effectively save coa,l recover the heat in the combustible waste gases and ,in the meanti me ,reduce the em issions of the greenhouse gas , methane . W ith an increase of the volu metric concentration of the combustible waste gases ,the radiative heat exchange in the furnace w ill be slightly intensified but the heat ex change through convection heating surfacesw ill beweakened accordingly . W ith a 600MW boiler serving as an exam ple ,after a hydrocarbon waste gasw ith a volumetric concentration of 1 . 0 has replaced the air for combustion ,the ther mal efficiency of the boiler was enhanced by 0 . 5 and the coal consumption rate ,reduced by 25 . 4 . Key words low concentration co mbustiblewaste gas ,auxiliary fue,l coalfired boiler ,ther modynam ic parameter 基于 LSSVM和单纯形的烟气含氧量软测量 SoftM easurements of FluegasOxygen ContentBased on LS SVM Least Square Supportive VectorM achine and a Si mplex Algorithm [刊, 汉 ] / LI U Changliang, LI Shu na Automation College, North China University of Electric Power ,Baoding ,China ,Post Code 071003 / / Journal of Engineering for Ther malEnergy Power .- 2010 ,25 3.- 292 296 Flue gas oxygen content is an i mportant factor influencing the combustion efficiency of a ther mal power plan. t To measure the flue gas oxygen content in a ther m al power plant is somewhat difficult as it is influenced by multiple factors. A soft measurementmodelwas established based on the easily measured secondary variables and by utili zing themathe m atical relationship between the secondary variables and the process variables to bemeasured which present difficulties easuremen. t The appropriate secondary variableswere chosen and a softmeasure m entmod el based on LSSVM Least Square Supportive VectorM achine was presented easuring the flue gas oxygen content of a ther m al power plan. t A si mplex opti mu mseeking algorithm was applied in two para m eter opti m ization proble m s of the least square supportive vectormachine , which have to be deter m ined . The model in question was forecasted and verifiedw ith onsite data . The si mulation results show that them ethod under discussion canmeasure relatively accurately the fluegas oxygen content in a ther mal power plant and is ofmajor significance for realizing e conom ic combustion in the thermal power plan. t Key words LS SVM least square supportive vector machine, si mplex algorithm,flue gas oxygen conten, tsoft measure men, t opti m izationseeking algorith m 357