掺烧高炉煤气220th循环流化床锅炉的研制.docx
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掺烧高炉煤气220th循环流化床锅炉的研制
山东大学
硕士学位论文
掺烧高炉煤气220t/h循环流化床锅炉的研制
姓名：
孙甲成
申请学位级别：
硕士
专业：
动力工程
指导教师：
田茂诚
20051010
摘要
高炉煤气一炼铁高炉的废物，钢铁厂生产过程中的副产煤气的能耗
约占钢铁生产过程总能耗的25％，煤气的回收和利用是钢铁企业节能降
耗的一个重要环节。
大部分钢铁厂对焦炉煤气和转炉煤气等发热量较高
的副产煤气回收和利用率比较高，而高炉煤气由予其超低的发热量，气
压不稳定等原因，我国钢铁厂的回收和利用不够充分，不少厂的放散率
达40％以上。
这不但浪费了大量能源，而且还污染了大气环境。
因此，
采用高环保技术循环流化床掺烧高炉煤气符合节能原则，通过燃烧既回
收了能量，又消灭了有毒的CO气体。
保护了环境。
结合企业实际，（己和用户签定掺烧20％的高炉煤气的5万循环流
化床锅炉定单），通过掺烧高炉煤气后对锅炉各部分换热的影响的研究，
设计出了一台掺烧20％（热量比）高炉煤气220T／h高温高压循环流化床
锅炉。
现已商业运行。
1．掺烧高炉煤气会对流化床的传热和参数产生一定的影响。
通过查
阅资料。
在以下几方面进行了分析研究。
1．1．结合经验并通过实际运行参数确定炉内四周水冷壁换热系数为
h。
=O．135（,o^）。
35（Tb）o”。
1．2．对负荷和效率的影响
循环流化床锅炉只能掺烧一定比例的高炉煤气，否则会破坏流化，
出力达不到额定出力；锅炉效率会降低。
1．3．对汽温的影响
由于掺烧后，体积流量增加12％左右，烟气流速提高11％左右，
对流换热系数相应提高8-10％左右。
因此以对流换热形式为主的高压
锅炉的过热系统掺烧高炉煤气时，受热面积应比不掺烧时减少5-8％
左右。
1．4．对环保的影响
掺烧高炉煤气后对有害气体的排放影响不大。
2．进行了详细的锅炉整体热力计算
III
3．通过对在运锅炉和除尘用旋风分离器的比较，设计出了适合掺烧
高炉煤气的水冷旋风分离器，分离器采用自然循环方式，蜗壳进口全水
冷结构形式。
防磨结构采用活络：
出龟甲网固定高强耐磨浇筑料结构形式。
现已经取得国家专利。
4．由于高炉煤气的特殊的燃烧特性及换热特性，炉膛吸热量比不掺
烧时少，如果剩下的热量全靠省煤器吸热，会造成省煤器沸腾度超标，
产生汽击现象，影响省煤器的安全。
同时又不能保证水清洗装置的正常
工作，为了解决上述问题，弥补炉膛吸热量的降低，在尾部增设了自然
循环的螺旋肋片管组成的蒸发器。
这种结构第一次用在锅炉设计中。
蒸
发器受热元件采用焊接肋片管（采用驻38X5的高压管，肋片采用o1．9，
肋高16，节距12．5），倾斜9度布置，既节省尾部空间，又确保水循环
安全。
5．通过对高炉煤气燃烧特性的研究，设计了一种不预混群枪高炉煤
气燃烧器，第一次把高炉煤气燃烧器布置在密相区。
解决了煤气燃烧器
开孔区域的磨损问题。
锅炉现已商业投运，各项指标均符合设计要求，纯燃煤时锅炉蒸发
量能达到260t／h时汽温才正常，掺烧时能达到各项经济指标。
由于第一
次设计，蒸发受热面布置的偏大，掺烧高炉煤气量可达到30％（热量比）
左右。
由于锅炉采用了水冷旋风分离器和尾部布置了蒸发器，使锅炉真
正实现了不仅能100％的燃煤，而且能大比例的掺烧高炉煤气。
关键词：
循环流化床设计运行特性研究灰粒浓度高炉煤气
掺烧率，蜗壳水冷旋风分离器自然循环蒸发器
Abstract
Blastfurnacecoalgas（BFCG）isthewaste，andoccupies25％oftotalpowerduring
steelproduction．Sotherecyclingandutilizationofthegasisimportantforthe
manufacturertoreducethecostofpower．Mostmanufacturersfocusontherecyclingand
utilizationofcokefumaceandconvertercoalgaswithhighheatvaluation．Andbecause
ofthe10Wheatvaluationandinstabilityofpressure，theBFCGiSnotmadefulluseand
dischargedmorethan40％，whichwastetheenergyresourceandpollatetheenvironment．
Somix—burningBFCGbycirculatingfluidizerbed（CFB）notonlyaccordstheorderof
savingenergy,butalsoprotectstheenvironmentbyburningCOandrecyclingthe
energy．
1．AHP&HTCFBboilerof220t／hwith20％（Heatvalueratio、BFCGmixed
（contractedwiththeclient）isdesignedthroughtheresearchonheatpassingwhen
burningBFCGonCFBboilerandthepracticeintheCOrporation．Andtheboilerhasbeen
operatingatsite．
BurningBFCGhaseffectsonheatpassingandthedesignstructureofCFBboiler．
Theanalysisandresearchareasfollowing：
1．1Confirmtheheat-exchangingtoefficientofwater-cooledwallroundthefurnace
hw=0．135（p6）0．35（Tb）o”．
12E疏ctonloadandefficiency：
TheCFBboileronlybumsBFCGofsomecertainratio，orthegaswilldestroythe
fluidizedconditiontomaketheboileratlowefficiencyandworkatlowerratingcapacity
condition．
1．3Effectonsteamtemperature：
WhenburningBFCGintheHPboilerwhichheat—exchangingstyleisconvection，
theareaofheatedsurfaceshouldbeabout5-8％lessthanthatnotburningBFCGbecause
thevolumeincreasesabout12％．velocityoffluegasincreasesabout11％andthe
heat·exchangingcoefficientincreasesabout8-10％accordinglyafterBFCGburned
1_4Efleetonenvironment：
TheemissionofnocuousgasisalmostwhetherornotburningBFCG
2．Takedetailheatcalculationoftheboiler．
3．Designthewater-cooledcycloneseparatorfittingforburningtheBFCGthrough
thecomparisonofseparatorforboileranddustcleaning．Adoptnaturalcirculatingstyle
andvortexwater-cooledstructureontheseparatorandstructureoffixingthehigh
strengthrefractorymaterialswithscreenoftravelling-gridagainstabrasion，whichare
nationalpatentalready．
V
4．TheheatabsorbedbyfurnacewhenburningBFCGislessthanthatwhennot
burningBFCGbecauseoftheburningandheat—exchangingspecialityofBFCG．Thenthe
boilingdegreeofeconomizerwillexceedthestandardandbringssteamattackingto
damagetheeconomizerifeconomizerabsorbsalltheremainingheat．Anditalsocannot
assurewater—cleaningdeviceworkingwell．Sonaturalcirculationscrewrib—tubes
evaporatorisdesignedonthetailtosolvetheabovequestionsandmakeuptheheatloss
offumace．Thestructureisfirstusedintheboilerdesign．Theheatedpartsofevaporator
areweldingrib-tubes（highpressuretubesof038x5，rib—partsofo1．9，16mmhigh，and
intervalof12．51disposed9angledegreelean．Thusitnotonlysavesthetailspacebut
assurethesafetyofwatercirculation．
5．DesignburnerthroughtheresearchonburningspecialityofBFCG,anddispose
theburnerinthedensephaseforthefirsttimetosolvetheabrasionOiltheopeningholes
areaofburners．
Theboilerhasbeenoperating，andallindexareaccordingwiththedesign
requirements．Thesteamtemperatureisuptosnuffwhenthecapacityoftheboileris
260T／H．AndtheindexwhenburningmixedBFCGisalsoaccordingwiththeeconomic．
Theheatedsurfaceofevaporatorisbiggerbecauseofthefirstdesign，andtheamountof
BFCGreachabout30％（heatratio）．Theboilercannotonlyburncoalof100％butalso
burnmixedBDCGatalargeproportionbecauseitadoptswater-cooledcycloneseparator
andevaporatorattail．
Keywords：
CirculatingFluidizerBed（CFB），Design，Operation，Speciality,
Research，Ashdensity,Burningratioofblastfurnacecoalgas（BFCG），vortex
water-cooledcycloneseparator,naturalcirculationevaporator
V
1Tn
2Y
3Vy
4hw
5pb
6Tb
7K
8．Wy
9．Qm
10Q。
。
11a
1202
13B
14dso
符号说明
理论燃烧温度
掺烧率
烟气量
炉膛四周水冷壁传热系数
固体颗粒密度
炉膛温度
传热系数
烟气速度
热平衡吸热量
对流吸热量
过量空气系数
氧量计读数
燃煤量
分离器切割粒径
（℃）
（100％）
（Nm3／h）
（kW／m。
．℃）
（Kg／m3）
（℃）
（kW／m2℃）
（m／s）
（KJ／kg）
（KJ／kg）
（k蚰）
（um）
}¨东大学硕_L学位论文
第一章循环流化床锅炉的原理、特点及发展现状
1．O绪论
l}j=界煤炭储量为9842亿吨，中国为1145亿吨，占世界储量的11．6％，居世界
第：
二i位，世界储采比为218，我国储采比为92。
中国入均煤炭探明储量仅为世界人
均平均值的1／2，而且我国的能源浪费严重，能源有效利用率低，约为31．2％，比发
达国家落后20年，相差约10个百分点。
我国是世界上创造GDP代价晟高的国家之
一，其中国内重点钢铁企业每吨钢铁可比能耗比国际水平高出40％，电力行业火电
煤耗比国际水平高30％，我国万元GDP能耗是世界平均水平的2倍，是发达国家
的10倍。
中国是世界上少数几个能源以煤为主的国家之一。
我国在2000年的能源消耗总
量是近13亿口电标准煤，其中煤炭达占69．9％；石油占25％；天然气和一次电力分
别只山总量的28％和2．3％。
我们希望通过实行可持续发展的能源战略，到2020
年达到如下理想嗣标：
一次能源需求少于25亿吨标准煤，节能达到8亿吨标准煤：
煤炭消费比例控制在60％左右，可再生能源利用达到5．25亿标准煤（其中可再生能
源发电达到1亿千瓦）；石油进口依存度控制在60％左右；主要污染物的削减率为
45～60％。
在未来相当长的时期内，我国以煤炭为主的能源格局不会改变，煤炭消耗量将
持续增K。
2003年，我国燃煤电站占全国发电装机的74％，发电量占全国发电量的
81％以上，燃煤电厂排放的二氧化硫已接近全社会排放总量的50％，随着煤电的发
展，这一比例将会进一步提高。
燃煤产生的二氧化硫、氮氧化物在一定条件下可形
成酸雨，而我国目前酸雨面积已占国土面积的30％，区域性酸雨污染严重。
：
2氧化
硫污染和酸沉降污染已经对我国的自然资源、生态系统、材料、能见度和公众健康
构成了威胁，严重影响社会经济发展和人民群众的正常生活。
中国环境科学研究院
和清华大学等单位的研究结果表明，酸雨污染给我国造成的损失每年超过l100亿
元，即每排放1吨二氧化硫将造成超过5000元的损失，大气污染所造成的损失每年
约占我国GDP的204～3％之闻。
控制燃煤电厂二氧化硫的排放已经成为我国控制大气污染物排放的重中之重。
针对电力二氧化硫的排放控制，近年来国家出台了一系列的法规、政策：
2000年《大
气污染防治法》修订后实施，使污染物排放总量控制成为一项法定的要求；同年，
国家经贸委发布了《火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要点》；2001年，
《围家环境保护“十五”规划》颁布，要求全国电力二氧化硫排放要比2000年减少
10～20％；2002年国务院批复了《两控区酸雨和二氧化硫污染防治“十五”计划》，
提出要确保2005年两控区内二氧化硫排放量比2000年减少20％；2002年，国家环
保总局、国家经贸委、科技部联合颁布了《燃煤二氧化硫排放污染防治技术政策》，
对火电厂安装烟气脱硫设施的适用范围、技术路线等提出了具体要求：
2005年1月，
山东大学硕卜学位论殳
圈务院颁布了新的《排污费征收使用管理条例》，有关部委配套出台了《排污费征
收标准管理办法》、《排污费资会收缴使用管理办法》，全国在7月ln起，将按
新的标准和办法征收和使用排污费，其中二氧化硫排污费由“两控区”收费变为全面
收费，且由每公斤0．2元分三年提高到O．63元。
为控制燃煤电厂大气污染物排放，
改善我困空气质量和控制酸雨污染，国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局日
莳联合发布了新修订的国家污染物排放标准《火电厂大气污染物排放标准》
（GBl3223--2003）。
新标准兼顾电力发展和环境保护目标，分三个时段规定了火电
厂大气污染物排放限值，提出了到2005年和2010年火电厂应执行的二氧化硫和烟
尘排放限值，有利于火电』一根据自身的情况采取相应的控制措施。
有关部门正在组
织起草《国务院污染物排放总量控制条例》和《发电环保折价标准》。
可以预计，
在“十一五”期间，电力行业将面临着更为艰巨的二氧化硫控制任务。
因此，燃煤电
厂二氧化硫的控制问题，是全国电力企业当前乃至“f．一五”期间污染防治的首要问
题，而做好排放治理规划是解决问题的重要基础。
为控制燃煤电厂大气污染物排放，我国采取了一系列重要措施，如限产关停高
硫煤矿，加快发展动力煤洗选加工；大力发展清洁发电技术，逐步降低发电煤耗；
严格控制新建燃煤电厂二氧化硫排放；在高硫煤使用、二氧化硫超标排放地区和城
市附近建设了一批脱硫项目；关停了，’部分污染严重的小火电机组；合理布局电厂，
实施“西电东送”战略等。
目前比较流行的脱硫方式有：
燃料预处理：
目前在煤层地下气化
行研究。
煤的专用装置气化，原煤脱硫几个方而进
改进燃烧技术：
目前主要在采用分级燃烧及再循环烟气的方法，再加上对炉膛
和燃烧器设计作适当的考虑，使NOx的生成量大为减少，近年来兴起的循环流化床
燃烧技术在低NOx排放和炉内脱硫等方面比常规锅炉有长足进步。
排烟净化：
排烟净化包括除尘和控制吸收SOx，Nox等方面，烟气除尘问题已
基本解决，现在面临的迫切问题是研究各种脱硫和脱硝方法。
其中经济性最好的脱硫方式是采用循环流化床燃烧技术，这种脱硫技术也是目
前效率较高的脱硫技术。
是目前脱硫效率价格比最高的方式。
随着全球温室效应的
加剧及出现酸雨的地区日渐增多，使用煤炭而造成的环境污染日盏受到世界各幽的
关注。
美、曰、英等发达国家于80年代就提出丌发洁净煤技术，以求最大限度提高
煤炭的利用效益，同时又要使其产生的污染降到最低。
煤炭是我国的主要能源，1993年全困煤炭产量“．4亿吨，是世界最大的煤炭牛
产国和消费国，也是因利用煤炭而造成环境污染非常严重的国家。
面对这种状况，
90年代初我国政府也已把发展洁净煤的燃烧技术作为发展方向。
循环流化床燃烧技
术作为高效、高环保技术越来越受到重视和推广。
随着人类社会工业化程度的发展，人类消耗地球蕴藏的动力资源加速枯竭。
随
着我国现代化的进程，而耗能大户钢铁工业突毪猛进的发展，高炉炼铁能力的增加，
2
山东人学硕I‘学位论文
高炉煤气的产量也相应增加，据不完全统计，我国钢铁行业高炉煤气的年产量达
3500亿立方标米以上。
这些高炉煤气约54％用以冶金工艺内部流程，其余均需转换
利用。
高炉煤气～炼铁高炉的废物，钢铁厂生产过程中的副产煤气的能耗约占钢铁
生产过程总能耗的25％，煤气的回收和利用是钢铁企业节能降耗的一·个重要环节。
大部分钢铁厂对焦炉煤气和转炉煤气等发热量较高的副产煤气回收和利用率比较
高，而高炉煤气由于其超低的发热量，气压不稳定等原因，我圜钢铁厂的回收和利
用不够充分，不少厂的放散率达40％以上。
这不但浪费了大量能源，而且还污染了
大气环境。
因此，采用高环保技术循环流化床掺烧高炉煤气既符合节能原则，通过
燃烧既回收了能量，又消灭了有毒的CO气体，保护了环境。
本课题拟结和企业实际情况，对流化床掺烧高炉煤气的最大量、炉膛传热的影
响、分离器的影响、尾部受热面传热的影响以及和常规流化床操作：
及控制的不同
点进行探讨。
找出一个最佳方案，使锅炉不仅能100％的燃煤，同时能够按设计掺烧
比例掺烧高炉煤气，各项指标均符合设计要求。
1．1循环流化床锅炉的原理和特点
1．11循环流化床的原理
流态化是一个极为复杂的现象，尤其是气固流态化。
其影响凶素很多，主要是
受气体流动速度（流化速度或空气截面速度）、吲体颗粒特性（密度、粒度等）、流体特
性（密度、黏度等）以及器壁的影响。
随流化速度增加，一个垂直．E行气固系统会依
次呈现以下（图l一1）几种状态[1][2】：
匿定床
獭瓣
热髓冀甄晶糕盍虢境畚化境志化廿J稀喇孤矗化
减穗
．）～～
蠢；囊憋
篱
爨
j强≈～i“：
j
鬻蕊
j‘-
●
●
●
●
'●
气傩气佛气体气忙气佛气忙
（a）（b）（c>（d）（e）（f）
图卜一1不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态
f11固定床。
其特征是固体颗粒静止不动。
但）鼓泡流态化。
其特征是超过临界流化风量的空气以气泡形式流过床层，存
在明显的密相界面。
这是工业应用中常见的一种流化现象，也叫聚式流态化。
f31湍动流态化。
其特征是流化风速超过颗粒的临界飞出速度时，床内只有很
模糊的密相界而，颗粒弥散于整个床内空间。
——．堂墨查竺堡±兰堡堡兰
（4）快速流态化。
当继续增大流化风速，并且床料补给速率大于床内颗粒的Em
速率时，床内呈现快速流态化。
其特征是：
床内气泡消失，无明显密相界i酊，床内
颗粒密度呈现上稀下浓状态，存在颗粒成团与返混现象。
处于湍动和快速流态化的
床层，若无床料补给时，床层很快将被吹空。
（5）密相气力输送。
在快速流态化的基础上继续增大流化风速或减少床料加入
量，床内颗粒浓度将变稀，床内颗粒浓度呈上下均匀分布状态，此时即为密相气力
输送。
其特征为单位高度床层压降沿床层高度不变。
（6）稀相气力输送。
在密相气力输送的基础上继续增大风速，就转变为稀相气
力输送。
它与密相气力输送的区别是：
增大风速，床层压降上升（摩擦压降随风速增
大雨增加）；丽在密相气力输送状态下，增大风速，床层压降减小（由于颗粒浓度F
降，颗粒静压头降低）。
压降随风速变化的转折点（It自i界点）恰是最经济的气力输送点。
循环流化床是在湍动流念化和快速流态化的基础上，将飞出床层的颗粒收集起
来，并返回到床内的流态化过程，其特点可归纳如下：
（1）不再有鼓泡流化床那样清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间；
（2）有强烈的物料返混，颗粒团不断形成和解体，并且向各个方向运动：
（3）颗粒与气体之间的相对速度大，且与床层空隙率和颗粒循环流量有关；
（4）运行流化速度是鼓泡床的2～3倍；
（5）床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化：
f6）颗粒横向混合良好；
（7）强
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