摘 要 高炉煤气是钢铁联合企业中重要的二次能源，有效对其进行再利用既能节约能源，又能降低环境污染。本文对由燃煤锅炉改成的煤气混烧锅炉进行了热力计算及分析，得出以下结论：在高炉煤气、天然气及煤粉混烧的过程中，由于高炉煤气热值很低，随着煤气掺烧量的增加煤粉的燃尽性下降，排烟温度上升，飞灰可燃物含量增加，锅炉效率降低。针对这一问题，本文分析了煤粉与煤气的燃烧特性对燃煤锅炉的炉内燃烧过程和热量传递，利用热力计算程序将给定的煤气的元素分析成分与煤粉的元素分析成分进行不同比例的掺烧，分别对各种比例下的燃料进行热力计算，并分析了煤粉锅炉混烧高炉煤气、天然气对气温、烟温及效率等的影响，最终推断出在煤粉锅炉中掺烧煤气，煤气的最佳热量掺烧率应该在20%左右，效率在89.06%左右。实践证明，該混烧方法能取得很好的运行及节能效果。
关键词 煤粉；高炉煤气；天然气；掺烧率
1 煤粉的燃烧特性分析
煤粉的燃烧过程是一个相当复杂的物理化学过程，与燃烧化学反应进行的同时还伴随着某些物理过程，如传质和传热、动量和能量的交换等。
在不同温度下，由于化学反应条件与气体扩散条件的影响不同，燃烧过程会处于三种不同区域：动力燃烧区、扩散燃烧区、过渡燃烧区。对层燃炉来说，燃烧块煤时，一般燃烧是在扩散区进行的，因此只要能保证及时着火即可。因此，对于层燃炉，采用强制通风是强化燃烧的主要措施。
对于煤粉来说，着火温度越低，着火热越小，就越容易着火。褐煤、烟煤的挥发份含量高，易着火及稳燃；贫煤、无烟煤的挥发份含量低，着火区域的挥发物浓度低，着火温度要求高，因而不易着火和稳燃。因此，在煤粉燃烧过程中，煤的挥发份含量极大地影响着火温度和相应的稳燃效果，最终影响煤粉的燃尽[1]。
2 天然气和高炉煤气的燃烧特性分析
2.1 气体燃料的分类
气体燃料按其热值分为以下三类：
（1）高热值煤气：低热值大于15072kJ/m3，例如，天然气的低热值约为35588 kJ/m3。
（2）中热值煤气：低热值在6280～15072kJ/m3之间，民用煤气属于中热值煤气。
（3）低热值煤气：低热值小于6280kJ/m3，其中高炉煤气热值2510～3520 kJ/m3，空气发生炉煤气低热值约为3768 kJ/m3。
天然气的燃烧可分为：混合-着火-燃烧三个阶段。天然气与煤粉的燃料特性存在很大差别，如果将煤粉炉改燃天然气，则受热面的清洁度会得到很大的改善，灰污系数减小，这样会增强烟气传热；天然气容易着火，燃烧速度快，所以火焰中心要比煤粉炉低得多，也会增强炉内传热；气体燃料的火焰发光性差，辐射传热效果差，会降低烟气辐射能力，此外，天然气中H含量很大，导致烟气中的水蒸气及三原子气体含量比燃煤粉时高，会增强烟气的辐射能力。
高炉煤气是炼铁过程中产生的副产品，其主要成分中惰性气体（N2、CO2等）占绝大部分，可燃成分主要为CO。因此，其低热值只为2.93～3.55MJ/m3；高炉煤气锅炉每生产1t蒸汽产生的烟气量为燃煤锅炉的1.7倍，高炉煤气与空气的混合气中CO体积分数及着火环境是决定高炉煤气的着火温度的两个要素。混合气中高炉煤气的着火体积分数为35%～71%，着火温度为530～660℃。着火条件要求较高，但因其燃烧为煤、气混烧，只要技术措施组织妥当，燃烧效率就能达到满意的效果。高炉煤气在锅炉内燃烧的要求为：高炉煤气与空气混合良好，使混合气中高炉煤气达到着火体积分数，混合气的温度升高到着火温度；由于高炉煤气燃烧不易回火，易脱火，因此在燃烧区域尽量提高温度场温度，保证火焰稳定和燃烧安全[2]。
2.2 煤/气混烧特性分析
对于一定的锅炉，在相同负荷下，随着煤气掺烧量的增加，大量的低温气体进入炉膛，一方面炉膛内火焰温度会降低，导致炉膛内烟气辐射能力下降；另一方面，炉内烟气量增加明显，增强了炉内的对流换热能力，使烟道内受热面的对流吸热量增加，煤粉在炉膛内的停留时间明显下降，煤粉燃烧时间不够，燃尽困难，使得飞灰含碳量明显升高，尤其是当热量掺烧率达到25%以上时，高炉煤气飞灰可燃物迅速上升，从飞灰可燃物含量的角度来看，如果不提高炉膛的温度水平，高炉煤气的最佳掺烧率应该在25%以内；由于高炉煤气是低热值燃料，其理论燃烧温度明显低于煤粉燃烧温度，高炉煤气的掺烧使炉膛温度水平明显下降，而实际上煤粉的燃尽程度随炉膛温度的降低而下降；高炉煤气掺烧使煤粉周围氧的浓度降低，煤粉燃尽速率降低，不利于煤粉的燃尽；大量的掺烧高炉煤气会出现燃烧初期煤粉和高炉煤气抢风，同时炉内的空气动力场恶化，不利于煤粉的燃尽，由于炉内的空气动力场是通过燃烧器的调整解决，因此高炉煤气掺烧引起煤粉着火推迟可以通过选择适当的新型燃烧器解决，而高炉煤气掺烧引起的气氛变化比较小，因此，氧浓度对燃尽的影响不是特别明显。在煤粉锅炉中组织煤粉-高炉煤气混烧要实现高炉煤气和煤粉各自着火，燃烧稳定，又要降低二者燃烧过程的相互影响还要顾及维持锅炉正常的运行参数，因而对燃烧设备的设计制造或改装提出了较高的要求[3]。
3 结束语
本文通过对煤/气混烧锅炉进行详细的热力计算结果分析，找出了该煤粉锅炉掺烧煤气的最佳比以及煤/气混烧锅炉存在的主要问题，并且提出了具体的锅炉改造措施。通过对煤粉和煤气不同掺烧比例下的锅炉炉膛及各受热面的热力计算得知，对于混烧高炉煤气等低热值的燃料，随着高炉煤气掺烧量的增加，混合燃料的低位发热量、理论燃烧温度及炉膛出口烟温都呈下降趋势，因而导致了煤粉的不完全燃烧，飞灰可燃物含量上升，锅炉效率下降；煤粉和煤气不同掺烧比例下锅炉炉膛及各受热面的热力计算结果进行分析得出：在没有有效措施提高炉膛燃烧温度的条件下，煤/气掺烧比在4：1左右时为佳，从燃尽的角度来看，煤气的热量掺烧率应控制在30%以内，这样，在排烟温度适宜的情况下，锅炉热效率就可以控制在88%以上，既可以保证锅炉的稳定高效燃烧以及煤气的合理利用，还可以创造更好的经济和环境效益。
参考文献
[1] 胡予红，孙欣，张文波，等.煤炭对环境的影响研究[J].中国能源，2004，26（1）：32-35.
[2] 潘伟尔.我国煤炭经济进入高增长期[J].中国能源，2004，26（1）：36-37.
[3] 王政民.高炉煤气的合理使用与节能潜力[J].冶金能源，1999，（1）： 36-41.
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