煤粉与高炉煤气混烧条件下的燃料燃烧计算方法

摘要

本发明公开一种煤粉与高炉煤气混烧条件下的燃料燃烧计算方法，包括以下步骤：将煤的特性数据与高炉煤气的特性数据进行整合，获得混合燃料特性数据；根据混合燃料特性数据和取样化验得到的炉渣、飞灰和沉降灰的含碳量计算获得实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率；根据混合燃料特性数据和实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率计算获得燃烧所需理论空气量；根据混合燃料特性数据、实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率和燃烧所需理论空气量计算获得燃烧产生的理论干烟气量；根据混合燃料特性数据、燃烧所需理论空气量、理论干烟气量以及烟气成分数据计算获得排烟处过量空气系数、实际干烟气量；根据混合燃料特性数据和过量空气系数计算获得燃烧产生的水蒸气量。

说明书

技术领域

本发明涉及热能工程领域，尤其涉及一种煤粉与高炉煤气混烧条件下的燃料燃烧计算方法。 

背景技术

钢铁企业在冶炼过程中产生了大量的高炉煤气，由于高炉煤气具有热值低、含氮量高、燃烧稳定性较差等特点，目前许多钢铁厂对高炉煤气的利用都不够充分，大量高炉煤气被放散，造成能源的浪费。如何利用好钢铁生产工艺中副产的高炉煤气资源，是相关技术人员普遍关心的问题。 

近年来，掺烧高炉煤气的煤粉锅炉在一些钢铁厂取得了成功应用并逐步推广，通过将高炉煤气引入煤粉锅炉，解决了高炉煤气单独燃烧较为困难的问题，有效地降低了高炉煤气的放散率；而从钢铁厂的角度来看，采用煤粉与煤气混烧的方式能较好地利用煤气，有助于实现煤气管网的平衡；此外，煤粉锅炉掺烧煤气后，SO₂、NOx和粉尘颗粒物的排放量与传统的煤粉锅炉相比均有较大幅度的降低。因此，煤粉锅炉掺烧高炉煤气的方式具有广阔的的应用前景，尤其是在当前资源日益紧张和环保要求越来越高的形势下，更能凸显其经济效益和社会效益。 

燃料燃烧计算是锅炉性能试验计算过程中必不可少的一个环节。目前，对于煤粉和气体燃料混烧条件下的燃烧计算普遍采用的方法是将折算的混合燃料成分代入传统的燃煤燃烧计算方法进行计算，然而，该方法适用于大多数气体燃料与煤粉的混烧，却不能用于高炉煤气与煤粉的混烧，这是因为传统的燃烧计算方法基于燃料含氮量较低的假设条件，这一点对于大多数气体燃料都成立，但是高炉煤气的含氮量很高，一般高达50％～60％，即使高炉煤气的掺烧比例不高，折算后的混合燃料收到基含氮量仍然不可忽略，故不能套用传统的燃烧计 算方法。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种煤粉与高炉煤气混烧条件下的燃料燃烧计算方法。 

为达到上述目的，本发明所述一种煤粉与高炉煤气混烧条件下的燃料燃烧计算方法，包括以下步骤： 

对锅炉运行过程中的原煤和煤粉进行取样并分析获得煤的特性数据；对锅炉运行过程中的入炉高炉煤气进行取样并分析获得高炉煤气的特性数据； 

利用第一计算式将煤的特性数据与高炉煤气的特性数据进行整合，获得混合燃料特性数据； 

对锅炉运行过程中的炉渣、飞灰和沉降灰进行取样并分析获得其含碳量； 

根据炉渣、飞灰和沉降灰的含碳量和混合燃料特性数据，利用第二计算式计算获得实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率； 

根据实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率和混合燃料特性数据，利用第三计算式计算获得燃烧所需理论空气量； 

根据实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率、燃烧所需理论空气量和混合燃料特性数据，利用第四计算式计算获得燃烧产生的理论干烟气量； 

对锅炉运行过程中的烟气成分进行取样并分析获得烟气成分数据； 

根据混合燃料特性数据、燃烧所需理论空气量、理论干烟气量以及烟气成分数据，利用第五计算式和第六计算式以循环迭代计算方式计算获得排烟处过量空气系数、实际干烟气量； 

根据混合燃料特性数据和过量空气系数，利用第七计算式计算获得燃烧产生的水蒸气量。 

优选地，所述混合燃料特性数据包括收到基灰分A_ar、水分M_ar、碳元素含量 C_ar、氢元素含量H_ar、氧元素含量O_ar、氮元素含量N_ar、硫元素含量S_ar；所述第一计算式为： 

y_i＝b_coalx_coal,i+b_gasx_gas,i，其中， 

y_i为混合燃料的某项特性数据； 

x_coal,i、x_gas,i分别为煤和高炉煤气的对应特性数据； 

b_coal、b_gas分别为煤消耗量和高炉煤气消耗量占总燃料消耗量的份额。 

优选地，所述第二计算式为： 

$>C_{\mathrm{ar}}^r=C_{\mathrm{ar}}-\frac{A_{\mathrm{ar}}}{100}[\frac{r_{\mathrm{lz}}{C}_{\mathrm{lz}}^C}{100-C_{\mathrm{lz}}^C}+\frac{r_{\mathrm{fh}}{C}_{\mathrm{fh}}^C}{100-C_{\mathrm{fh}}^C}+\frac{r_{\mathrm{cjh}}{C}_{\mathrm{cjh}}^C}{100-C_{\mathrm{cjh}}^C}],$>其中， 

为混合燃料收到基实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率，％； 

C_ar为混合燃料收到基碳元素质量含量百分率，％； 

A_ar为混合燃料收到基灰分质量含量百分率，％； 

分别为炉渣、飞灰和沉降灰中的含碳量，％； 

r_lz、r_fh、r_cjh分别为炉渣、飞灰和沉降灰中灰量占燃煤总灰量的份额，％。 

优选地，所述第三计算式为： 

$>V_{\mathrm{gk}}^0=0.0889(C_{\mathrm{ar}}^r+{0.375S}_{\mathrm{ar}})+{0.265H}_{\mathrm{ar}}-{0.0333O}_{\mathrm{ar}},$>其中， 

为每kg混合燃料燃烧所需的理论空气量，m³/kg； 

S_ar、H_ar、O_ar分别为混合燃料收到基中硫元素、氢元素、氧元素的质量含量百分率，％。 

5、根据权利要求1所述的煤粉与高炉煤气混烧条件下的燃料燃烧计算方法，其特征在于，所述第四计算式为： 

$>V_{\mathrm{gy}}^0=1.866\times \frac{C_{\mathrm{ar}}^r+{0.375S}_{\mathrm{ar}}}{100}+0.79V_{\mathrm{gk}}^0+0.8\frac{N_{\mathrm{ar}}}{100},$>其中， 

为每kg混合燃料燃烧产生的理论干烟气量，m³/kg； 

N_ar为混合燃料收到基中氮元素的质量含量百分率，％。 

优选地，所述根据混合燃料特性数据、燃烧所需理论空气量、理论干烟气量以及烟气成分数据，利用第五计算式和第六计算式以循环迭代计算方式计算获得排烟处过量空气系数、实际干烟气量的具体步骤为： 

1)假定一实际干烟气量

2)根据假定的实际干烟气量利用第五计算式计算获得排烟处过量空气系数α；所述第五计算式为： 

其中，α为排烟处过量空气系数；φ′(O₂)、φ′(CO)、φ′(N₂)分别为干烟气中O₂、CO、N₂的容积含量百分率，％；为假定的每kg混合燃料燃烧产生的实际干烟气体积，m³/kg； 

3)根据已求出的过量空气系数α、理论空气量和理论干烟气量利用第六计算式计算获得实际干烟气量V_gy，所述第六计算式为其中，V_gy为每kg混合燃料燃烧产生的实际干烟气体积，m³/kg； 

4)预设一阈值ε，将计算获得的实际干烟气量V_gy和假定的实际干烟气量进行比较： 

若则获得排烟处过量空气系数α、实际干烟气量V_gy； 

反之则将V_gy和的平均值作为新的假定干烟气量重新进行步骤1)～步骤4)，直到$>|V_{\mathrm{gy}}-V_{\mathrm{gy}}^{\mathrm{jd}}|\le ϵ.$>

优选地，所述第七计算式为： 

$>V_{H_{2}O}=1.24[\frac{9H_{\mathrm{ar}}+M_{\mathrm{ar}}}{100}+1.293\alpha V_{\mathrm{gk}}^0{d}_k],$>其中， 

为每kg混合燃料燃烧产生的水蒸气量，m³/kg； 

M_ar为混合燃料收到基水分质量含量百分率，％； 

d_k为空气的绝对湿度，kg/kg。 

本发明的有益效果为： 

本发明根据高炉煤气所特有的含氮量高的性质，构建了一个适用于煤粉与高炉煤气混烧条件下的燃料燃烧计算方法，为煤粉与高炉煤气混烧锅炉的热效率测试计算提供理论基础和性能分析依据。 

具体实施方式

本发明实施例所述一种煤粉与高炉煤气混烧条件下的燃料燃烧计算方法，包括以下步骤： 

1、对锅炉运行过程中的原煤和煤粉进行取样并分析获得煤的特性数据，其包括灰分、水分、碳元素含量、氢元素含量、氧元素含量、氮元素含量、硫元素含量；对锅炉运行过程中的入炉高炉煤气进行取样并分析获得高炉煤气的特性数据，其包括CO含量、H₂含量、CH₄含量、CO₂含量、N₂含量、O₂含量、H₂S含量、H₂O含量，以及煤气含灰浓度。将煤的特性数据与高炉煤气的特性数据进行整合，获得混合燃料特性数据。最终，得到的混合燃料特性数据包括混合燃料收到基灰分A_ar、水分M_ar、碳元素含量C_ar、氢元素含量H_ar、氧元素含量O_ar、氮元素含量N_ar、硫元素含量S_ar。具体实现计算式如下： 

y_i＝b_coalx_coal,i+b_gasx_gas,i，其中，式中y_i为混合燃料的某项特性数据；x_coal,i、x_gas,i分别为煤和高炉煤气的对应特性数据；b_coal、b_gas分别为煤消耗量和高炉煤气消耗量占总燃料消耗量的份额。 

需要说明的是：由于高炉煤气与煤的特性有一定差异，需预先将高炉煤气的参数进行换算，才能与煤的对应参数进行合成。以元素分析成分为例，高炉 煤气的成分数据需预先换算成以收到基质量含量百分率表示的元素成分，然后再与煤的收到基元素成分进行合成；同样，水分和灰分亦是如此。具体换算方法如下： 

$>C_{\mathrm{gas},\mathrm{ar}}=\frac{0.54}{{\rho }_{\mathrm{gas}}}[\phi \left(\mathrm{CO}\right)+\phi \left({\mathrm{CO}}_2\right)+\mathrm{\Sigma m\phi }\left(C_m{H}_n\right)];$>

$>H_{\mathrm{gas},\mathrm{ar}}=\frac{0.045}{{\rho }_{\mathrm{gas}}}[2\phi \left(H_2\right)+\mathrm{\Sigma n\phi }\left(C_m{H}_n\right)];$>

$>O_{\mathrm{gas},\mathrm{ar}}=\frac{0.715}{{\rho }_{\mathrm{gas}}}[\phi \left(\mathrm{CO}\right)+2\phi \left({\mathrm{CO}}_2\right)+2\phi \left(O_2\right)];$>

$>N_{\mathrm{gas},\mathrm{ar}}=\frac{1.25}{{\rho }_{\mathrm{gas}}}\phi \left(N_2\right);$>

$>S_{\mathrm{gas},\mathrm{ar}}=\frac{1.43}{{\rho }_{\mathrm{gas}}}\phi \left(H_{2}S\right);$>

$>A_{\mathrm{gas},\mathrm{ar}}=\frac{0.1}{{\rho }_{\mathrm{gas}}}{\mu }_b;$>

$>M_{\mathrm{gas},\mathrm{ar}}=\frac{0.8}{{\rho }_{\mathrm{gas}}}\phi \left(H_{2}O\right).$>

式中，φ(CO)、φ(H₂)、φ(CO₂)、φ(N₂)、φ(O₂)、φ(C_mH_n)、φ(H₂S)、φ(H₂O)分别为高炉煤气中相应组分的容积含量百分率，％；C_gas,ar、H_gas,ar、O_gas,ar、N_gas,arS_gas,ar、A_gas,ar、M_gas,ar分别为换算后高炉煤气收到基中相应成分的质量含量百分率，％；μ_b为高炉煤气中含灰浓度，g/m³；ρ_gas为标准状态下高炉煤气的密度，kg/m³，按下式计算： 

ρ_gas＝0.0125φ(CO)+0.0009φ(H₂)+∑(0.0054m+0.00045n)φ(C_mH_n)+0.0152φ(H₂S)+0.0196φ(CO₂)。+0.0125φ(N₂)+0.0143φ(O₂)+0.008φ(H₂O)+0.001μ_b

另外，需要注意的是，在计算煤消耗量和高炉煤气消耗量占总燃料消耗量的份额b_coal、b_gas时，高炉煤气消耗量应为质量流量。 

2、对锅炉运行过程中的炉渣、飞灰和沉降灰进行取样并分析获得炉渣、飞灰和沉降灰中的含碳量。根据炉渣、飞灰和沉降灰的含碳量和步骤1中得到的混合燃料特性数据，利用计算式计算获得实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率。 具体实现计算式如下： 

$>C_{\mathrm{ar}}^r=C_{\mathrm{ar}}-\frac{A_{\mathrm{ar}}}{100}[\frac{r_{\mathrm{lz}}{C}_{\mathrm{lz}}^C}{100-C_{\mathrm{lz}}^C}+\frac{r_{\mathrm{fh}}{C}_{\mathrm{fh}}^C}{100-C_{\mathrm{fh}}^C}+\frac{r_{\mathrm{cjh}}{C}_{\mathrm{cjh}}^C}{100-C_{\mathrm{cjh}}^C}],$>其中，为混合燃料收到基实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率，％；C_ar为混合燃料收到基碳元素质量含量百分率，％；A_ar为混合燃料收到基灰分质量含量百分率，％；分别为炉渣、飞灰和沉降灰中的含碳量，％；r_lz、r_fh、r_cjh分别为炉渣、飞灰和沉降灰中灰量占燃煤总灰量的份额，％。 

3、根据步骤2得到的实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率和步骤1得到的混合燃料特性数据，利用计算式计算获得燃烧所需理论空气量。具体实现计算式如下： 

$>V_{\mathrm{gk}}^0=0.0889(C_{\mathrm{ar}}^r+{0.375S}_{\mathrm{ar}})+{0.265H}_{\mathrm{ar}}-{0.0333O}_{\mathrm{ar}},$>其中，为每kg混合燃料燃烧所需的理论空气量，m³/kg；S_ar、H_ar、O_ar分别为混合燃料收到基中硫元素、氢元素、氧元素的质量含量百分率，％。 

4、根据步骤2得到的实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率、步骤1得到的混合燃料特性数据和步骤3得到的燃烧所需理论空气量，利用计算式计算获得燃烧产生的理论干烟气量。具体实现计算式如下： 

$>V_{\mathrm{gy}}^0=1.866\times \frac{C_{\mathrm{ar}}^r+{0.375S}_{\mathrm{ar}}}{100}+0.79V_{\mathrm{gk}}^0+0.8\frac{N_{\mathrm{ar}}}{100},$>其中，为每kg混合燃料燃烧产生的理论干烟气量，m³/kg；N_ar为混合燃料收到基中氮元素的质量含量百分率，％。 

5、对锅炉运行过程中的烟气成分进行取样并分析获得烟气成分数据。在这里需要说明的是：烟气成分数据为干烟气中的O₂、CO、N₂的容积含量百分率。根据步骤1得到的混合燃料特性数据、步骤3得到的燃烧所需理论空气量、步骤4得到的理论干烟气量以及烟气成分数据，利用计算式分别计算获得排烟处过量空气系数、实际干烟气量。实现的具体步骤为： 

1)假定一实际干烟气量

2)根据假定的实际干烟气量利用计算式计算获得排烟处过量空气系数α；具体计算式为： 

其中，α为排烟处过量空气系数；φ′(O₂)、φ′(CO)、φ′(N₂)分别为干烟气中O₂、CO、N₂的容积含量百分率，％；为假定的每kg混合燃料燃烧产生的实际干烟气体积，m³/kg； 

3)根据已求出的过量空气系数α、理论空气量和理论干烟气量利用第六计算式计算获得实际干烟气量V_gy，所述第六计算式为其中，V_gy为每kg混合燃料燃烧产生的实际干烟气体积，m³/kg； 

4)预设一阈值ε，将计算获得的实际干烟气量V_gy和假定的实际干烟气量进行比较： 

若则获得排烟处过量空气系数α、实际干烟气量V_gy； 

反之则将V_gy和的平均值作为新的假定干烟气量重新进行步骤1)～步骤4)，直到$>|V_{\mathrm{gy}}-V_{\mathrm{gy}}^{\mathrm{jd}}|\le ϵ.$>

6、根据步骤1得到的混合燃料特性数据和步骤5得到的过量空气系数，利用计算式计算获得燃烧产生的水蒸气体积。具体实现计算式如下： 

其中，为每kg混合燃料燃烧产生的水蒸气量，m³/kg；M_ar为混合燃料收到基水分质量含量百分率，％；d_k为空气的绝对湿度，kg/kg(干空气)。 

以某钢铁企业自备电厂220t/h煤粉与高炉煤气混烧锅炉为例，进行燃料的燃烧计算。 

1、首先通过取样分析获得燃煤特性数据和高炉煤气特性数据： 

燃煤特性数据如下：灰分含量为34.23％，水分含量为7.5％，碳元素含量 48.33％，氢元素含量2.79％，氧元素含量5.02％，氮元素含量0.79％，硫元素含量1.84％。 

高炉煤气特性数据如下：CO含量为21.63％，H₂含量为2.31％，CH₄含量为0.46％，CO₂含量为17.48％，N₂含量为53.87％，H₂O含量为4.25％，O₂和H₂S含量均为0，煤气含灰浓度为0.004g/m³。 

根据y_i＝b_coalx_coal,i+b_gasx_gas,i将煤的特性数据与高炉煤气的特性数据进行整合，获得混合燃料特性数据。如下：：A_ar＝15.28％，M_ar＝4.77％，C_ar＝30.49％，H_ar＝1.37％，O_ar＝19.14％，N_ar＝28.47％，S_ar＝0.82％。 

2、对锅炉运行过程中的炉渣、飞灰和沉降灰进行取样并分析获得炉渣、飞灰和沉降灰中的含碳量。具体结果如下：飞灰含碳量为C_fh＝6.58％、炉渣含碳量为C_lz＝7.34％、沉降灰含碳量为C_cjh＝6.61％。 

将炉渣、飞灰和沉降灰的含碳量和步骤1中得到的混合燃料特性数据带入公式计算获得实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率，即

3、将步骤2得到的实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率和步骤1得到的混合燃料特性数据带入到公式计算得到燃烧所需理论空气量，即

4、将步骤2得到的实际燃烧掉的碳元素质量含量百分率、步骤1得到的混合燃料特性数据和步骤3得到的燃烧所需理论空气量带入公式 计算获得燃烧产生的理论干烟气量，即 $>V_{\mathrm{gy}}^0=2.652m^3/\mathrm{kg}.$>

5、对锅炉运行过程中的烟气成分进行取样并分析获得烟气成分数据，具体结果如下：O₂含量为3.63％，CO含量为0，CO₂含量为17.32％，N₂含量为79.05％。将步骤1得到的混合燃料特性数据、步骤3得到的燃烧所需理论空气量、步骤4 得到的理论干烟气量以及分析得到的烟气成分数据带入计算式计算获得排烟处过量空气系数、实际干烟气量。 

实现的具体步骤为： 

1)假定一实际干烟气量

2)将假定的实际干烟气量和烟气成分数据带入公式 

中计算获得排烟处过量空气系数α，即α＝1.236。 

3)将已求出的过量空气系数α、理论空气量和理论干烟气量带入公式 中计算获得实际干烟气量V_gy，即V_gy＝3.211m³/kg； 

4)预设一阈值ε，即ε＝0.0001。将计算获得的实际干烟气量V_gy和假定的实际干烟气量进行比较： 

由于故将V_gy和的平均值3.105作为新的假定干烟气量重新进行步骤1)～步骤4)； 

上述过程重复进行，直到满足时再输出最终的过量空气系数和干烟气量。 

最终，获得排烟处过量空气系数α＝1.234，实际干烟气量V_gy＝3.205m³/kg。 

6、将步骤1得到的混合燃料特性数据和步骤5得到的过量空气系数带入公式计算(其中空气的绝对湿度设为0.01kg/kg干空气)，获得燃烧产生的水蒸气体积即

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以 权利要求所界定的保护范围为准。