400 t/h 全燃?xì)忮仩t燃燒系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化

熊建文，張小勇，魏 靖

(中機國能電力工程有限公司，上海 200061)

中國是鋼鐵生產(chǎn)大國，年產(chǎn)鋼量超過1.0×108t，每冶煉1 t生鐵會產(chǎn)生約3 000 m3的高爐煤氣，它們是極重要的二次能源.充分利用鋼鐵企業(yè)的副產(chǎn)煤氣，不僅可以節(jié)約大量的燃料，而且可以極大地改善環(huán)境.

全燃?xì)忮仩t就是燃燒低熱值的高爐煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣的鍋爐.

目前，國內(nèi)已投產(chǎn)使用的最大的全燒高爐煤氣鍋爐是寧夏鋼鐵有限責(zé)任公司(以下簡稱寧鋼)的400 t/h超高壓、中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，其對應(yīng)的汽機發(fā)電量為150 MW.

本文對該高爐煤氣鍋爐進行了分析，并提出了一些優(yōu)化設(shè)計方法.

1 高爐煤氣的特性

高爐煤氣是一種低熱值的氣體燃料，其N2含量約為50% ～60%，CO2含量約為16% ～20%，可燃成分主要為CO和H2，熱值低且含量極少，CO含量約為20% ～26%，H2含量約為1.5% ～2%.一般情況下，高爐煤氣的低位發(fā)熱量僅為2 800～3 550 kJ/Nm3.

由于高爐煤氣中含有大量的惰性氣體，可燃成分很少，每立方米煤氣燃燒時所需的空氣量也較少，每標(biāo)準(zhǔn)立方米高爐煤氣所需的理論空氣量僅為0.6 Nm3，約為同類型燃煤的70%，但其煙氣量較大，是同類型燃煤的1.7倍左右.

高爐煤氣中的含硫量極少，且CmHn含量也極少，這使得煙氣的露點較高，即使在點火初期也不會結(jié)露，因此無需考慮低溫腐蝕等問題.

由于高爐煤氣中的不可燃成分較多，其理論燃燒溫度較低，僅為1 250～1 300℃，是煤的理論燃燒溫度的60%左右，其火焰中心溫度低，化學(xué)反應(yīng)速度慢，因此在設(shè)計鍋爐時應(yīng)考慮高爐煤氣需要有足夠的燃盡時間，還要解決燃燒火焰不穩(wěn)定、易產(chǎn)生脈動、易脫火等問題.高爐煤氣的著火溫度比較高，為530～660℃，因此燃燒高爐煤氣的鍋爐通常應(yīng)采用其他熱值較高的點火燃料(天然氣或者焦?fàn)t煤氣).高爐煤氣燃燒為氣氣單相燃燒，一旦具備了著火和穩(wěn)燃條件，燃燒就非常迅速，且火炬很短.

高爐煤氣中的CO和H2為易燃易爆氣體，CO為有毒氣體.高爐煤氣在空氣中的爆炸極限濃度為35%～71%，因此高爐煤氣的安全穩(wěn)定燃燒也是非常重要的[1-4].

2 400 t/h全燃?xì)忮仩t系統(tǒng)分析

為了實現(xiàn)高爐煤氣鍋爐的安全穩(wěn)定完全燃燒，必須注意以下3點:

(1)煤氣和空氣的良好混合 使混合氣中的高爐煤氣達到著火體積濃度，混合氣的溫度升高到著火溫度.

(2)溫度場溫度的控制 由于高爐煤氣燃燒不易回火、易脫火，因此在燃燒區(qū)域應(yīng)盡量提高溫度場溫度，以保證火焰穩(wěn)定和燃燒安全.

(3)受熱面的布置 合理布置受熱面，可以有效提高鍋爐的效率.

2.1 高爐煤氣燃燒器的設(shè)計

高爐煤氣燃燒器主要有多管式和旋流式兩種.小容量高爐煤氣鍋爐多采用多管式煤氣燃燒器，煤氣在管內(nèi)流動，空氣在管外流動，兩種氣體在燃燒器出口混合.這種燃燒器的火焰比較長，單個燃燒器的容量較低，適合4角布置.旋流式燃燒器的一般設(shè)計是使煤氣和空氣流經(jīng)各自的通道，并在通道中設(shè)置了旋流葉片，當(dāng)煤氣和空氣流經(jīng)旋流葉片時產(chǎn)生旋流，在燃燒器出口產(chǎn)生強烈混合.其特點是負(fù)荷調(diào)節(jié)較大，低負(fù)荷狀態(tài)下穩(wěn)定燃燒性能好，不會發(fā)生回火.由于兩種氣體混合完全且燃燒充分，燃燒器火焰長度較短，單個燃燒器的容量較大，適合大容量的鍋爐，宜前后墻布置.

寧鋼的400 t/h全燃?xì)忮仩t燃燒器為前后墻布置，前墻布置3層，后墻布置2層，每層布置4個燃燒器，共計20個，這種布置方法相對靈活，前后墻燃燒器層數(shù)不必相同，而且可以根據(jù)鋼廠的實際情況增加其他氣體的燃燒器.其中，前墻上層中間的2個為焦?fàn)t煤氣燃燒器，其余18個均為高爐煤氣燃燒器.前、后墻最下排的燃燒器及前墻上層中間的2個焦?fàn)t煤氣燃燒器，均配備焦?fàn)t煤氣點火裝置.

高爐煤氣燃燒器為雙旋流型，鍋爐負(fù)荷在50% ～100%，可以不用穩(wěn)燃燃料，并保證蒸汽參數(shù).為了保證燃燒安全，每只燃燒器上配有火焰檢測裝置.另外，由于煤氣是一種劣質(zhì)氣體燃料，為了保證燃燒的穩(wěn)定性，爐膛燃燒器區(qū)和爐底敷有衛(wèi)燃帶，以保證鍋爐低負(fù)荷時的穩(wěn)定燃燒.

2.2 鍋爐受熱面的布置

鍋爐爐膛主要負(fù)責(zé)完成蒸發(fā)吸熱，通常中低壓鍋爐的蒸發(fā)吸熱量超過60%，高壓鍋爐(10 MPa，540℃，給水 215℃)的蒸發(fā)吸熱量約為49%，超高壓再熱鍋爐(13.7 MPa，540℃，給水238℃)的蒸發(fā)吸熱約為39%.由此可以看出，鍋爐蒸汽壓力越低，需要的蒸發(fā)吸熱比例越大;蒸汽壓力越高，需要的蒸發(fā)吸熱比例越小.

由于高爐煤氣的燃燒生成物為不發(fā)光氣體，輻射能力很差，因此爐膛吸熱比例較小.高爐煤氣鍋爐的爐膛吸熱比例隨爐膛出口溫度的變化如表1所示.

表1 爐膛吸熱比例與爐膛出口溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)

由表1可以看出，高爐煤氣鍋爐不能吸收蒸發(fā)全部熱量，需要其他受熱面來吸收多余部分.小容量中低壓鍋爐一般采用上下鍋筒的對流管束來吸收多余的熱量，而大容量高參數(shù)高爐煤氣鍋爐的蒸發(fā)吸熱比例較小，一般采用單鍋筒布置，蒸發(fā)吸熱后的多余熱量采用沸騰式省煤器來吸收.

寧鋼400 t/h全燃?xì)忮仩t為單鍋筒布置，在其前煙道中布置沸騰式旁路省煤器.如果省煤器出口沸騰度超過30%，會導(dǎo)致省煤器的阻力增加，受熱不均勻，甚至引發(fā)省煤器爆管事故，因此旁路省煤器的沸騰度一般控制在20%左右.

2.3 煤氣加熱器的應(yīng)用

高爐煤氣鍋爐的熱損失主要是排煙損失，而排煙損失主要取決于鍋爐的排煙溫度，排煙溫度每上升10℃，排煙的熱損失增加約1%.為了提高鍋爐效率，減少排煙熱損失，利用空氣預(yù)熱器的出口煙氣對煤氣進行加熱，并在空氣預(yù)熱器后方吸風(fēng)機前方布置了分離式煤氣熱管換熱器.由于空氣預(yù)熱器出口熱風(fēng)溫度已達到247℃，采用提高熱風(fēng)溫度的方法來降低排煙溫度效果不大，而采用加熱冷煤氣來降低排煙溫度則是一種較為有效的方法.寧鋼的400 t/h全煤氣鍋爐采用煤氣加熱器后，排煙溫度從193℃降到了140℃，高爐煤氣從20℃上升到140℃，保證鍋爐的效率大于89%.

3 鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 煙風(fēng)和煤氣管道系統(tǒng)的優(yōu)化

寧鋼400 t/h全燃?xì)忮仩t是目前國內(nèi)運行容量最大的全燒高爐煤氣鍋爐，其煤氣管道及風(fēng)道尺寸很大、數(shù)量很多，鍋爐四周可布置的空間較為狹小.針對這一突出問題，對煙風(fēng)和煤氣管道系統(tǒng)的布置進行了優(yōu)化，具體優(yōu)化設(shè)計包括以下3個方面.

(1)煤氣管道及熱風(fēng)管道采用母管高位鍋爐兩側(cè)布置，以簡化煤氣管道放散系統(tǒng)，節(jié)約投資成本.由高位母管在鍋爐前后墻4角向下引4根垂直立管，呈懸掛式布置，每層每組燃燒器所需的燃?xì)夂惋L(fēng)量都從垂直立管上引出，每組燃燒器的燃?xì)饽腹苌显O(shè)有流量計、調(diào)節(jié)閥和快切閥，每組燃燒器的熱風(fēng)母管上設(shè)有流量計和調(diào)節(jié)閥.另外，將熱風(fēng)母管布置在煤氣母管下，并與煤氣母管走向一致，使管道布置更加整齊、美觀.

(2)燃燒系統(tǒng)的控制采用組單元控制，每組包括2個燃燒器，每層分左右兩組，以此簡化控制系統(tǒng)，同時減少閥門和管道，節(jié)約投資成本.

(3)每層左右兩組燃燒器的煤氣管道連接在一起組成層煤氣母管，中間用堵板隔開，熱風(fēng)管道亦如此.這使得左右兩組燃燒器的控制相對獨立，不會相互干擾，而煤氣和熱風(fēng)管道上的調(diào)節(jié)閥可以根據(jù)鍋爐負(fù)荷及燃燒情況進行獨立調(diào)整.另外，層母管的設(shè)計增加了管道的剛度，減少了管道的支吊架.

3.2 煤氣系統(tǒng)的安全設(shè)計

由于煤氣是一種易燃、易爆、有毒氣體，而且遇到明火還會引起爐膛爆炸.因此，設(shè)計中要考慮設(shè)備維修時泄漏煤氣對人體造成的危害，以及對鍋爐設(shè)備造成的損壞.

為了保證系統(tǒng)的安全運行，設(shè)計時采取了以下5項措施.

(1)煤氣管道采用架空布置，除了必須采用法蘭連接的地方外，其余采用焊接連接.

(2)每臺鍋爐的煤氣母管上設(shè)置可靠的隔斷措施，以保證鍋爐停運時鍋爐側(cè)煤氣管道和鋼廠側(cè)煤氣管道完全隔斷.安全隔斷措施包括密封蝶閥、水封及盲板.密封蝶閥采用氣動雙偏心無泄漏蝶閥，水封有效高度在3 m以上，水封后布置的盲板是為了確保無煤氣泄漏.

(3)煤氣管道內(nèi)設(shè)置置換和放散系統(tǒng).在煤氣管道入口、管道及設(shè)備的最高處、管道末端、水封前后、閥門前后均設(shè)有放散管，放散管上設(shè)取樣管，以測量煤氣濃度.煤氣置換可以采用N2或蒸汽.

(4)每組燃燒器前的煤氣管道上設(shè)有快速切斷閥，當(dāng)鍋爐需要MFT時迅速切斷燃料供給，同時在高位煤氣母管上也設(shè)有快速切斷閥.

(5)為了防止煤氣泄漏聚集引起爆炸及危害人身安全，鍋爐房采用全敞開式布置，鍋爐運轉(zhuǎn)層的上下都不設(shè)圍墻，防止煤氣聚集.此外，在每層燃燒器附近均設(shè)有煤氣泄漏報警裝置，進行實時監(jiān)控.

4 結(jié)語

煉鋼廠廢氣通過燃燒發(fā)電是一件變廢為寶、節(jié)能環(huán)保、利國利民的好事，煤氣鍋爐大型化也是必然趨勢.本文根據(jù)寧鋼400 t/h全燒高爐煤氣的鍋爐設(shè)計及運行經(jīng)驗給出了全燒鍋爐煤氣燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，提高了鍋爐的安全性，節(jié)約了投資成本.

[1]陳冬林，鄢曉忠.湘鋼熱電廠WGZ75/39-6煤粉爐改燒煤氣的工程實踐[J].熱力發(fā)電，2001(6):331-336.

[2]邊福增，劉建斌，程向東.130 t/h煤粉爐改造為全燒高爐煤氣鍋爐及其經(jīng)濟效益[J].冶金動力，2002(5):153-155.

[3]趙劍云，杜斌.淺談高爐煤氣鍋爐設(shè)計要點[J].余熱鍋爐，2003(2):46-47.

[4]唐琪明，羅武龍，常久虎.FSSS系統(tǒng)在全燒高爐煤氣鍋爐上的應(yīng)用[J].冶金動力，2001(5):91-93.