高爐煤氣補燃裝置在燒結余熱發電中的應用

張帆 胡奇

（安鋼工程管理有限公司 河南 安陽 455000）

現階段，我國對節能減排工作日益重視，一部分鋼鐵廠家開始研究如何在發電環節對燒結煙氣余熱進行應用，目前已在經濟、社會層面取得了較大的收益。但我國在燒結余熱發電的技術環節起步相對較晚，與發達國家相比差距相對較大。由此，在燒結余熱的發電環節，對高爐煤氣補燃裝置的實際應用進行研究，就目前現狀而言，擁有極其重要的現實意義。

1 高爐煤氣的補燃裝置中應用的補燃技術概述

1.1 高爐煤氣在燃燒環節的特征

高爐煉鐵環節會形成體量龐大的高爐煤氣，高爐煤氣中存在的可燃成分大多數為CO，但僅占據高爐煤氣的20%～25%，其他大多數為惰性氣體。高爐煤氣主要存在如下特征。

1.1.1 著火性能差

在高爐煤氣中，可燃氣體的含量相對不高，著火溫度在550～650℃的范圍內，著火開始時，對熱量需求相對較大。另外，高爐煤氣在著火層面的濃度下限數值相對較高，為35%左右，著火比較困難。

1.1.2 不易穩燃

高爐煤氣在燃燒層面的理論溫度相對不高，只有1200～1340℃，僅占據燃煤溫度的60%左右，所以，爐膛內部的溫度相對不高，導致燃燒期間火焰不穩定，極容易出現脫火和脈動的現象。

1.1.3 穩燃性能不高

因為存在較多惰性氣體，阻礙了O2與可燃成分的混合接觸，加之燃燒溫度相對不高，導致化學反應速度相對較慢，因此需要停留較長的時間，并經過劇烈的攪動，才可以讓高爐煤氣實現完全燃燒。

1.2 應用補燃技術的必要性

目前，我國在燒結余熱發電環節存在諸多問題，主要如下。

1.2.1 煙氣溫度相對較低

在具體運行環節，由于熱量損失及漏風，導致高溫段、中溫段的煙氣溫度尚未切合設計數值就直接流入到余熱鍋爐中，溫度通常情況下都會比設計數值低出30～50℃，從而導致鍋爐出力被極大限度地降低，也影響了汽輪發電機組正常的發電數量，導致余熱發電機組在投資層面的回收期被迫延長，而且，致使主蒸氣的過熱度減少，汽輪機末級的蒸氣濕度又太大，情節嚴重時極有可能發生水擊的狀況。

1.2.2 鍋爐頻繁出現啟動、停止

具體生產環節，燒結工況的波動相對較大，設備在具體運行期間通常會發生一些不穩定狀況，而且還會在短期內出現解列的現象，這種狀況一旦發生，就會導致余熱鍋爐中的煙氣溫度出現較大的波動。為了對汽輪機進行有效的保護，就不得不對余熱鍋爐采取停止操作。生產環節趨于穩定之后，又需要重新啟動鍋爐，由此重復不斷地啟動、停止，不僅會導致電力、余熱的大量浪費，除去鹽水等一些資源之外，對于鍋爐的應用壽命也會造成不利影響［1］。

2 補燃技術對于燒結余熱發電的影響

2.1 燒結余熱發電環節中的補燃系統

要想針對純低溫余熱發電的煙氣溫度中出現的不可控因素進行有效解決，就需要設計煙溫調控系統，煙氣補燃自身屬于一種控制簡便、技術比較成熟的計劃。現階段，我國在燒結余熱發電層面所應用的補燃系統一共有4種。

2.1.1 煙道外部直燃補燃式的鍋爐

某個燒結余熱的發電項目中，應用了在煙道外設置補燃燃燒器的方式，對于空氣進行直接加熱，然后，將加熱完成之后的空氣摻雜在余熱鍋爐的煙道內部，讓中溫熱空氣、高溫熱空氣二者在煙道內部出現強烈的混合之后，再進入到汽輪機中，從而實現發電。此計劃主要是對空氣進行直接加熱，能夠讓總煙氣量、煙氣溫度全部管控在指定的數值區間內，讓機組在運行期間的穩定性得到有效保證，系統架構相對比較簡單，同時，也可以讓機組在熱效率層面管控在有效區間內，而且可以讓燃燒期間的穩定性得到有效保障，另外，燃燒不會輕易出現熄火的現象，整個燃燒環節效率安全性都相對較高。

2.1.2 煙道內部直燃式的補燃鍋爐

一部分研究人員研發出了一種可以對高爐煤氣進行應用，從而實現補燃方式的一種燒結余熱的計劃。此計劃主要是將點火裝備、燃燒器的噴嘴直接布設在燒結余熱鍋爐的進口煙道內部，高爐煤氣可以對煙道內部的高溫熱風進行有效應用，從而實現燃燒，之后起到放熱的作用，讓煙氣的溫度得到有效提升。此規劃可以對煙氣進行直接加熱，能夠讓煙氣溫度、總煙氣量維持在設定數值標準內，讓機組在運行期間的穩定性得到有效保證，也可以讓機組在熱效率層面維持在標準范圍內。

2.1.3 蓄熱式的補燃鍋爐

使用鋼鐵單位在煉鋼環節應用的副產品——高爐煤氣對其直接進行加熱，由此，燒結余熱鍋爐會形成飽和蒸氣，然后對飽和蒸氣進行加熱，要求溫度數值為450℃、2.2MPA。加熱期間，所采用的鍋爐為切換式的蓄熱補燃鍋爐，此鍋爐可以對煤氣量進行有效調節，并降低溫水量，讓進入汽輪機中的蒸氣溫度維持一個平穩數值，就整體角度而言熱效率相對較高［2］。

2.1.4 補燃鍋爐

在余熱鍋爐前方設置補燃鍋爐，通常情況下，是將燒結余熱鍋爐所生成的飽和水、飽和蒸氣全部引進到燃煤鍋爐中，之后將飽和蒸氣、飽和水進行加熱，溫度達到設計標準數值截止。此計劃的主要優勢就是形成的蒸氣溫度數值穩定性相對較高、數值參數較高。

2.2 現存補燃系統的現狀

2.2.1 煙道外部直燃補燃式的鍋爐

此鍋爐應用直接對空氣進行加熱的方式，雖然相對而言比較簡單，但是由于高爐煤氣自身具有燃燒點極高的特征，導致高爐煤氣在具體燃燒環節極其容易出現熄火的現象，由此，就需要布設乙炔長明燈來讓此問題得到有效解決。對冷空氣進行加熱時，必須加熱到所需要的溫度，而此環節也會相比較于煙道內部直燃補燃式的鍋爐在燃燒期間會消耗更多的高爐煤氣。

2.2.2 煙道內部直燃補燃式的鍋爐

環冷機的補燃系統即使由于無風機等一些供風裝置相對而言比較經濟且簡單，但是由于余熱鍋爐在補燃環節所需要應用的高爐煤氣通常情況下數量不多，在煙道內部直接布設用于燃燒的裝備，煤氣所產生的火焰將會被大量的煙氣、煙氣較高的流速迅速熄滅，由此會在安全和操控層面帶來一系列的難度及問題。

2.2.3 蓄熱式的補燃鍋爐

此鍋爐計劃與補燃鍋爐比較相似，主要就是比較依賴余熱鍋爐所形成的飽和蒸氣量，鍋爐內部的產氣量會伴隨環冷機中煙氣量的波動從而出現波動，很難讓汽輪機中的熱效率在設計值層面實現長時間的穩定運行。而且，此方案對于鋼廠中所應用到的高爐煤氣依賴程度相對較高，一旦鋼廠不再供應高爐煤氣，發電機組的工作就會被迫停止。蓄熱形式的燃燒器極其容易出現壓力場波動、燃燒、爆燃、斷火、結焦、堵塞等諸多問題，在安全層面存在極大的隱患。

2.2.4 補燃鍋爐

此種類型的鍋爐通常情況下容量不大，屬于型號較小的鍋爐，所以，在熱效率層面相對不高，會過度依賴余熱鍋爐所形成的飽和蒸氣量、飽和水，導致補燃鍋爐中的熱負荷會出現較大的波動，鍋爐內部的燃燒熱效率通常情況下比常規鍋爐要低出很多，很容易出現結焦的現象。而且，由于經濟層面的利益，有關單位通常情況下為將補燃鍋爐當作燃煤鍋爐進行應用，致使燃料在利用期間的效率不高，并形成二次污染現象，嚴重違背了節能減排目標，所以，目前此種方法在我國已經被嚴禁應用［3］。

3 燒結余熱發電環節高爐煤氣補燃裝置的應用案例

3.1 燒結余熱發電環節應用的動態補燃技術

對于燃燒結余熱發電系統所出現的一些問題，某公司提出了一種動態形式的補燃技術。

3.1.1 動態補燃技術的原理

某公司應用外置形式的煙道，補燃裝備與余熱鍋爐的母煙道進行有效相連。通過現場所供給的燃氣燃料，自主研發出一種低氮燃燒器，可以進入到補燃裝置的焚燒室中，對其進行燃燒，從而形成高溫煙氣，然后將其運輸到鍋爐的母煙道中，此高溫煙氣與燒結余熱的煙氣二者進行混合之后，可以一同進入到余熱鍋爐中。按照余熱鍋爐在運行中的具體狀況，動態地對于燃料的量進行有效調控，調控的范圍主要為余熱鍋爐出力的0～100%。燒結生產線出現狀況時，會出現短暫的臨時停車現象，余熱資源不會進入到鍋爐中，為了確保鍋爐不會出現解列的現象，補燃裝備會對負荷進行有效調節，范圍大概在鍋爐出力的30%，從而讓鍋爐在運行期間的穩定性得到有效保證。當余熱鍋爐無法達到指定出力時，運行期間補燃裝備會按照余熱鍋爐中的余熱資源，針對燃料進行有效調控，從而讓余熱鍋爐的輸出得到保證，最終讓汽輪發電機組在發電量層面可以符合設計數值［4］。

3.1.2 動態補燃技術的特征

（1）智能化控制。此系統中的控制系統應用某公司研發出的NBMS 燃燒控制系統，讓補燃系統的動態性、穩定性得到有效保證，對于燒結余熱在煙氣供給層面的范圍要求相對不高，可以在0～100%的范圍內對其進行動態化的調控。而且，此系統擁有檢修維護便利、投資較低、可靠性高、簡潔性強、系統性能高、占地面積小等特征。

（2）低氮燃燒技術。此系統應用了某公司研發的低氮NOx燃燒器，此系統主要是由多個噴嘴進行布設，應用雙層的配風口，內層應用旋流裝備，外層應用直流配風，此燃燒系統中安裝了低氮燃燒裝備，具體實現形式如下。

燃燒器可以應用分級配方的方式，在火焰區域形成還原性的氣氛，對于氮氧化物的形成起到抑制性的作用。

燃燒器的內層配風采取旋流的方式，強化燃料和空氣之間出現的混合氣體，加大溫度在分布期間的均勻程度，消除局部區域的高溫現象，減少熱力型NOx的形成。

旋流配方所形成的渦流形狀的混合氣體在加熱爐的中心區域會形成低壓，導致一部分煙氣被抽回，從而減少燃燒中心的含氧數量，最終有效阻止NOx的生成。

燃燒器應用多噴嘴的形式，減少每個火孔燃燒期間的負荷，細股燃氣射流可以對空氣進行自動吸收，強化預混效果，加大溫度在分布期間的均勻程度，除去局部出現的高溫區域，減少熱力型NOx的形成［5］。

3.1.3 動態性新型補燃項目的分析

目前，國內的燒結余熱發電大多數都采取環冷機前兩段中的高溫廢氣，溫度在300℃左右，舍棄了第3段250℃左右的廢棄資源。

常規余熱發電，一般情況下，選取前兩段的煙氣余熱，匹配一臺雙煙道的雙壓余熱鍋爐，最終裝機計算數值為13.2MW。

應用南京博納制作的補燃系統之后，高爐煤氣的消耗量每小時可以達到4782m3，尤其第3 段的煙氣濃度可以提高到300℃左右之后，一起進入余熱鍋爐中，裝機此時計算的數值為16.1MW，相較于以往的裝機規模，在數值層面高出2.9MW。

3.2 燒結余熱發電環節應用的循環燃燒補燃技術

現階段，有關人員針對燒結余熱發電在技術環節出現的問題進行創新，提出了一種新型的燃燒補燃技術，即循環燃燒補燃形式的新型燒結余熱發電系統。

此系統主要是通過變頻風機，從余熱鍋爐的進口煙道中牽引出一部分熱煙氣，與鋼廠中多余的高爐煤氣進行混合，然后對其進行燃燒，形成的高溫煙氣、煙道內部的低溫熱煙二者之間進行混合，之后再進入到鍋爐中，對其進行換熱操作，換熱完成之后，煙氣會被鍋爐尾部的循環風機牽引，再次進入燒結環冷機底部區域的冷卻燒結礦料，在經過冷卻之后，中溫煙氣會再次進入到鍋爐的進口煙道中。系統布設了補風口用來彌補漏風及煙氣消耗，而且額外設置了排煙的煙囪，避免CO在煙氣循環期間出現大量積聚現象。

此系統在應用期間有較為顯著的優勢，原因是此方案可以對汽輪機進口處的3 個參數進行有效管控，讓其與設計參數接近，不會再由于環冷風機中的煙氣參數出現波動，從而對鍋爐產氣量造成不必要的影響，相比較于現存的燒結余熱形式的發電補燃技術而言，讓穩定性得到了顯著的提升，即使是在春、冬寒冷季節對其進行應用，也能夠讓余熱發電系統在運行期間的穩定性得到有效保證。因為煙氣屬于循環應用的方式，而且降低了冷源的損失，所需的高爐煤氣量遠遠低于直燃形式的系統，讓發電效率得到了極大程度的提升。而且，因為應用到了煙氣再循環技術，所以煙氣中的含氧量會低于空氣中的含氧量，有利于抑制燃燒環節氮氧化物的形成，最終起到環保、節能的作用［6］。

4 結語

綜上所述，在燒結余熱發電環節對高爐煤氣的補燃裝置進行應用，能夠極大程度地提升燒結余熱回收發電機組在利用環節的效率，而且還能夠起到穩定維修機組工況的作用，確保機組在完善之后的運行，可以符合設計環節的規定發電量，確保新機組可以回收到較之以往更多的余熱資源，從而達到減少生產環節能源消耗的目標。