莱钢130 t／h全燃煤气锅炉富氧燃烧的可行性分析

冶 金 动 力 ME TA I LUR GI CA L P OWE R 2 0 1 1 年第 1 期 总 第 1 4 3期 莱钢 1 3 0 t h全燃煤气锅炉富氧燃烧的可行性分析 孙煜 ，王站 ( 莱芜钢铁股份有限公司热电厂 ， 山东莱芜 ， 2 7 1 1 0 4 ) 【 摘要】 阐述了富氧燃烧新技术的基本原理， 并且与传统的燃烧方式作了对比。 从提高锅炉运行热效率和 节约能源角度出发， 分析了富氧燃烧技术在纯燃高炉煤气锅炉上应用的可行性。 【 关键词】煤气 ； 富氧燃烧 ； 锅炉； 节能 【 中图分类号】 T K 2 2 9 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 6 6 7 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 5 8 0 2 Fe a s i b i l i t y Ana l y s i s o f Ox yg e n-e n r i c h e d Co mbus t i o n o f 1 3 0 t h Ga s fir e d Bo i l e r o f La i wu I r o n & S t e e l Co Lt d S UN Yu， W ANG Zh a n ( n e t P o w e r P l a n t ，L m w u I r o n S t e e l C o ， L t d ，L mw u ，S h a n d o n g 2 7 1 1 0 4 ,C h i n a ) 【 A b s t r a c t 】T h e b a s i c p r i n c i p l e o f n e w o x y g e n - e n r i c h e d c o m b u s t i o n t e c h n o l o g y w a s d e - s c r i b e d T h i s n e w c o mb u s t i o n t e c h n o l o g y wa s c o n t r a s t e d wi t h t h e t r a d i t i o n a l w a y Av a i l a b i l i t y o f t hi s n e w t e c hn o l o gy i n pu r e bl a s t f u r n a c e g a s f i r e d bo i l e r wa s a n a l y z e d f r o m t he a n g l e o f i nc r e a s i n g o p e r a t i o n t he r ma l e ffi c i e n c y o f b o i l e r a n d e ne r gy s a v i n g 【 Ke y w o r d s 】g a s ； o x y g e n e n r i c h e d c o m b u s t i o n ；b o i l e r ；e n e r gy s a v i n g 1 前言 锅炉设备是火力发电厂的三大主机之一。作为 重要的能源转换系统， 其运行效率的高低， 直接关系 到能源利用水平， 关系到企业经济效益的好坏。 莱钢 热电厂银前锅炉车间现有两座 J G 一 1 3 0 3 8 2 一 Q型锅 炉， 负荷为 1 3 0 t h ， 燃料为高炉煤气 ， 助燃气体为空 气。 在燃烧过程中空气中的氮气不参与反应 ， 排烟时 带走大量热量。在炉膛高温区，氮气与氧气发生反 应 ， 产生氮氧化物， 对生态环境造成影响。 锅炉引、 送 风机在运行过程 中带动空气中的氮气做功 ，浪费大 量电能。 引进富氧燃烧技术后 ， 引风机消耗的电量可 以降低到 目前的三分之一。 2 富氧燃烧 的主要技术特点 空气中含氧率为 2 0 9 5 ， 其余为 N 。燃料在燃 烧过程中， 只有氧气与燃料发生反应 ， 氮气无任何有 益的作用 ， 它的存在 ， 不仅增加 了烟气带走的热量 ， 而且在炉型设计时还必须考虑燃烧进行中氮气所 占 用的空间。 而采用富氧燃烧， 即提高助燃空气中氧气 的含量 ， 可以较大幅度地提高炉膛热效率 ， 达到节约 燃料的目的。同时， 由于空气中氮气的减少， 降低了 炉压， 减少炉膛热损失， 避免了锅炉正压引起冒火对 炉门炉墙等设备造成的威胁。 再有 ， 富氧燃烧产物的 辐射能力较一般燃烧产物大大提高，从而强化了对 锅炉换热面的传热效果 ， 提高了热效率。 2 1 节能特性 通过对炉膛 内热平衡测定与计算 ，可以反映出 锅炉对热量利用的好坏程度并可确定燃料消耗量的 大小。 纯燃高炉煤气锅炉无固体燃料和固体排出物， 热平衡表述如下： Q损 = Q化 十 Q s w t - EQ x e - XQ换 热 式 中， Q损 为加热过程中的热损失总和， 就一定 环境和过程条件而言 ， 可 以认定为常数 ； Q化 为燃 料等可燃物在燃烧时放出的能量 ； Q料 气 为加热过 程中各气体组分带人的能量 ； Q气 产 为气体产物排 放时所带走的热量 ； Q换 热 为锅炉水冷壁 、 过热器、 省煤器 、空预器在换热时所吸收的热量 ，即有效热 量。 对一个特定的锅炉 ， Q损、 Q换 热 为定值 ， 上 述平衡关系变为 ： Q化 = + Q, t ： - ZQ料 气 而Q料 气 = Q煤 气 + Q氧 气 + Q氯 气 2Q气 产 = Q气 产 + Q 氮 气 ( 2 ) 、 ( 3 ) 代人( 1 ) 式， 化简为： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) EQ化 + Q煤 气 = x +EQ 气 产 一 Qt + XQ 氮 气 一 Q氯 气 式中， x 是与热损失等有关的定值 ， 为大于零的 2 0 1 1 年第 1 期 总 第 1 4 3期 冶 金 动 力 MF r A I I U R G I C A L P O WE R 5 9 常数 ； Q， 气 产 为气体产物( 除氮气 ) 排放所带走 的热 量； Q ， 氮 气 为产物 中氮气所带人的热量 ； Q氮 气、 Q氧 气 为分别是空气 中氮气与氧气所带入的能量 ， 即 物理热。 采用富氧时 ， 煤气量一定 ， 所需纯氧一定 ， Q ， 气 产 变化不大 。因为氮气量的大大减少 ， 且气体产 物的温度远高于进气的温度 ， 所以 Q， 氮 气 一 Q氨 气 的值减少。富氧燃烧后 ， 由于 X是定值 ， 所 以Q化 + Q煤 气 就减少即燃料减少 ， 能源消耗减少 。 2 2 提高炉内辐射能力 由于 过量冷 空气 进入 炉膛 以及 空气 中含量 7 9 的氮气把原本较高 的炉膛燃 烧温度变低 了很 多。而富氧燃烧时炉膛内燃烧温度一定会 比理论计 算温度高一些 ，这是因为富氧燃烧技术输入的是纯 净的氧气 ， 没有过剩 的空气 和含量 7 9 的氮气参与 整个换热过程。而且纯净的氧气能把原本较难燃烧 的物质也完全燃烧 了。 根据波尔兹曼定律 ， 辐射换热 量和绝对温度的四次方成正比。若两种燃烧方式炉 膛温度相差 1 0 0 c 【= 。 假设常规燃烧时炉膛出口温度 是 1 0 0 0即 1 2 7 3 K 。富氧燃烧的辐射换热量是常 规燃烧的 1 3 5 倍。 富氧燃烧可以提高火焰底部温度 ，并且降低炉 顶温度。 燃料在富氧状态下能降低燃点温度 ， 燃烧速 度加快， 燃烧完全， 从而提高 了火焰强度。降低炉顶 温度 ， 火焰长度缩短， 可以延长炉墙寿命 。 2 3 减排特性 起初 ，富氧燃烧就是简单 的把纯氧添加到助燃 空气中， 以减少燃料 的消耗 ， 但很多时候减少排放物 的效果并不理想。 全氧燃烧由于没有氮气参与燃烧 ， 在减排方面具有很大的优势。目前研究重点尤其放 在如何同时降低 C O 和氮氧化物的排放方面。各国 均致力于研发采用 C O 稀释燃料来降低氮氧化物的 排放。该方法提高了烟气中 C O 的浓度 ，利于 C O 的分离和回收。 常规空气燃烧采用烟气再循环( 相当 于正常燃烧空气体积的 1 5 3 0 ) ，烟道气中氮氧 化物排放量减少 5 0 左右。全氧燃烧对氮氧化物的 减排亦有显著效果。采用烟气再循环结合富氧燃烧 技术 ， 减少烟气带走的热量 ， 具有显著的节能效果。 3 富氧燃烧需要在现有基础上的改造措施 虽然富氧燃烧的烟气体积大为减小 ，但其炉膛 燃烧温度 比以前要高 ，也就是说炉膛 的容积热强度 要有提高。而炉膛容积的设计主要考虑了炉膛容积 热强度， 对燃烧产物的多少是次要考虑因素 。 所以富 氧燃烧锅炉的炉膛设计和常规燃烧锅炉的炉膛设计 可以基本相同， 但要在 以下几个方面进行改造 。 ( 1 ) 燃烧器的材料要求耐高温、 耐氧化， 可以考 虑用新材料替代 ； ( 2 )因为富氧燃烧锅炉的燃烧产物容积要减少 一 半左右， 所以炉膛出lZ l 烟窗的流通截面要缩小一 些 ，即引风机人 口烟道横截面积应缩小至 目前的一 半 ； ( 3 ) 炉膛膜式水冷壁的鳍片宽度应该小一些 ， 因 为炉膛的辐射热流密度可能会使鳍片顶端的壁温升 高。 4 莱钢应用富氧燃烧技术的前景展望 莱钢热 电厂现有七 台 1 3 0 t h纯燃高炉煤气锅 炉 ， 冬季采暖期蒸汽需用量较大， 已经连续五年开启 小锅炉投煤粉燃烧。 1 3 0 t h 锅炉的高产量运转使炉 体受损严重，经常出现排烟温度较高和炉压较高的 问题。 排烟温度较高不仅容易烧坏换热器， 还大大降 低了炉膛的热效率。 炉膛压力过高， 一方面限制了蒸 汽温度控制的准确性 ； 另一方面 ， 容易产生 冒火现象 对炉门等设备的安全造成威胁 ， 增加炉膛热损失。 为 了适应蒸汽高产量生产的需求 ，有必要对锅炉进行 技术改造 。 在钢铁企业大量使用氧气的背景下，富氧燃烧 技术成为可能。因为采用富氧燃烧可以较大幅度减 少空气消耗量和烟气生成量，减少烟气带走的热损 失 ，从而大大提高炉膛热效率 ，达到节约燃料的目 的。根据估算 ， 莱钢 1 3 0 t h锅炉如果采用富氧 3 0 的空气 ， 燃耗可 以降低 6 ； 采用 富氧 4 0 的空气 ， 燃耗可降低 1 0 。另一方面 ， 由于烟气生成量的大 幅度减少， 烟气流动阻力降低， 在大负荷运转时炉压 也不会超出控制范围，可 以大幅降低锅炉引风机电 耗。 参 考 文 献】 【 1 1 汪全青 富氧和全氧燃烧的优越性啪 中国玻璃 2 0 0 0 ， 2 6 2 】 赵镇南， 传热学 M 】 北京： 高等教育出版社 2 0 0 8 【 3 】 周强泰 锅炉原理 M 】 北京：