（环境工程专业论文）以炼铁废气为燃料的环保型高炉煤气锅炉的设计与运行管理.pdf

同济人学1 ：程硕士论文 摘要】 摘要 在生产中做到尽可能少地排放污染物，做到资源的循环利用， 有利于可持续发展。冶炼钢铁时会产生大量的废气一高炉煤气， 作为一种巨毒、易爆的废气，由于其极低热值等特性，不能用于 其他工业中，只能用于动力锅炉这种设备。但因其这种特性使得 在设计锅炉时要考虑许多特殊的结构和布置，否则锅炉不能安全 运行。本文详细分析了高炉煤气的特性，提出了：1 、锅炉的总体 设计- 炉膛出口温度控制在8 7 0 ；2 、燃烧器设计成旋流式且在 出口设置稳焰器，选择合适的煤气燃烧器内煤气、空气流动速度、 旋流叶片的角度；3 、在炉膛设置炉内蓄热稳燃装置，这些保证了 高炉煤气的安全、稳定地燃烧，为这种废气治理设备的主要部件 提供设计理论依据。最后为使用提供操作运行这种设备的方法。 关键词：废气锅炉设备设计依据操作运行 同济大学工程硕士论文 【摘要】 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n ，w es h o u l dr e d u c et h ed i s c h a r g ea m o u n to f c o n t a m i n a n t ，m a k eu s eo fr e s o u r c esi nc i r c u l a t i o n r e u s eo fi t , m a k er e a l i z a t i o n o fs u s t a i n i n gd e v e l o p i n g b l a s t 如w n a c eg a s ( b f g 、卜- _ p r e d u c e dag r e a td e a li n p u d d l i n g , a sak i n do fv i r u l e n ta n de x p l o s i v eo f f g a s ，f o rt h ec h a r a c t e r i s t i co fi t s b a l l yn e tc a l o r i f i cp o w e r , c a n tb eu s e di na n yo t h e ri n d u s t r i e sb u tp o w e rb o i l e r h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fb f g m a n ye s p e c i a l s t r u c t u r ea n d c o l l o c a t i o ns h o u l db ec o n s i d e r di nb o i l e rd e s i g n ，o re l s et h eb o i l e rc a n to p e r a t e s a f e l y i nt h i sa r t i c l e , w ea n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fb f gi np a r t i c u l a r , a n d o f f e r e dt h r e ep o i n t so f t h ed e s i g na s 1 g e n e r a ld e s i g no f b o i l e r ：t e m p o f b o i l e rf u m a c eo u t l e ts h o u l db ec o n t r o l l e d a t8 7 0 2 b u r n e ri ss w i r l t y p ea n dt h e r ei sas t e a d yf l a m ed e v i c ea tt h eo u f l c lc h o o s i n g t h ea p p r o p r i a t eg a s a i rr e l o c i t ya n dt h ea n g l eo f i n t e r a n c eo f t h eb u r n e r 3 a h e a tr e s i s t i n gs t a b i l i z e ri nt h eb o i l e rf n l t l a c e a l lo f a b o v ee n s u r e dt h es a f e t ya n d s t a b i l i t yo f c o m b u s t i o no f b f c a l s oo f f e r e d d e s i g nt h e o r ya c c o r d i n go fp r i m a r yp a r to fo f f g a sd i s p o s a ld e v i c e a tl a s t ，w e o f f e r e dt h em e t h o do f o p e r a t i o no f t h i sk i n do f e q u i p m e n t k e yw o r d s ：o f f g a s ，b o i l e rd e v i c e ，d e s i g na c c o r d i n g ，o p e r a t i o n u 同济大学工程硕士论文 【主要符号表】 主要符号表 拉丁字母符号 v # 1 每吨生铁产生的煤气量，n m t c m 每吨生铁消耗的焦炭中的固定碳，k g t c 每吨生铁消耗的油中的固定碳，k g t c m 每吨生铁消耗的煤中的固定碳，k g t c * 每吨生铁消耗的熔剂中的含碳量 c h 炉料中固定碳含量，k g t c 生铁中的含碳量，k g t c 炉尘中含碳量，k g t c 浓度， v 体积，m 3 i 烟气焓，l u 小m 3 i 蒸汽焓，k j k g q 热量，k j 门n m 3 u 速度，m s g 角动量通量 y 旋转射流的轴向分速度，m s p 静压力，m e a s 表示旋转射流的旋转强度 d 燃烧器出口直径，m s t 温度， e 反应活化能 m 质量，k g a r n e t p 收到基定压低位净含量 脚注符号 v i 同济大学工程硕士论文 【主要符号表】 o 基本值 。烟气 r 0 2 三原予气体 n 2 氮气 h 2 0 水蒸汽 k 空气 ”烟气或蒸汽出口 7 烟气或蒸汽进口 。过热蒸汽 。给水 ：，再热 。卷吸 b 壁面 h 火焰 表： 基本物理量及符号简介 本文全部采用国际单位制( s i ) 单位，现将所用的单位及符号介绍于下 主要单位参考单位 物理量 名称符号换算关系名称符号换算关系 千克 k g 吨 t l t = l o o o k g 质量克 gl k g = l o o o g 毫克 m gl g = l o o o m g 摄氏度 温度 开氏度 ko = 2 7 3 k 面积 平方米 m 2 立方米 m 3 升 l l m = 1 0 0 0 l 体积 标准立方米 n m ， 百分含量 浓度 百万分含量 p p m i 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果，撰写成硕士学位论文“以炼铁废气为燃料的环保型高炉煤气锅炉的设 计与运行管理”。除论文中已经标明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明 确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：q 、1 。琴 翮年亨, q s q l t 同济大学工程硕士论文【正文l 1 1 综述 第一章绪论 自十九世纪以来，随着各国工业化程度的不断提高。社会经济高 速发展，特别是近几年国内经济在改革开放以来的快速发展，人们对 钢铁的需求量越来越大，2 0 0 4 年全年的钢铁消耗量为2 9 亿吨，到 2 0 0 8 年预计可达到3 7 亿吨。在冶炼生铁时，焦碳、煤粉与铁矿石进 行燃烧反应，其反应的化学方程式如式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 。 2 c + 0 2 = 2 c o t 2 c o + f e 2 0 3 = 2 f e + 2 c 0 2 1 c + 0 2 = c 0 2 t ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) f 1 - 3 ) 冶炼生铁过程副产品即为高炉煤气，高炉煤气的产生量一般是根 据高炉中碳的平衡来计算的。公式如式l 一4 ) ： 气= 号熹杀鲁瓮卷 式中c 0 2 、c o 、c h 4 一煤气中这些成分的相应体积百分比，。 一 钢铁企业是国民经济产业中的耗能大户，冶炼一吨生铁约耗焦碳 6 5 0 k g 及其他燃料，同时燃烧反应后生成的尾部废气就是高炉煤气， 每冶炼一吨生铁就会产生约3 0 0 0 n m 3 的高炉煤气，可见产生高炉煤气 的量为4 3 5 0 亿n m 3 ( 炼钢时约用废钢) ，此量是相当大的。充分利用 高炉煤气这种副产品，对降低大气污染、吨钢耗能和节约能源有着重 大意义。 高炉煤气为多种气体的混合气体，气体成分主要有n 2 、c 0 2 、c o 、 h 2 、c h 4 等，表1 1 列有高炉煤气的成分和发热值的数据，同时因高 炉煤气的除尘不可能1 0 0 ，含有少量的灰尘，一般为1 0 r a g n m 3 以 下。 同济大学工程硕十论文 【止文】 1 1 综述 第一章绪论 自十九世纪以束，随着各国工业化程度韵不断提高社会经济高 速发展，特别是近几年国内经济在改革开放以来的快速发展，人们对 钢铁的需求量越来越人，2 0 0 4 年全年的钢铁消耗量为29 亿吨l ，到 2 0 0 8 年预计町达到3 7 亿吨。在冶炼生铁时，焦碳、煤粉与铁矿石进 行燃烧反应，其反应的化学方程式如式( 1 一i ) 、( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 。 2 c + 0 2 = 2 c o t( i 一1 ) 2 c o + f e 2 0 3 = 2 f e + 2 c 0 2 t( 1 2 ) c + 0 2 = c 0 2 t( 1 - 3 ) 冶炼生铁过程副产品即为高炉煤气，高炉煤气的产生量一般是根 据高炉中碳的平衡来计算的。公式如式1 4 ) ： 矿一c 焦+ c 油+ c 挥+ c 蝽c 科一c 铁一c 攥 煤气一t i i i l j 了_ i l j ；_ = f 云五_ 1 了j 三j r 一 式中c 0 2 、c o 、c h 4 - - 煤气中这些成分的相应体积百分比，。 钢铁企业是国民经济产业中的耗能大户，冶炼一吨生铁约耗焦碳 6 5 0 k g 及其他燃料，同时燃烧反应后生成的尾部废气就是高炉煤气， 每冶炼一吨生铁就会产生约3 0 0 0 n m 3 的高炉煤气，可见产生高炉煤气 的量为4 3 5 0 亿n m 3 ( 炼钢时约用废钢) ，此量是相当大的。充分利用 高炉煤气这种副产品，对降低大气污染、吨钢耗能和节约能源有着重 人意义。 高炉煤气为多种气体的混合气体，气体成分主要有n 2 、c 0 2 、c o 、 h 2 、c h 4 等，表1 1 列有高炉煤气的成分和发热值的数据，同时因高 炉煤气的除尘不可能1 0 0 ，含有少量的灰尘，一般为1 0 m g n m 3 以 炉煤气的除尘不可能1 0 0 ，含有少量的灰尘一般为1 0 m g tn m 3 以 下。 同济大学工程硕士论文 【正文】 高炉煤气中的c o 对人体及动物是有毒的，当空气中c o 浓度大 于1 5 0p p m 时，短时间内就会使人及动物因缺氧引起头疼、眩晕，甚 至窒息死亡等中毒现象。另外，高炉煤气与空气在一定比例下会形成 爆炸气体其爆炸极限为3 5 7 1 【4 1 。因此高炉煤气为一种剧毒危险气 体。 表1 1 高炉煤气的成分和发热值 2 1 成分( ) 发热值 c o c 0 2h 20 2n 2 ( k j n m 3 ) 高炉煤气 2 32 02o5 53 0 5 6 高炉煤气气体组分中可燃气体主要为c o ，所含不参与燃烧的惰 性气体( c 0 2 、n 2 ) 较多，单位气体体积的发热值一般为 q a r n e t p 5 4 0 0 0 k j n m 3 ，称为极低热值煤气。 因其利用价值少，且利用有一定的困难，以往人们基本上不将其 作为燃料使用而是将其放散( 即排入大气) ，这样一方面造成大气污 染，另一方面浪费能源。据不完全统计，全国主要钢铁企业每年高炉 煤气的放散率在1 0 左右，直接损失就多达十多亿元。近年来，随着 人们对环境保护的意识加强，对能源利用的自觉性不断提高，因而各 钢铁企业对高炉煤气的综合利用越来越重视，相关企业也在探索解决 其对大气的污染及回收资源的方法，但其所含气体成分主要为小分子 气体，不能用于除燃烧外的其他化学工业。 高炉煤气燃烧后，有效地消除了c o 对环境的污染，但由于其燃 烧时的火焰温度较低，且气体中的高浓度惰性气体使其火焰的传播速 度小，容易脱火，燃烧火焰极不稳定。所以只在冶金工艺的某些特定 工段使用，用于动力锅炉则必须采取一定的稳燃措施。 作为气体燃料，燃烧时为单相燃烧，有其燃烧速度快，燃烧较为 完全的特点。燃烧设备设计得好，高炉煤气也可以作为一种较好的动 力锅炉燃料，可以很简单地解除其对大气环境的污染，同时回收了能 源，做到了能源的循环利用，走上了能源的可持续发展之路，提高了 2 同济犬学1 ：程硕士论文 正文】 钢厂的经济效益。但作为低热值煤气，1 、其完全燃烧的条件高，高 炉煤气的着火温度要到5 3 0 6 6 0 ，同时混合气体中高炉煤气的浓 度仅在3 5 7 1 的范围内才能燃烧，如混合不好，其燃烧就不完全、 燃烧就不安全；2 、完全燃烧放出的热量也不高，火焰中心的温度仅 为1 2 5 0 1 3 0 0 * ( 2 ；3 、单位体积的高炉煤气完全燃烧消耗的空气量 较少，但其产生的烟气量却大， 1 2 高炉煤气锅炉的发展概况 高炉煤气锅炉的发展随着锅炉的燃烧技术的发展经历了链条锅 炉掺烧高炉煤气、煤粉锅炉掺烧高炉煤气、焦炉煤气高炉煤气混烧锅 炉和纯烧高炉煤气锅炉等阶段。 ( 1 ) 链 条锅炉掺烧高 炉煤气锅炉 在高炉容量较 小的早期，为 、 摸索燃烧高炉 煤气的技术， 在原有的链条 锅炉中设计改 装上预混式燃 烧器，就可烧 高炉煤气，简 图见图1 - 1 。 图i 1 链条锅炉掺烧高炉煤气简图 采用这种方法简单方便，但在运行时，链条也要运行，煤仍然要给入，链 条上有一层红热的煤渣层，此渣层对对进入的混合气体有加热作用，对煤气的 燃烧有帮助作用。 同济大学：工程硕士论文 【正文1 这种锅炉因炉排还要运行而不能全烧高炉煤气，过热器一般为了 保证在没有高炉煤气时的运行按全烧煤设计，也会因掺烧高炉煤气烟 气量大而超温，同时受链条锅炉容量的限制，单台锅炉消耗高炉煤气 的量不大，要消耗大量的煤气就要很多台锅炉，这样运行管理也不便， 只在一些年产量低于5 0 万吨的小型钢厂采用这种炉型。 ( 2 ) 煤粉锅炉掺烧高炉煤气 煤粉锅炉的燃烧为悬浮燃烧，这种燃烧方式与高炉煤气的燃烧很 相似，只要在煤粉燃烧器的下部装设煤气燃烧器即可成为掺烧高炉煤 气锅炉，简图见图1 2 。这种锅炉的本体结构与煤粉锅炉相比变化不 大，但锅炉的额定工况设计还是要以烧煤为主，否则就不能保证锅炉 在锅炉启动时因此时没有高 炉煤气的过热蒸汽参数的正 常。同时要配备两套燃料制 各输送系统，工程造价很高。 由于高炉煤气燃烧速度 要大大快于煤粉的双相燃烧 速度，燃尽时间短于煤粉的 燃尽时问，在燃烧时就要做 到高炉煤气与空气的混合比 例最佳，在煤粉燃烧器的下 部就有足够的氧气，使高炉 煤气在此区段内就获得足够 的氧气，否则高炉煤气燃烧 时会与煤粉争夺氧气，使煤 粉燃烧区域缺氧，煤粉燃烧 不完全，锅炉效率大大降低。 高炉煤气的燃烧为扩散燃烧， 高炉 图1 2 煤粉锅炉掺烧高炉煤气简图 要做到煤气与煤粉不争氧，工程上往往 较难。此种锅炉在各钢厂使用较少，一般用在新建钢厂且无其他气源 4 同济大学t 程硕十论文 【止文】 又要使用汽轮鼓风机( 一种给高炉送风的由汽轮机带动的高压头大型 风机) 的项目中。 ( 3 ) 焦炉煤气掺烧高 炉煤气锅炉 低热值煤气，其完全燃 烧的条件高，完全燃烧放出 的热量也不高，燃烧就不完 全、燃烧不安全，人为提高 其热值就可以使其燃烧放 出的热量多，燃烧温度高， 燃烧完全且安全，图1 3 为 高炉煤气与焦炉煤气混烧 锅炉的简图。 一般钢铁厂也有焦炉， 有一定量的焦炉煤气，但焦 炉煤气是城市管道煤气的主要 气源，在钢厂的各工段如炼 钢、轧钢、烧结也在用此气体， 能给锅炉使用的量少，这也给 锅炉的安全稳定运行也带来严 重的威胁。同时焦炉煤气的价 值高，用于动力锅炉其经济性 也不好，这种锅炉也较少。 ( 4 ) 纯烧高炉煤气锅炉 随着各钢铁企业对高 炉煤气的综合利用较为重 视，对高炉煤气的燃烧特性 图卜3 高炉煤气与焦炉煤气混烧锅炉简图 高炉 高炉 图i 4 纯烧高炉煤气锅炉简图 认识更加透彻及技术的进步，纯烧高炉煤气的锅炉也进一步开发成功，它的成 同济入学工程硕士论文【正文】 功运行，减少了烧高炉煤气时对其他燃料的依赖，同时又减化了锅炉的辅助系 统，减少了系统的投资，做到了投资的最佳化。图1 - 4 为纯烧高炉煤气锅炉的简 图。 1 3 本论文的研究内容和任务 高炉煤气因其为低热值气体燃料，高炉煤气锅炉有其燃气锅炉的 属性，但更有其燃料热值低的特性。对二f 高炉煤气锅炉，其设计要点 有： ( 1 ) 合理分配各受热面的吸热比，科学地布置锅炉的结构。 ( 2 ) 要及时地使煤气与空气混合良好，使混合气体中高炉煤气达到 着火浓度；尽快使混合气的温度升高到着火温度。 ( 3 ) 高炉煤气燃烧时不易回火，面易脱火，在燃烧区域尽量提高其 温度场温度，使燃烧时火焰稳定和燃烧安全。 ( 4 ) 在消耗废气回收能源时减少新的污染。 本论文以江联公司的纯烧高炉煤气锅炉为原型，根据高炉煤气生 成烟气的焓与温度变化关系、旋转射流流理论、点火的“零值边界梯 度”物理模型、n o x 的生成机理，主要研究； ： ( 1 ) 纯烧高炉煤气锅炉的热量分配及其对策。 ( 2 ) 双旋流燃烧器的工作原理及设计参数。 ( 3 ) 高炉煤气炉内蓄热稳燃装置的工作原理。 ( 4 ) 通过对n 0 x 生成机理的讨论，确定燃烧器的设计方向。 ( 5 ) 为易爆剧毒气体的高炉煤气，提供安全操作运行准则。 通过以上的研究，确定纯烧高炉煤气锅炉的最佳结构形式、燃烧 器最佳结构。其余的设计思路、方法与普通锅炉一致，为最大化消耗 掉高炉煤气、减少高炉煤气放散对大气环境的污染的锅炉设计提供理 论设计依据，同时为各钢厂的操作运行人员提供运行理论依据等。 6 同济大学一程硕士论文【正文】 第二章高炉煤气锅炉的燃烧特性和热量分配 2 1 高炉煤气的燃烧特性 高炉煤气中的主要可燃成分为c o 和h 2 ，其燃烧方程式为： 2 c 0 + 0 ：= 2 c 0 ：+ 1 2 6 4 4 k j n m 3( 2 - 1 ) 2 h 。+ 0 ：= 2 h ：o + 10 7 9 4 k j n m 3 ( 2 - 2 ) 由煤气的成分及式2 - 1 ) 、2 - 2 ) 可计算出高炉煤气的低位发热值。 由煤气的成分及式2 1 ) 、2 - 2 ) 可计算出参与燃烧的空气量。实 际工程中用2 - 3 ) 来计算煤气的耗空气量： v o = 4 7 6 0 5 h ：+ 0 5 c 0 + e ( m + n 4 ) c h 。+ 1 5 h ：s - o ： ( 2 3 ) 式中 v o 一一理论耗空气量，n m 3 煤气n m 3 空气； h 。、c o 、c h 。、h 2 s 、0 ：一煤气中各种可燃组分的体积 百分数，； 高炉煤气中可燃成份少，每立方米煤气燃烧时参与燃烧的空气也 少，表2 1 列有烟气量、三原子气体体积、氮气体积和水蒸汽体积的 计算，高炉煤气的耗量气量在o 5 8 o 7 n m 3 n m 3 之间。在但要产生相 等的热量，所需要的高炉煤气量就要大。 高炉煤气燃烧后产生的烟气量可由式( 2 - 4 ) 来计算： v y o = v r 0 2 + v n 2 0 + v h 2 0 0 ，n m 3 n m 3 ( 2 - 4 ) 式中v r 0 2 一三原子气体体积，按式( 2 - 5 ) 计算： v r 0 2 = 0 0 1 ( c 0 2 + c o + m c h 。+ h 2 s )( 2 - 5 ) v n 2 0 一烟气中氮气体积，按式( 2 - 6 ) 计算： v n 2 0 = o 7 9 v o + o 0 i n 2( 2 - 6 ) v h 2 0 0 - 烟气中水蒸汽体积，按式( 2 7 ) 计算： v h 2 0 0 = o 0 1 【h 2 + h 2 s + 0 5 n c h 。+ 1 2 0 ( d 。+ v o d & ) ( 2 - 7 ) 7 同济人学j ：程硕士论文 【止文1 由式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) 计算出的烟气量、三原子气体 体积、氮气体积和水蒸汽体积见表2 1 。 表2 一l 烟气量、三原子气体体积、氮气体积和水蒸汽体积 v 。= 4 7 6 0 5 h 。+ o 5 c o + ( m + n 4 ) c 。h 。+ 1 5 h 。s o 。0 5 9 5 n m 3 n m 3 v 。：= 0 0 1 ( c 0 2 + e o 十em c 。h 。+ 1 4 ：s )0 4 3 n m l n r a ： v n 。o = 0 7 9 v o + o 01n2 1 0 2 n m3 n m 3 v 2 0 0 = o 0 1 h 2 + 1 4 2 s + e0 5 n o 。h 。+ 1 2 0 ( d 。+ v o d 。) 0 0 3 8n m3 n m 3 v t o = v r 0 2 + v h 2 。+ v h z o o1 4 8 8 n m 3 n m 3 由高炉煤气本身带入烟气中的惰性气较多，每立方米高炉煤气就 要带入o 7 5 立方米的n 2 和c 0 2 ，锅炉出口每立方米高炉煤气产生的 烟气高达1 6 1 8n m 3 f n m 3 ，由此可见其燃烧后每放出单位热量所产 生的烟气为燃煤时的烟气量的1 5 倍左右。 2 2 高炉煤气的燃烧温度和烟气焓的计算f 3 1 【1 5 儿 燃料和空气送入炉内进行燃烧，它们带入的热量包括两部分：其 一是由燃料和空气带入的物理显热( 燃料和空气的焓) ；其二是燃料 ： 的化学热量( 发热值) 。 如果燃烧过程在绝热条件下进行，上述两种热量全部用于加热烟 气本身，则烟气所能达到的温度为理论燃烧温度，也称热量计温度。 标准状态下燃料燃烧前后的热平衡方程式为 qa rn c t p + q g + q 。= i o ( 2 - 8 ) 式中 l o - 燃烧后产生的烟气的理论焓，k j n m 3 ； q 。t 。一燃料的低位发热值，k j f n m 3 ； q g 燃料的物理显热，k j n m 3 ； q a 一由空气带入的物理显热，k j n m 3 ，其由式( 2 - 9 ) 计 同济大学：1 = 程硕士论文【正文】 算； q a = ( 1 ) i k o ( 2 - 9 ) 式中i k o 为各理论空气量与0 c 至t 的平均比热之乘积。 燃料的物理显热可由燃料的温度及其组分查气体的0 至t 的平 均比热表按比例求得；高炉煤气锅炉的煤气一般不预热，其空气预热 至3 7 0 。c ，燃烧器入口的过量空气系数假定为1 1 ，由式( 2 - 9 ) 可计 算出q 。= 3 2 7 1 k j n m 3 ，由式( 2 - 8 ) 可计算出燃烧后产生的烟气的理 论焓为3 4 6 7 1 k j n m 3 ，高炉煤气的理论燃烧温度查表2 2 可知，仅为 1 2 9 5 。 实际烟气是多种气体的混合物，其焓值等于理论焓值、过量空气 焓之和，即 l y = i y 0 + ( a - 1 ) i k ok j n m 3 ( 2 - 1 0 ) 式中l 。o 烟气中各气体组分的烟气的焓的总和，k j n m 3 ；按式 ( 2 1 0 ) 求得。 i y 0 = i r 0 2 + i n 2 + i h 2 0 ，k j ，n m 3 ( 2 1 1 ) 式中i r 0 2 烟气中三原子气体的焓，k j n m 3 ； i n 2 烟气中氮气的焓，k j n m 3 ； i t t 2 0 烟气中水蒸气的焓，k j n m 3 ； i r 0 2 、i n 2 、i h 2 0 、i k o 分别为各烟气组分的容积与0 x 2 至t 的平均 比热之乘积。 表2 2 为计算后的烟气焓值表。 2 3 主要部件的吸热变化 给水经锅炉加热成过热蒸汽主要要经过水冷壁、过热器、再热器、 省煤器四个主要部件，在水冷壁中吸收蒸发热，使水汽化为饱和蒸汽； 在过热器中使饱和蒸汽加热成合格的过热蒸汽；从汽机抽出来的低 压、低温蒸汽经过在热器加热后在送回汽机做功，在省煤器中把给水 9 同济大学工程硕士论文 旺文】 加热；合格蒸汽所拥有的热量可以用蒸汽的焓来表示，1 k g 水从进入 锅炉到出锅炉，成为合格的过热蒸汽所吸收的热量由四部分组成，即 i = ig r i i 。= ( i 。，一i ”) 十( i ”一i ) + ( i7 一i 。；) + ( iz ，”一i7 ) 式中i 。，一过热蒸汽的焓，k j k g ； i 。；一给水的焓，k j k g ； i ”一饱和蒸汽的焓，k j k g ； i 一饱和水的焓，k j k g ； ( i 。，一i ”) 一一过热吸热量 ( i ：，”一i7 ) 一再热吸热量 ( i f f - i ) 一蒸发吸热量 ( i - i 。) 一加热吸热量 蒸汽给水 过热再热 加热热汽化热 过热热过热热 压力温度 蒸汽蒸汽 温度温度 钐沁划 m p o 13 75 0 】6 7l0 03 7 5 钐稔蕊粼，州。 391 7 25 4 0 黝心蕊淤渊m a z 9 92 1 5 4 5 0 彩熬瀵墓蕊蕙阏隔2 9 , b ： 1 3 82 4 05 7 0 绣臻粼j 3 4 ： 1 3 82 4 05 5 5 5 5 5够蕤娥划擀8，es z 图2 - 1 不同蒸汽参数的锅炉的加热热、汽化热、过热热及在热热的分配比例 由水蒸汽的性质知，压力升高，蒸发吸热量( i ”- i ) 越来越小， 到临界压力为零，到超临界压力就没有蒸发吸热了，因此需要的蒸发 1 0 同济大学工程硕士论文 【正文l 受热面就越来越小了。图2 1 为不同蒸汽参数的锅炉加热热、汽化热、 过热热及在热热的分配比例图。 表2 - 2 焓温表 温度v 眦= o 4 3v 0 = 1 0 2v ? = 0 0 3 8 2n m i 暑1 + 2 + v 。= 0 5 9 5 n m j n m 3 n 舻n m 3n m 3 坩 n m 。3 ( c 。1( c 。0 )2( c脚34 ( c 。o ) r 0 ) v 呦 v h 2 0 ) v o k j n 一 1 0 0 1 7 0 7 3 11 3 01 3 2 6 1 5 0 75 82 l i 51 3 2 37 8 7 2 0 03 5 7 61 5 3 82 6 02 6 5 23 0 4 41 1 6 4 3 0 62 6 6 3 1 5 8 4 3 0 05 5 8 92 4 0 33 9 23 9 9 84 6 2 61 7 76 5 7 84 0 2 82 4 0 4 0 07 7 23 3 25 2 6 75 3 76 2 6 32 3 9 8 9 2 ，9 5 4 2 3 2 2 5 0 09 9 6 54 2 96 6 46 7 77 9 53 0 41 1 3 66 8 4 14 0 7 6 0 01 2 2 35 2 6 8 0 4 8 2 09 6 73 71 3 8 38 3 04 9 4 7 0 01 4 1 66 0 99 4 69 6 51 1 4 74 41 6 1 89 8 05 8 3 8 0 01 7 0 47 3 31 0 9 31 1 1 5 1 3 3 6 5 1 1 8 9 91 1 3 06 7 2 9 0 01 9 5 18 3 91 2 4 31 2 6 81 5 2 45 8 2 1 6 5 1 2 8 l 7 6 2 1 0 0 02 2 0 29 4 71 3 9 41 4 2 21 7 2 56 6 2 4 3 51 4 3 68 5 4 1 1 0 02 4 5 81 0 5 71 5 4 51 5 7 61 9 2 67 42 7 0 71 5 9 59 4 9 1 2 0 02 7 1 71 1 6 81 6 9 6 1 7 3 02 1 3 18 12 9 7 91 7 5 41 0 4 4 1 3 0 02 9 7 71 2 7 l1 8 5 11 8 8 8 2 3 4 5 9 0 3 2 4 91 9 1 31 1 3 8 1 4 0 03 2 4 11 3 9 42 0 1 02 0 5 02 5 5 89 8 3 5 4 22 0 7 71 2 3 6 同济大学工程硕士论文 【正文】 续表2 2 温度i ，= i y o + ( a 一1 ) i ok j n 一 iyiyiy i ，i ，i ， l ， a = 1 2a = 1 2 3 高a = 1 2 7 低a - 1 3 上级a - 1 3 5 上级a = 1 4l = 1 4 5 卜级 炉膛 温过热器温过热器省煤器空气预热器 r 级省煤器 空气预热器 1 0 02 4 7 2 0 0 4 9 45 0 2 3 0 0 7 3 0 7 4 17 5 4 4 0 0 9 9 01 0 0 6 5 0 0 1 2 4 6 6 0 01 5 1 6 7 0 0 1 7 5 2 8 0 0 2 0 3 32 0 5 4 9 0 0 2 3 1 7 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 03 4 7 7 1 4 0 03 9 5 7 随着压力提高，过热蒸汽温度也有所提高，在同样的温度下，i 。， 有所下降，当然，饱和蒸汽的焓i ”也减小，图2 1 所示，但因过热 蒸汽温度提高了，故过热蒸汽吸热量随压力升高要增大。 水加热到饱和水所吸收的热量( i 一i 。) 中，因为热力循环中采用 回热循环，即汽机抽汽加热给水，使给水温度有所提高，但饱和水焓 i7 因压力而提高的数值大于i 。提高的数值，而使加热水吸收的热量 因压力提高而增加。 旦堕查堂t 程硕士论文【正文】 这样压力升高对锅炉三个主要部件的吸热比例发生了改变。例如 p = 1 3 m p a 的饱和蒸汽锅炉，此时蒸发吸热量占整台锅炉的3 4 ；在 p ：3 8 m p a ，t 。= 1 0 4 的锅炉中，蒸发吸热量占约5 8 4 ，加热吸热量 占约2 3 2 。 2 4 高炉煤气锅炉的炉膛吸热量及其影响因素 图2 2 是一台13 0 t h 中温中压高炉煤气锅炉示例 该台锅炉过热蒸汽压力为3 8 2 m p a ，过热蒸汽温度为4 5 0 ，给 水温度为1 0 4 。该台锅炉在炉膛出口布置了凝渣管束5 ，在水平烟 道内布置有高温过热器6 和低温过热器7 ，在尾部烟道交叉布置有高 温省煤器8 、高温空气预热器9 、低温省煤器1 0 、低温空气预热器1 1 。 假设炉膛出口的烟气温度为8 7 0 c ，由式2 - 1 1 ) 可求得炉膛出口 的烟气焓为i ，”= 2 2 3 1 8 k j n m 3 ，此时炉膛的吸热量为： q i ，= l o i ，”= 3 4 6 7 卜2 2 3 1 8 = 1 2 3 5 3 k j n m 3( 2 1 2 ) 这个只占整个吸热量的4 5 5 ，与蒸发吸热比还少1 2 9 ，也就 是炉膛的吸热量不足。 1 3 同济大学工程硕士论文【正文1 (f 疆三 二隧p 等二二j 一j 。奄 勃j 荨黼，7 厂十 l d 刽，l l 披蝣 - h 艄， l ，1 甥 苫，蓊 。l 。一q 芎咯 书 ；6 ： 蠖” 、蓬 q 垂 ，1 1 囊 书 、 l 粤蟛 眦，1 | | i 目墨= 墨 玉 蕙 6 33 6 j3 6f 一 7 彗 丑 薏 。+ 1，、i 餐 三 罩。1熬 而一：8 铷， 皿句， 塞!耋 年- _ 日_ 一斗孵嘲 1雌。名出 萨匿r偶 、 臣乒悯 笪 太夕 萝 1 j 印胗j = = j 蹋糊 jj ， 国固国w 一 r 1。一。一 9 s - i 0 1 一一 = r 1 1 r 1 1 9 0 03 8 8 0 图2 2 中温中压l3 0 t h 高炉煤气锅炉简图 1 一煤气燃烧器；2 - - 炉内蓄热稳燃器；3 - - 水冷壁：4 - - - 锅筒； 5 - - 凝渣管束；6 - - 高温过热器；7 - - 低温过热器；8 - - 高温省煤器 9 - - 高温空气预热器；1 0 - - 低温省煤器；1 1 一低温空气预热器； 1 4 同济大学。i i 程硕士论文 【正文】 由式( 2 1 2 ) 可知，炉膛的吸热量与烟气的理论焓和炉膛出口烟气 焓密切相关，烟气的理论焓的增加和炉膛出口烟气焓的减小就可增大 炉膛的吸热量。 由于烟气理论焓为燃料的低位发热值与燃料的物理显热和空气 带入的物理显热三者的总和，提高高炉煤气和参与燃烧的空气的入炉 温度就可提高烟气的理论焓，相当于提高了煤气的发热值。 工程中采用在锅炉尾部设置空气预热器和煤气预热器，利用锅炉 本身的热量来加热煤气和空气的办法，次方法使热量循环利用，不用 外来热源，此方法简单方便。 理论上讲，煤气和空气的预热温度越高，炉膛吸的热量就越多； 但煤气和空气的温度越高，其安全性就越差，同时系统煤气侧、空气 侧的管道、调节阀门和控制系统会因温度的提高而要求大大升高，系 统投资加大：综合起来，煤气的入炉温度一般控制在2 0 0 以下，入 炉空气的温度控制在接近4 0 0 为最佳。 降低炉膛出口的烟气温度，就可炉膛出口烟气焓的降低；但由燃 烧理论可知，温度越高，燃烧反应的速度也越快，煤气在炉膛内停留 的时间内可尽快地燃烧干净；煤气的起燃温度高，在炉膛温度低于起 燃温度时，火焰就会熄灭：同时在水平烟道布置了过热器，过热器的 进口烟气温度过低，其传热温差就小，要使蒸汽达到合格要求，布置 的受热面积就庞大，这也很不经济，因此综合考虑，炉膛出口的温度 定在8 7 0 左右为最佳，而此时炉膛的吸热量还差1 2 9 。 2 5 凝渣管束的作用 上述分析了中温中压锅炉的炉膛，在炉膛出口温度为8 7 0 时， 炉膛的吸热量还不足蒸发吸热量，剩余的热量就要利用对流受热恧来 补充。最常见的是在炉膛出口设置对流管束，管束的上下两端采用胀 接或焊接的办法与上下两锅筒连接，管束呈行列布置，横向、纵向节 同济大学工程硕士论文 【l e 文1 距一般为9 0 1 2 0 m m ，管子中的水和汽水混合物自然循环流动。 锅炉管束中管子较多，若管束中闻有根管子损坏( 通常多是腐蚀 而损坏) ，修理十分困难，只能在锅筒内把管子两头堵住焊起来，这是 这种结构的一大缺点。 图2 2 中，炉膛出口设置了一组凝渣管束5 ，它起到了对流管柬 的作用，但管内的汽水混合物直接进入后上集箱，一般不会产生损坏， 使用安全可靠，经计算，凝渣管的吸热量为蒸发吸热的2 5 。 2 6 本章小结 本章通过对高炉煤气的燃烧特性的分析和炉膛的吸热分析，可得 出以下结论： 1 高炉煤气为低热值煤气，其燃烧困难。参与燃烧的空气较少， 但燃烧后产生的烟气量却较大，在各对流受热面的流速设计 和鼓、引风机的选型与常规锅炉不一致。 2 通过对各烟气焓的计算，高炉煤气的理论燃烧温度低，炉膛 的吸热量少，一般不足蒸发吸热量；通过对炉膛吸热量的影 响因素分析，提高入炉煤气温度和入炉空气温度，可以提高 炉膛的吸热量。 3 利用对于其他压力等级的锅炉，其三部分的吸热比不一致， 炉膛出口烟温可按上述方法确定，一般定为8 7 0 。 4 在炉膛出口设置凝渣管束，可以避免采用对流管束的不理想 结构。 1 6 同济大学工程硕士论文 n e 文】 第三章高炉煤气双旋流燃烧器 3 1 高炉煤气的燃烧原理 萎耄霎凳雾耋鬟z 部萎罢：裂 磐 称为半预混型燃烧) 。在高炉煤 。气 气扩散型燃烧( 图3 1 ) 时空气 和煤气在大容量的燃烧器中图3 - l 高炉煤气的扩散型燃烧 不能很快地使空气和煤气充分 同济大学工程硕士论文 【正文】 边的火炬继续点着。但锅炉中烧高炉煤气如果采用这种方法是不合适 的。因为高炉煤气的发热值低，由喷管射出的速度较高时就易被吹灭。 喷射速度既不能高，煤气的发热值又低，而要使锅炉达到一定的蒸发 量，就要相当多的煤气，采用这种办法就必须设计大量的小孔式燃烧 器来保证燃烧的经济性。 锅炉中主要采用预混型燃烧( 见图3 2 ) 方式，在预混型燃烧时 设计和运行必须要十分注意，混合气体在燃烧器中的流速不能过低， 否则就可能发生回火现象，就可能把燃烧器烧坏；也不能过高，否则 会发生脱火现象，火焰不稳定，燃烧不完全。 3 1 2 火焰的传播速度、回火、脱火1 ”1 1 高炉煤气与空气 的混合气体的流速一 定时，燃烧器中是否 可能发生回火现象取 决于这种混合气体的 火焰传播速度的大 小，而实践证明，火 焰传播速度受可燃混 合物的性质、浓度、 初始温度、压力、和 添加剂种类及含量等 因素的影响。图3 - 3 为几种气体燃料的火 焰传播速度u o 与过量 空气系数n 的关系f4 1 。 厂、 1 、 k 1 。l 、 1 |l ， 1 壬。l 3j 7 5 _ 。 l 一 文 户， 一 酗 三 图3 - 3 正常传播速度与过量空气系数的关系 l h 22 一c 2 h 23 一c o 4 一c 2 h 45 一c 3 h 6 6 一c 3 地 7 一c 5 h 58 一c h 4 火焰传播速度首先和混合物的基本性质有关。可燃混合物的导热 系数越大，则其火焰传播速度u 0 越大。如h 2 的导热系数很大，其u o 也很大，c h 4 的导热系数很小，其u o 也很小。燃气的分子结构和反应 1 8 同济大学工程硕士论文 【1 e 文】 能力与火焰传播速度有密切关系。 混合物的浓度( 或表示为 空气过量系数) 明显地影响 正常火焰传播速度，而且超 过一定的范围，火焰将不能 传播，这于着火浓度界限的 概念是一致的。 提高可燃混合物的初始温 度，可增大火焰传播速度， 见图3 - 4 。造成这一结果的原 因有：t o 提高后，把可燃物 预热到着火温度所需的时间 将缩短；燃烧反应速度加快； 气体的导热系数随温度的升 高而加大，密度随温度的 升高而减小。 一般燃烧器的运行 为紊流燃烧，其火焰传播 速度不仅与可燃物的物理 化学性质有关，更与流动 状态有关。紊流火焰的特， 点是：火焰锋面皱曲，火 焰的轮廓不完整，锋面较 厚，火焰长度缩短，顶部 变圆，发光区模糊。图3 5 为紊流火焰形状和焰面位 一2 0 002 4 鲫 沮度。 图3 - 4 正常传播速度与可燃混合物 预热温度的关系 图3 - 5 紊流火焰形状和焰面位置示意图 置示意图。由图可见，紊流燃烧主要在发光的燃烧区内燃烧，经过燃 烧区后，尚有少量未燃尽的燃料在高温燃尽区继续燃尽。如果此区域 的温度不够，火焰就会迅速熄灭，造成末燃尽的燃料不燃烧。一般来 1 9 珊 瑚 姗 彻 湖 姗 啪 n i魁娥鞭挈竣妊斟 同济大学工程硕士论文【正文1 说，紊流火焰较不稳定，易发生脱火现象。为了保持火焰的稳定性， 常需要专门的火焰稳定装置。 3 1 3 燃烧器出口流速选择 混合气体的层流火焰的传播速度一般为u o = o 2 1 o m s ，燃烧器 出口的混合气体的平均流速为1 5 4 0 m s ，但是实际上煤气燃烧器还 是会发生回火现象，这是因为燃烧器的出i ：1 面积较大，气流处于湍流 状态，湍流状态时混合气体的回火速度要比层流火焰的回火速度大得 多( 一般为5 倍) ，同时混合气体的速度在整个截面上是不同的，中 心最高，边壁最低为0 ；所以煤气和空气在燃烧器内预先混合好的气 流中就有可能发生回火现象。 为防止预混型燃烧器的混合气流发生回火，不应使燃烧器的平均 气流速度过低；此外还应使燃烧器出口截面上的气流速度尽量均匀。 反之，如果煤气与空气的混合气体在燃烧器出口的速度过高，也 容易发生火焰吹熄的不稳定现象。为防止发生火焰被吹熄，不应使燃 烧器出口的流速过高。 因而燃烧器在设计时，其出口高炉煤气速度为2 5 m l s 3 5 m s 为宜， 混合气体的出口速度控制在2 0 m s 4 0 m s 。 3 2 旋转射流与高炉煤气双旋流燃烧器 3 2 1 旋转射流“1 射流离开喷嘴前先强迫流体做旋转运动，从喷嘴流出后，气流一 边旋转，一边向静止介质中扩散前进。这种射流称为旋转射流。 旋转射流具有一般射流的径向与轴向速度分量外，还具有一定分 量的切向速度分量。旋转射流的流场的径向和轴向都产生压力梯度， 引而，当射流旋转较强烈时，由于轴向压力梯度的增大，流体会在轴 向上发生倒流，喷嘴附近