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钢铁企业炉窑空燃比知识培训 主讲人 LUCKYLEE2012年12月18日 580m3高炉煤气布袋除尘 转炉煤气回收一次风机操作系统 转炉煤气氧含量检测 转炉煤气回收系统 直焰烧嘴 一 公司主要炉窑介绍二 空燃比相关理论知识概述三 空燃比调整与实际操作探讨 一 公司主要炉窑介绍 二 空燃比相关理论知识概述 一 高炉煤气 转炉煤气主要组分 可燃成分 助燃成分 惰性成分 表3煤气统计平均 表1高炉煤气成分统计 表2转炉煤气成分统计 二 空燃比相关理论知识概述 1 燃料燃烧的三个充分必要条件 1 气体燃料的燃烧浓度范围 2 助燃剂 O2 3 温度 BFG800 850 LDG600 700 2 燃料燃烧计算 包括燃料燃烧所需的空气量 氧气量 燃烧后生成的烟气量 空气和烟气焓等 燃烧计算是工业炉窑热平衡和进行热力计算的基础 也是空气动力计算和选择鼓 引风机的依据 是炉窑设计及布置中不可缺少的一项工作 在热平衡计算中一般采用用户高炉煤气成分的实际值 如缺乏实际值时可采用检测统计平均值或者经验值进行计算 3 高炉煤气 转炉煤气燃烧过程的主要化学反应方程式2CO O2 2CO2 Q2H2 O2 2H2O Q 二 空燃比相关理论知识概述 二 燃料燃烧过程及原理 三 燃烧器 燃烧机 烧嘴的分类 按助燃介质的不同分 鼓风燃烧式 自然通风燃烧式 大气引射式 压缩空气引射式 富氧燃烧式 纯氧燃烧式等 其中 鼓风燃烧式燃烧器主要有以下分类形式 1 按燃料划分主要有油类 燃气类 煤粉类三大类 2 按火焰形状划分为直焰燃烧器 平焰燃烧器 扁平焰燃烧器 无焰燃烧器 3 按燃气压力分为高压燃烧器 10kPa 中压燃烧器 低压燃烧器 1kPa 4 按配风情况划分为 单路配风燃烧器 多路配风燃烧器 5 按附加功能划分为 低NOx燃烧器 自身预热燃烧器 调温燃烧器 6 按行业专用性功能划分为 锅炉燃烧器 回转窑烧嘴 熔铝炉烧嘴 热风炉烧嘴 线性燃烧器 辐射管燃烧器 石化管式炉燃烧器 石化附壁燃烧器 石化制氢加热炉燃烧器等 7 按烟气喷出速度划分为 常规燃烧器 亚高速燃烧器 高速燃烧器 8 按燃烧连续性划分为 常规燃烧器 脉冲燃烧器 9 按燃料与助燃介质混合形式的不同可划分为 外混式燃烧器 内混式 预混式或半预混式 燃烧器 10 按助燃风温度不同和保温方式可划分为 常温燃烧器 内保温燃烧器 外保温燃烧器 二 空燃比相关理论知识概述 四 煤气作为燃料燃烧所需的空气量计算1 理论空气量 是燃料中的各种可燃成分完全燃烧所需的空气量之和 扣除燃料本身的含氧量 以高炉煤气为例说明 由于高炉煤气中可燃成分为一氧化碳和氢气 所以其所需理论空气量 干 Vk0的计算公式如下 Vk0 1 21 0 5CO 0 5H2 m3 m32 实际空气量VkVk Vk0m3 m3式中 为过量 剩 空气系数 过量 剩 空气系数是炉窑运行的重要指标 太大则增加烟气容积 造成排烟损失 太小则不能保证燃料完全燃烧 指工业炉窑出口处的空气过量 剩 系数 3 国内炉窑 对于燃气锅炉 一般取1 05 1 25 锅炉等炉窑越大 越小 目前 国内220t h以上全烧煤气锅炉 一般 为1 05 燃烧情况良好 二 空燃比相关理论知识概述 4 公司高炉煤气 理论助燃风量 煤气量 0 6 1 CO按25 范围0 63 0 75 1 5 公司转炉煤气 理论助燃风量 煤气量 1 15 1 CO按48 范围1 21 1 44 1 二 空燃比相关理论知识概述 五 理论燃烧产物计算 1 理论烟气量Vy0理论烟气量是指在理论空气量 1的条件下达到完全燃烧时生成的烟气容积 计算时以每m3为单位 故Vy0 0 01 CO H2 CO2 N2 0 124ds 0 016Vk0 0 79Vk0m3 m3式中 ds是以每公斤干空气含水量不大于10g来计算水蒸汽容积的 若所给定的空气含水量与此值相差很大时 应修正 2 实际烟气容积Vy实际烟气容积是指在过量空气系数 1时 完全燃烧后的烟气容积 Vy Vy0 1 016 1 Vk0m3 m33 空气和烟气的焓表示每立方米燃料所需理论空气量或生成的烟气量在等压下从0 加热到某一温度需要的热量 其中 1 理论空气焓的计算 IK0 Vk0 C kkJ m3 2 烟气焓的计算 Iy0 VCO20 C CO2 VN20 C N2 VH2O0 C H2OkJ m3 二 空燃比相关理论知识概述 六 炉窑热平衡及热效率计算1 热平衡的组成 燃料在锅炉中燃烧所放出的热量一部分通过受热面被锅炉中的水和蒸汽吸收而得到有效利用 其余部分则以不同的方式损失掉了 这种锅炉热量的收支平衡关系 即为热平衡 燃气工业炉窑 其热平衡是以1m3气体燃烧为单位的 热平衡用下式表示 Qr Q1 Q2 Q3 Q4kJ m3 式中 Qr为1m3燃烧带入锅炉的热量 Q1为锅炉有效利用热量 Q2为排烟热损失 Q3为化学未完全燃烧热损失 Q4为炉窑散热损失 空气在空气预热器中所吸收的热量及煤气在煤气预热器中所吸收的热量又随高炉煤气进入炉膛 因此 在锅炉热平衡中不予考虑 在上式中两边分别除以Qr 则锅炉热平衡可用占输入热量的百分比表示 即 Q1 Q2 Q3 Q4 100 在这种热平衡计算的基础上 可以计算锅炉的热效率 用以判断锅炉的性能和运行水平 还可以计算锅炉的燃料消耗量 深入分析 测定各项热损失 则可以找到减少热损失 提高锅炉热效率的途径 二 空燃比相关理论知识概述 2 炉窑的热效率 1 炉窑热效率 ly 是指其有效利用的热量占燃烧带入炉窑热量的百分数 ly q1 100 q2 q3 q4 2 排烟热损失Q2与q2 Q2 Ipy pyIlk0kJ m3 q2 Q2 Qr 100Ipy为排烟的焓 Ilk0为进入炉窑的冷空气的焓 py为排烟处的过量 剩 空气系数 3 化学未完全燃烧热损失Q3与q3 Q3是指排烟中含有未燃尽的CO H2等可燃气体造成的热损失 其值应等于各可燃烧气体容积与其容积发热量体积的总和 即 Q3 Vgy 126 4CO 108H2 q3 Q3 Qr 100 Vgy为1m3燃料燃烧后生成的实际干烟气容积 m3 m3 对于运行的炉窑 经烟气分析 Q3值可按上式进行计算 但在设计中 则按经验值来选取 一般不到1 排烟热损失的大小取决于排烟的焓值 即主要决定于排烟温度和烟气容积 排烟热损失是锅炉各项热损失较大的一项 一般为5 12 排烟温度 py每增加12 15 q2约增加1 故 py应尽量降低 一般大 中型锅炉的排烟温度为110 180 4 炉窑散热损失Q4与q4 炉窑散热损失 系指炉窑的炉墙等砌体 内部钢结构以及管道等外表面向外界空气散热所造成的热损失 其大小主要取决于散热表面积的大小 水冷壁和炉墙的结构 保温层的性能和厚度 以及周围空气的温度等因素 通常可按经验选取 锅炉等炉窑的容量增大 其结构紧凑 平均到单位燃料的锅炉表面积减少 散热损失相对值也减少 5 结论 一般而言 目前国内工业炉窑的热效率在50 93 之间 较国际先进水平平均低7 35 其中 国内炉窑 排烟热损失q2在8 15 化学未完全燃烧损失q3在0 55 炉窑散热损失q4在0 5 5 0 二 空燃比相关理论知识概述 一 国内的竖炉 多是直井式炉型 这种炉型焙烧带除了接受来自喷火口的炽热废气外还接受来自冷却带 温度在 左右的热冷却风 因此 炉内焙烧带的温度和气氛 受燃料煤气或油 助燃风 冷却风这三个条件的影响 我国球团竖炉 炉内设导风墙和干燥炉蓖 通过冷却带的冷却风 温度500 左右 不经过焙烧带 完全进入导风墙 炉内焙烧带的温度和气氛 只与来自燃烧室的废气有关 与冷却风无关 所以 竖炉炉型 按热工制度区分 可以简单地分成冷却风通过焙烧带的和不通过焙烧带的两种 冷却风不通过焙烧带 磁铁矿氧化所需氧由煤气燃烧后生成的废气中的氧供应 致使煤气嫩烧的过程空气率大的出奇 根据煤气燃烧过程合理进行的要求 这是不妥当的 直井式竖炉使用的磁铁精矿要求品位高 国外都不低于65 以增加磁铁精矿氧化放热的数 使炉内温度保证能烧成质里良好的球团 在生产过程中 经过导风墙的冷却风和经过焙烧带等料层的煤气燃烧生成的废气 这两股气流 在炉蓖底下相汇合 然后才通过干燥炉蓖的料层从炉顶烟罩排出 煤气燃烧温度也即燃烧室温度 球团的平均比热 一般为0 17大卡 度 公斤 二 国外有代表性的美国伊利厂球团竖炉 冷却风通过焙烧带 精矿品位65 燃烧室温度1288 焙烧带球团温度1371 排矿温度400 该厂竖炉将燃烧室温度定为1204 1288 每吨球团燃料消耗控制在11 34万大卡左右 折合我公司高炉煤气约138Nm3 t 鼓入炉内总风量738m3 t中的70 即517m3 t鼓入炉内冷却带 另外的30 即助燃风221m3 t送入燃烧室 炉内最高温度可以达1300 以上 三 空燃比调整与实际操作探讨 国外曾做过试验 燃烧低热值高护煤气 合适的过剩空气率应为1 05 1 15 即煤气 助燃风 1 0 755 0 27 如果过剩空气率增加到2 5 以上 就会引起显若的化学不完全燃烧 而且此种不完全燃烧还会随过剩空气率的继续提高而增加 化学不完全燃烧的出现 也即还原气氛的出现 对球团的焙烧固结也是不利的 要想强化燃烧过程 主要是增加火焰扩散速度 而增加火焰扩散速度的一个有效方法是提高燃烧过程的温度 因此 燃烧室温度不宜太低 应当将助燃风用量减下来 减到是煤气用量的76 83 控制燃烧室温度在1160 左右 使煤气得以充分燃烧 至于磁铁矿氧化需要的氧 可以在燃烧室与炉身之间设一专用风管 向炉内焙烧带和预热带提供氧化风 如58 品位的磁铁精矿 每吨球团需要氧17 6m3 即需要空气83 8m3 为了强化焙烧过程 预热助燃风或预热氧化风都是有效的 为避免灰尘堵塞燃烧室的喷火口和强化燃烧过程的要求 助燃风含尘量不能过大 因此 助燃风的预热比较困难 往往要靠间接加热来预热 若直接加热则需经过情细除尘 而氧化风的预热却比较容易实现 培烧带与预热带料层中不存在煤气燃烧过程的问题 对尘灰的限制 比燃烧室喷火口要求的标准低得多 可以将空气直接通过排出护外的球团将风温提高 然后鼓入炉内焙烧带的预热带 是强化焙烧过程和利用余热的有效措施 三 空燃比调整与实际操作探讨 三 国外竖炉空燃比调整与强化焙烧氛围 三 空燃比调整与实际操作探讨 四 两座10m2竖炉存在问题 分析 改进措施1 两座竖炉本体两侧燃烧室内无O2 火道口无CO含量检测 济钢已有监测 2 两座竖炉共用的烘干机助燃风量过大 目前高炉煤气消耗量8000 8700Nm3 h 空燃比约1 1 助燃风量与煤气流量趋同 而按照公司目前高炉煤气主要可燃成分CO含量 体积百分比 平均25 变化范围21 29 兼顾高炉入炉综合焦比490 520kgce t 计算 保证煤气充分燃烧 需要助燃风 空气 O2含量约21 量 煤气量 0 6 1 变化范围0 63 0 75 1 即过剩系数1 05 1 25 可见 应合理调整烘干机空燃比 即目前应控制助燃风量范围5040 6525Nm3 h 从而减少过剩空气带走的显热损失 当然 减少煤气消耗量时 相应调低助燃风量 3 竖炉本体助燃风量过大的怀疑 目前 每座竖炉本体正常高炉煤气消耗量合计15000 18000Nm3 h 均衡布置 4个直焰烧嘴 空燃比约1 1 即 助燃风量与煤气流量也趋同 同理 按上述2的计算 以下取理论过剩系数1 0即空燃比0 60 1计算 一般 竖炉球团焙烧需要氧化氛围 氧含量4 6 按均值5 计算 及燃烧过程的主要化学反应2CO O2 2CO2 则可推算空燃比约需要1 06 1 似乎目前的空燃比基本合理 考虑强氧化氛围 氧含量 8 可推算空燃比约需要1 51 1 似乎目前的助燃风量还应该增加约51 三 空燃比调整与实际操作探讨 4 竖炉球团系统改进措施 1 烧结厂在竖炉系统 烘干机 竖炉本体 根据公司排产计划 煤气压力及热值变化情况 及时调整煤气量及相应的助燃风量 尽可能降低煤气单耗 2 经与烧结厂协商一致 先期试验 降低烘干机助燃风量 递减梯度300 500Nm3 h 视效果再行减少煤气量 不断优化 具体效果 见下次专题报告 3 针对烧结厂所提氧化氛围一事 分头调研 对标 落实 明确概念 其后确定针对竖炉本体的对策 三 空燃比调整与实际操作探讨 五 2 高炉热风炉存在问题及分析 整改措施1 计量存在失真的问题 1 煤气计量 热风炉回炉DN1100主管及3座热风炉入炉DN900支管 均采用威力巴流量计 但是 主管流量计自2012年6月始即失真 损坏 具体原因不明 原拟8月年修更换 却因备件 变送器 未到货而不能及时更换 后于11月29日利用定修机会 将3个支管流量计全部更换 主要是取样管 变送器 并将如此3个三级计量量表的信号引入能源调度室 分钟量 加权 编程 计算总管小时量 此即目前所谓2 高炉热风炉高炉煤气消耗量的抄表数据来源 按设备处 炼铁仪表点检员的说法 上述计量误差应在3 5 之间 这对煤气计量而言 误差明显过大 并直接影响能源计量 结算和生产数据分析 三 空燃比调整与实际操作探讨 2 助燃风计量 3座热风炉采取两烧一送的运行方式 正常生产时 量表显示单炉煤气流量440 490Nm3 min 而1 2 3 三座热风炉的助燃风量分别约在200 230Nm3 min 140 160Nm3 min和180 210Nm3 min之间 显然 在控制入炉煤气支管和助燃风支管压力一致 调节阀开度基本相同的工况下 所配助燃风量应该一致或接近 但出现上述差异 显然是计量仪表存在部分甚至全部不准的问题 而且 这对研究 控制 调整空燃比是一大实际障碍 2 根据上述方法能源计量抄表的统计结果见下表1从中可见 在产量相近 操作一致的条件下 上述统计数据跳跃 偏差 太大 无法判断真实性 三 空燃比调整与实际操作探讨 六 轧钢加热炉 七 回转窑1 规格 2 8 55m 转窑物料停留时间 4h 转窑安装斜度 3 2 稳定温度控制 窑尾温度控制在300 350 左右 正常生产时回转窑钠化带温度控制在800 850 保证回转窑微负压操作 空气煤气比例 1 1 2 1 5 窑内必须保持氧化性气氛 3 空 煤气换热器 一 二期各1台 空气预热温度180 200 煤气预热温度180 200 回转窑出窑废气量10500Nm3 h 温度300 350 预热空气量6810Nm3 h 预热发生炉煤气量最大量3720Nm3 h 三 空燃比调整与实际操作探讨 八 最近2次检测2 高炉热风炉和竖炉烟气的数据 仅供参考 表2最近2次检测炉窑烟气组分情况 三 空燃比调整与实际操作探讨 说明 竖炉取样点在烟筒前 已混冷风 采用已淘汰的奥氏气体分析仪 误差超过5 三 空燃比调整与实际操作探讨 九 炉窑空燃比管理 操作及建议1 炉窑的煤气单耗 受热量载体即煤气的质量 热值 温度 压力 助燃风 压力 流量 温度 燃气设施的设计参数及产能 受热体的产量 质量 例如球团的形状 直径 密度 透气性 强度 含水量 热风炉的送风温度 压力等 以及本身的热效率等多种因素影响 因此 炉窑的单耗高低 实为一项系统工程 原则上需要多专业合作并采取综合对策 2 竖炉系统 1 按照国内主要钢铁同行数据 竖炉折合高炉煤气单耗一般在140 250Nm3 t 19月统计 最低为鞍钢的53 3Nm3 t 最高的两家国内同行分别为济源和攀成钢的280 300Nm3 t 因此 公司的竖炉单耗必须降下来 其中 至少烘干机可以降低500Nm3 t以上 而竖炉系统煤气单耗可降低1 2 以上 2 建议安排有关人员去国内先进企业考察 落实是否有必要且可能在竖炉本体火道口内或其前安装O2及CO检测 如可能 则尽快推动利用竖炉年修 定修等机会 具体实施 注 考虑重庆川仪 杭州聚光 进行