全燃高炉煤气高温高压锅炉的运行特性

全燃高炉煤气高温高压锅炉的运行特性朱宇翔 秦小东 （上海交通大学工程硕士 上海威钢能源公司）0前言高炉煤气是钢铁行业在高炉炼铁过程中的一种副产品，高炉煤气作为一种动力燃料具有热值低，不易着火，燃烧不稳定的缺点而且气源不稳定。每生产一吨生铁约可得1600-2000立方米高炉煤气，产量很大。作为二次能源，钢铁企业内部主要作为热风炉和工业锅炉的燃料使用，但仍有大量富余被排放掉。同时随着高炉的大型化，使高炉煤气的产生量成倍增加。中、低参数燃用高炉煤气的工业锅炉在容量和能源利用方面已不能适应高炉煤气产量的增加。将高炉煤气作为电站的一种动力燃料既可减少高炉煤气的排放，减少污染同时也可减少电站对动力用煤的需求。因而大型电站锅炉掺烧高炉煤气以及高炉煤气的燃气轮机，全燃高炉煤气的高温高压电站锅炉应运而生。高炉煤气作为锅炉的完全燃料因为其所具有的某些特性，使锅炉的结构和运行都具有其特有的特性。本文主要以上海威钢公司的一台220T/H的全燃高炉煤气的高温高压锅炉为例，介绍了全燃高炉煤气高温高压锅炉的特点，并阐述了高温高压全燃高炉煤气锅炉的运行特性。1高炉煤气的特性1.1高炉煤气的成分及发热量 高炉煤气是在高炉生产的过程中焦炭经气化后转变而得的.高炉煤气中含有大量的N2和CO2,其主要可燃成分为CO,与其它动力燃料相比它是一种低热值燃料。高炉煤气成分燃料成分COCO2H2N2CnHm含尘量含水量变化范围19-2519-251-450-570-0.2 50mg/ M3 10g/m M3高炉煤气的热值约为3000KJ/ M3，根据高炉的运行工况热值将会有所波动。高炉煤气的理论燃烧温度比高发热量的燃料低得多，各种燃料的理论燃烧温度见下表燃料类别烟煤燃油天燃气高炉煤气理论燃烧温度1900-21002000-22001800-20001100-1300 通过上表，可发现高炉煤气的理论燃烧温度较其它燃料相比要低很多，即使将其预热至180其理论燃烧温度也仅有1300，而火焰的热辐射力又与其绝对燃烧温度的四次方成正比，因而，燃用高炉煤气所产生的火焰辐射力较低，同时燃用高炉煤气时与燃用煤和油时不同，烟气中不含有碳黑和灰粒，仅依靠烟气中的三原子气体传递辐射热，因而高炉煤气燃烧后所产生的烟气自身的辐射力弱，与燃用烟煤的锅炉相比全燃高炉煤气的锅炉的传热能力下降60左右。1.2 高炉煤气燃烧的稳定性 在常压下,高炉煤气着火温度为530-650，在室温及常压下着火浓度极限为35-71。高炉煤气的着火浓度随温度升高其范围会变宽。由于其火焰温度较低，而且高炉煤气中含有大量惰性气体使火焰传播速度减慢，着火和稳定燃烧都比较困难。但一旦达到着火稳燃的条件，燃烧还是相当迅速的。1.3 高炉煤气燃烧烟气量 全烧高炉煤气锅炉烟气量大，下表为产生1MJ燃烧热燃料燃烧烟气量。燃料热值产生烟气量COAL25080KJ/Kg0.34 M3COAL20900 KJ/Kg0.37 M3COG16720 KJ/ M30.3 M3BFG3380 KJ/ M0.48 M3从上表可以看出，相同热负荷情况下，高炉煤气燃烧所产生的烟气量比其它燃料燃烧所产生的烟气量多30-60。燃用高炉煤气产生的烟气量多，因而烟气的流速加快，对流换热量正比与烟气流速的0.8幂，对流加热面的换热强度势必加强，易引起对流过热器超温同时排烟损失也较大。1.4安全性 高炉煤气是一种有毒气体，一旦泄露聚集会引起中毒，甚至爆炸事故，因此高炉煤气的输送系统及燃烧设备等要求严格密封。高炉煤气常温常压下着火浓度为35-71，在此范围内高炉煤气存在爆炸的可能，所以一般规定输送管道中的氧浓度小于5。2高温高压全燃高炉煤气锅炉简介 因为高炉煤气与众不同燃烧特性，所以为了组织好高炉煤气的燃烧，全燃高炉煤气锅炉必燃有其相应特点。目前国内高温高压纯燃高炉煤气的锅炉大部分由杭州锅炉厂承担制造，先后已在首钢，上海威钢公司等单位投入运行。2.1 设计参数额定蒸发量220T/H过热器出口温度540过热器出口压力9.81 MPa锅筒工作压力11.28 MPa给水温度220锅炉连续排污率 3冷风温度20煤气进口温度202.2 基本结构 高炉煤气属于气体燃料,所以全燃高炉煤气锅炉在一定程度上带有燃气锅炉的属性,但它也有因高炉煤气热值低所带来的特有的结构特点。结构简图如下：结构特点：1、炉膛采取双缩腰结构，将燃烧区与非燃烧区分隔开，燃烧区敷设卫燃带，保证燃烧区域局部高温。2、省煤器采用两级省煤器非沸腾式省煤器加上沸腾式省煤器，以补充炉膛蒸发量不足。3、高炉煤气和助燃空气同时预热，提高锅炉效率，强化燃烧。 另外韶钢松山钢铁公司高温高压全燃高炉煤气锅炉的结构与上述锅炉略有不同，其结构简图如下：该锅炉未将燃烧区单独隔开，但在燃烧中心区加入蓄热稳燃器，其目的也是为了加强稳定高炉煤气燃烧的稳定性。2.3 燃烧装置高温高压全燃高炉煤气的锅炉选择的高炉煤气燃烧器基本都是双旋流燃烧器。布置方式多选前后墙对冲布置，也有选择四角布置的。双旋流燃烧器能够在大燃烧负荷下保证高炉煤气和助燃空气均匀混合稳定燃烧。高炉煤气和空气分别进入内外套管。该燃烧器的特点：1、 着火性能良好，燃烧稳定；2、 阻力特性好，总阻力水平低，能够适应高炉煤气压力在一定范围的波动；3、 单只燃烧器的功率大，负荷调节性好；3高温高压全燃高炉煤气锅炉的运行特性3.1 低负荷运行 高炉煤气虽燃发热量低，理论燃烧温度低，着火、稳定燃烧困难，但一旦具备着火和稳燃的条件，燃烧相当迅速，火炬很短。高温高压全燃煤气的锅炉采用了双旋流燃烧器，单独分隔开的燃烧区（或高温蓄热稳燃装置），空气和燃料同时预热来强化、稳定高炉煤气的燃烧。达到了良好的效果，具有很强的低负荷运行适应能力。尤其是双旋流燃烧器高炉燃气和空气在环行通道中作螺旋运动，离开燃烧器时，在离心力的作用下进行紊流扩散形成环行气流，并从内外两侧卷吸周围介质。两股气流之间存在相对速度混合强烈。尽管扩散燃烧的火焰温度不高，但较均匀，火焰稳定性好。由于两股气流离开燃烧器后均存在切向速度。气流的扩散角增大，有利于中心回流区卷吸高温烟气，利于高炉煤气的点燃和增加了火焰稳定性。使得在高炉煤气量骤减时，锅炉在低负荷（20-30）仍能不用辅助燃料稳定运行。以上海威钢公司的全燃高炉煤气高温高压锅炉为例作简单估算，锅炉在满负荷运行时共有15只燃烧器投用，高炉煤气的用量约为 M3/H，单只燃烧器的高炉煤气用量1.3 M3/H,燃烧器的直径D=670mm,燃烧器的截面积A=0.672/4=0.3526 M2，高炉煤气的流速V=Q/A=13000/3600/0.3526=10.24m/s, 高炉煤气的雷诺数Re=V*D/(其中为运动粘度mm2/s)=14.3mm2/s=14.310-6m2/s Re=481042300-瑞流根据湍流火焰传播速度V与层流火焰传播速度V的比值与Re有关，可通过查图求得比值约为55；层流火焰传播速度V为(0.2-1.3 m/s), 取0.2m/s则此高炉煤气火焰传播速度V=55*0.2=11 m/s10.24 m/s故不会发生熄火；在高炉煤气管道内无氧气，故又不会发生回火。可见在正常运行时，此燃烧器燃烧很稳定。负荷分配与燃烧器使用数的关系如下:负荷100 % MCR80 % MCR60 % MCR40 % MCR20 % MCR投用层数54321投用只数1512963从上表可以看出，无论负荷为多少，其燃烧器的出力基本维持不变。即当负荷减少至20%MCR时，可通过减少投入燃烧器的只数，来调节每只燃烧器的出力维持基本不变。这样就能保证湍流燃烧时，保持较高的雷诺数Re，也就保证了较高的湍流火焰传播速度，只要湍流火焰传播速度不小于燃烧器出口高炉煤气的气流速度，就不会产生脱火现象，燃烧就是稳定的。对上述计算的最好证明莫过于在实践，上海威钢公司锅炉在负荷减至20-30%MCR时，仍能不需要投油助燃，高炉煤气燃烧依然稳定。韶钢松山钢铁公司高温高压全燃高炉煤气锅炉也能达到30%MCR的低负荷运行能力。不过需要注意的是低负荷运行时应尽量保证单只燃烧器的负荷亦即燃料量和燃料浓度以保证燃烧的稳定性。3.2 燃烧风量的控制高炉煤气中的可燃物的含量较少,每M3(标准状态)高炉煤气的理论空气量仅0.6 M3。高炉煤气燃烧时火焰的传播速度是决定燃烧工况是否稳定的一个重要参数。对于不同组分的高炉煤气火焰的传播速度不同，火焰的传播速度除与燃料特性，实际燃烧温度等有关，还与燃料燃烧时的空气系数有关。根据有关实验结果，它们的关系如下：上图说明高炉煤气火焰传播速度在过剩空气系数0.6-1.0左右达到最大.气体燃料的浓度在化学当量比处或稍富侧火焰传播速度最快,稳定性最强。同时空气量还对锅炉的温度有一定影响,助燃空气量过大反而会降低锅炉温度,同时会增加排烟损失。所以高炉煤气锅炉在运行时从稳定燃烧的角度宜采用低过量空气系数燃烧方式。一般建议控制在不超过1.05。实际运行中还可通过观察火焰的颜色及尾部CO的含量的变化来控制空气量，在确保燃料完全燃烧的前提下尽量降低空气量。这对于在低负荷时稳定运行，满负荷时减少排烟损失都极有益处。（全燃高炉煤气的锅炉烟气量是燃煤锅炉1.8倍）。3.3 高炉煤气压力热值对锅炉运行的影响高炉炉况及高炉煤气的用户的波动将会导致高炉煤气压力热值产生一定幅度的波动,当热值上扬,锅炉的汽压变化大于汽温变化；而热值下降锅炉汽温的变化比汽压更敏感。高炉煤气压力突然变化也会对锅炉运行产生巨大的影响，有时会导致灭火。针对煤气压力波动问题，目前比较好的解决方法是在锅炉前增加设立压力式储气罐以达到气压稳定的目的。对于高炉煤气热值波动问题，诸如热值突升应注意及时减少每个燃烧器的热负荷，保持炉膛的负压以免燃烧器过负荷损坏。若热值突降应做好炉膛突然熄火的准备。3.4锅炉运行的安全性由于高炉煤气是无色、无味、有毒的可燃气体。高炉煤气中大概含有25%的一氧化碳（CO），其主要毒性也来源于此，如泄漏出来，极易引起中毒事件。含N2和CO2之和在70%会给人造成喘息（氧含量很低）和窒息。高炉煤气与空气混合到一定比例，遇明火或700左右的高温就会发生爆炸。这一点是我们在使用高炉煤气时，必需加以注意的。大致总结如下：1、 在日常巡检时，运行人员必须配备高灵敏度的煤气报警仪，并能正确使用。 2、 在运行中，严格执行高炉煤气输送装置氮气置换及吹扫制度，避免高炉煤气中含有氧气，防止爆炸的发生。3、 对高炉煤气水封阀一定要加强监视，确保无高炉煤气泄露；尤其在检修插堵板前，必须封上大水封，并用煤气报警仪认真检测，确定无煤气泄漏时方可插盲板。4、 由于高炉煤气是高炉的副产品，它的参数取决于高炉运行工况， 高炉煤气压力及热值会有较大幅度的变化，所以必须严格执行运行规程，禁止随意解除煤气高低压力、高低热值保护。这对于防止煤气爆炸来说，尤为重要。5、 大部分事故皆来源于麻痹大意，同样麻痹大意也是高炉煤气锅炉安全运行的最大敌人，我们必须时刻提醒自己：高炉煤气是无色、无味、有毒的可燃气体同时也容易发生爆炸。结束语:全燃高炉煤气的高温高压锅炉已先后在首钢，上海威钢公司等投入运行，取得了巨大的经济效益和社会效益。总之，掌握高炉煤气特点，安全高效应用高炉煤气，在电力缺乏、煤炭市场紧张及高环保要求的今天，全燃高炉煤气锅炉的存在极具价值。参考文献:1、 220T/H高温高压纯燃高炉煤气锅炉设计动力工程 1996.10 （黄新毅 赵剑云）2、 浅谈220T/H高温高压高炉煤气锅炉设计能源与环境 2006.3（焦志武 王小平）3、 全燃高炉煤气锅炉特性分析 冶金动力 2005.4（王铁民）4、 50MW高压锅炉全燃高炉煤气的研究 热能动力工程 2001.5 (庄正宁 曹子栋 唐桂华 沈月芬)5、实用锅炉手册 林宗虎、徐通模主编 化学工业出版社6、工厂煤气安全与防护技术 姜家标编 上海冶金工业局摘要：高炉煤气是钢铁冶金行业生产过程的副产品，是一种低热值燃料。全燃高炉煤气的高温高压锅炉是根据高炉煤气特性设计制造的一种电站锅炉，在结构和运行上具有一定的特点。本文介绍了全燃高炉煤气锅炉的结构特点，并阐述了它运行特性。关键词：高炉煤气 运行特性 全燃高炉煤气高温高压锅炉ABSTRACT: As a by-pass product of steel plant, blast furnace gas (BFG) is a kind of low heat value fuel. High pressure and high temperature boiler of firing pure blast furnace gas has its own characters of c