高炉煤气炉锅炉设计及燃烧性能研究

高炉煤气炉锅炉设计及燃烧性能研究

中国是著名的钢铁生产大国，年产量超过2.108吨。在冶炼1t生铁时就会产生约3000m3的高炉煤气,这样年产高炉煤气就高达6000×108m3/a。为了降低高炉煤气的放散率,实现能源的循环利用,各钢铁企业开始重视高炉煤气的综合利用。本文对高炉煤气锅炉的设计进行探讨。1高炉煤气的放空量高炉煤气中惰性气体(N2、CO2等)占大部分,可燃成分主要为CO。因此,其低热值只为2.93~3.55MJ/m3。由于高炉煤气中含有大量的惰性气体,可燃成分少,因此当产生热量一定时,消耗的高炉煤气将高于其他较高热值的燃气,高炉煤气锅炉每生产1t蒸汽产生的烟气量为燃煤锅炉的1.7倍。高炉煤气与空气的混合气(以下简称混合气)的CO体积分数及着火环境是决定高炉煤气的着火温度的两个要素。混合气中高炉煤气的着火体积分数为35%~71%,着火温度为530~660℃。着火条件要求较高,但因其燃烧为气-气单相化学反应,只要技术措施组织妥当,燃烧效率也能达到满意效果。高炉煤气的特性决定了其理论(绝热)燃烧温度较低,仅为1250~1300℃,为燃煤的理论燃烧温度的60%左右。由于火焰中心温度较低,化学反应速度也低,因此应考虑给予高炉煤气足够的燃尽时间,并解决燃烧火焰不稳定、易产生脉动、易脱火等问题,保证燃烧安全。高炉煤气在锅炉内燃烧的要求为:高炉煤气与空气混合良好,使混合气中高炉煤气达到着火体积分数,混合气的温度升高到着火温度;由于高炉煤气燃烧不易回火,易脱火,因此在燃烧区域尽量提高温度场温度,保证火焰稳定和燃烧安全。2加强高炉煤气与空气的混合和燃烧①强化燃烧的方法由于高炉煤气的着火温度较高,研究表明,混合气从室温升至着火温度吸收的热量占高炉煤气燃烧放出热量的37%左右。因此,应提高混合气的入口温度,使混合气的温度及早升至着火温度。提高混合气温度的方法为提高高炉煤气或空气的温度。由于混合气中高炉煤气的比例较大,因此提高高炉煤气的温度对提高混合气温度的效果最明显。高炉煤气的加热多采用热管换热器,但热管换热器易堵塞,腐蚀后安全性得不到保障,造价较高,检修不方便。因此,一般不采用提高高炉煤气温度的方法。虽然混合气中空气比例较小,效果差一些,但较高的空气温度也可使混合气达到理想的温度,而且这种方法方便、安全,造价也低。采用锅炉尾部热量预热空气,降低了锅炉尾部省煤器的吸热量及省煤器出口的沸腾度,使省煤器运行更安全。②燃烧器高炉煤气的燃烧为扩散燃烧,完全燃烧消耗的空气量少,少量的空气要在短时间内穿透大量的高炉煤气,使混合气及时达到着火体积分数比较困难。因此,应在燃烧器的预混段加强高炉煤气与空气的混合。在燃烧器的出口设置旋流叶轮,配合空气侧的旋流叶轮,使高炉煤气与空气在出口处强烈混合。实践证明,在燃烧器出口70mm的距离内高炉煤气与空气就可良好混合,这也加强了火焰后期的扰动,使后期也能较好混合。③稳焰器混合气由常温升至着火温度要吸收大量热量,混合气吸收的热量除来自热空气外,主要来自高温烟气。当气流从小面积突扩至大面积时,在气流的根部会形成一个回流区,利用这点,在燃烧器出口设置突扩的内衬圆筒形稳焰器,既形成了回流区,又有高温辐射层,起到点火板的作用。④炉内蓄热稳燃装置在燃烧区域内形成高温的作用为:一是可大幅缩短高炉煤气的燃尽时间,做到在燃烧区域内使高炉煤气完全燃烧;二是使燃烧强烈,火焰刚性好,燃烧稳定,不易脱火。为了在燃烧区域形成一个稳定的高温区域,可设置炉内蓄热稳燃装置,其结构为圆塔形,由高强度、高热震稳定性的耐热材料制成,设置在炉膛中心位置。燃烧器布置为四角切圆形式。运行时,蓄热稳燃装置的温度一般在1000℃以上。它的存在提高了燃烧区域的温度,加快了高炉煤气的燃烧速率,使燃烧更完全、稳定,在较小的区域内放出的热量更多,使温度进一步升高,直至达到热平衡。在高温度场下,可产生大量辐射热,改变了高炉煤气无光火焰几乎没有辐射热的传热状态,在此区域内水冷壁全部暴露,使水冷壁吸收的热量更多。蓄热稳燃装置的存在,使烟气流通截面变小,加快了烟气的流速,强化了炉膛的对流传热。另外,未燃尽的高炉煤气掠过蓄热稳燃装置外表面,进一步被加热,使其燃烧干净。实践证明,蓄热稳燃装置使燃烧效率大幅提高。燃烧器的四角切圆布置形式,使任意1个燃烧器的火焰的头部可喷至相邻火焰的根部,起到互相支持促进稳定燃烧的作用;火焰的高温部位更接近水冷壁,传热更强烈。⑤科学的炉型科学的炉型既可保证炉膛温度,保证高炉煤气的燃烧完全,更有利于缓和火焰脉动的影响,避免高炉煤气在过热器等受热面范围内燃烧,又可使炉膛吸热量增加,保证锅炉的热功率。3设置蓄热稳燃装置①高炉煤气的特性决定