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1、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
2、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COCO2H2
3、N2C H含尘量含水量变化范围19-25%19-25%1-4%50-57%0-0.2 %W50mg/ M3V10g/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1900-2100C2000-2200 C1800-2000 C1100-1300C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 180C其理论燃烧温度也仅有1300C,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
4、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530C-650C，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1
5、MJ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
6、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 C过热器出口压力9.81 MP锅筒工作压力11.28 MPa给水温度220 C锅炉连续排污率V 3%冷风温度20 C煤气进口温度20 C2.2 基本结构高炉煤气属于气体燃料,所以
7、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：1 一炉膛2屏式过热器3高溫对流过热器4低温对流过热器5沸省煤器6非沸腾省煤器7-空气预热器8热管煤气加热器结构特点：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：A/220t/h纯烧离炉煤气糾炉简罔】-當热稳罐藩2-炉
8、膛屏式过热嘉4-高温 过热器5-低温过船券6-包堆过热器 二高潇沸 腾省煤器 乩高溫菲涝腾省煤器9-高鏤空*（预 热器10-低温省煤器11-低温空吒预热器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。双錠涡流燃烧器结构示意图该燃烧器的特点：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
9、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
10、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200000 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= n 0.672/4=0.3526 M2，高炉煤气的流速 V=Q/A=13000/3600/0.3526=10
11、.24m/s,高炉煤气的雷诺数 Re=V*D/u （其中U为运动粘度 mm2/s）u =14.3mm2/s=14.3X10-6m2/sRe=48X 1042300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
12、% 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
13、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，
14、 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
15、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N和CO之和在70% 22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700C 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，
