50MW高压锅炉全燃高炉煤气的研究

　　（西安交通大学热能工程系，陕西西安710049）表1首钢高炉煤气体积分数细讨论。阐述了高炉煤气锅炉稳定着火燃烧的燃烧技术和结构特点，分析了燃用高炉煤气对锅炉热工参数。传热特性以及受热面布置的影响，提出了适用高炉煤气的锅炉布置型式。

　　根据研究结果制造的我国首台50MW高炉煤气高压锅炉成功运行的实践证明，该锅炉可以有效解决高炉煤气放散污染问题，在冶金工业中有着广阔的应用前景。

　　1刖目近年来，随着钢铁工业的迅猛发展，生产中的副产煤气大量增加。焦炉煤气和转炉煤气由于发热值高，可以在生产和生活中有效利用。而高炉煤气属低热值燃料，受到其燃烧特性的限制，很难作为远距离输送的生活用气，只能在企业内部转换利用，高炉煤气的回收利用率较低，大量高炉煤气只能对空排放，不仅污染大气环境，而且浪费了可利用的二次能源。

　　因此，高炉煤气的有效转换和利用是钢铁企业清洁生产和节能的重要环节。因此，研究开发高参数大容量全燃高炉煤气锅炉很有必要。

　　高炉煤气燃料及燃烧特性与其它高热值的固体和气体燃料有显著的区别，全燃高炉煤气后锅炉的传热特性有很大的变化，其受热面布置有不同的特点。

　　本文以首都钢铁公司50 MW全燃高炉煤气高压锅炉为例，分析燃用高炉煤气对锅炉燃烧状况、热工参数、传热特性以及受热面布置的影响，为我国首台50MW高炉煤气高压锅炉的研制提供了依据。

　　2高炉煤气燃烧技术2.1高炉煤气的燃料特性表1为首钢提供的煤气资料，其主要可燃成分是CO和含量很少的H2与CH4其余为惰性气体C2和吣。⑴燃烧反应产生的热值为12636k/m3，属低热值气体燃料，而且⑴在高炉煤气中的体积百分数仅占总量的23.15另夕卜，高炉煤气一般采用湿式除尘净化，除尘后的水蒸气含量增大。因此，高炉煤气的低位发热量很低，只有3 240l/m3.高炉煤气的着火温度约530°C~650°C，比挥发份30的烟煤着火温度哟750°C.但这并不能说明高炉煤气具有良好的着火和稳定的燃烧条件。因为：（1）高炉的大型化使高炉煤气中的可燃物含量减少，着火浓度降低。而高炉煤气的着火浓度下限值较高，约为35；低热值燃料特性使高炉煤气火焰温度不高，锅炉炉膛温度水平降低，存在的大量惰性气体阻碍可燃成分与空气的充分混合，减缓燃烧化学反应速度和火焰传播速度，导致高炉煤气燃烧时会出现脱火等不稳定状态。因此，选择具有良好着火和稳定燃烧的燃烧设备和炉膛型式是高炉煤气高压锅炉设计的首要问题。

　　2.2高炉煤气燃烧器目前，广泛应用于中、低参数的是多管式燃烧器。

　　随着锅炉容量的增大，该燃烧器的布置将出现困难，原有的小孔喷射速度使燃气对空气的穿透深度不够，造成混合不良；提高喷射速度则燃气侧阻力增加，需要较高的炉前燃气压力。当高炉运行工况变动时，势必波及锅炉燃烧的稳定性。因此，高参数大容量高炉煤气锅炉应选择燃烧稳定和燃气侧阻力较小的燃烧器。西安交通大学、首都钢铁公司和杭州锅炉厂联合研制开发的我国首台50MW全燃高炉煤气高压锅炉，结合套管式燃烧器和旋流式燃烧器的特点，采用的是双旋流平面火焰燃烧器，如所示。燃气和空气分别流经内、外套管的环行通道，通道内均布置有轴向导流叶片，燃烧器中心留有油枪点火通道。经锅（1）着火性能好，燃烧稳定。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状气流，并从内外两侧卷吸周围的介质。两股旋转气流之间存在较大的相对速度，混合强烈。扩散燃烧火焰温度不太高但较均匀，火焰稳定好，不会出现回火及脱火现象。由于两股气流离开燃烧器后均存在切向速度，气流的扩展角增大，有利于中心回流区卷吸高温烟气，增加了着火稳定性。实践表明，该燃烧器适用于超低热值高炉煤气。气体燃烧时呈现一个很大的平面火焰锋面，充满度好。

　　同时，双旋流混合扩散燃烧方式可以适当缩短火焰长度，增力P着火稳定性，因此扩大了负荷调节范围。首钢50MW锅炉单只燃烧器处理高炉煤气量可达15000m3/h，单只热功率达14 MW，负荷变化范围为设计功率的25~110. 3高炉煤气高压锅炉受热面的布置50MW高炉煤气高压锅炉受热面的布置见。

　　炉膛为缩腰式炉型，前、后墙共布置15个双旋流燃烧器前墙9个（况）后墙在个为保证稳定燃丨锅炉规范：额定蒸汽流量220t/h，过热蒸汽压力9.8MPa过热蒸汽温度540°C. 3.1炉膛高炉煤气燃烧时的理论燃烧温度比高热值的燃料低得多。一般烟煤、油和天然气的理论燃烧温度约1800°C~2200K而高炉煤气即使经过预热（一般小于200°C）的理论燃烧温度也只有1 300°C~1450°C.这样低的理论燃烧温度要保证炉内燃烧的稳定性，除了选择合适的燃烧器外，炉膛结构型式也非常重要。研制的50MW高压锅炉采用了缩腰式炉型布置，缩腰后在炉膛下部形成一个全部敷设卫燃带的燃烧室。计算表明，燃烧室面积约占炉膛辐射受热面积的27而吸热量占炉膛吸热量的10.这表明燃烧室内的烟气与炉壁的热交换大为减弱，有助于各排燃烧器的稳定着火和燃烧，防止熄火现象的发生。

　　表3高温和低温过热器技术数据燃料种类受热面积/m2烟气流速1传热系数1传热温压/C吸热量/MW高过低过高过低过高过低过高过低过高过低过烟煤9表4经济器技术数据燃烧种类受热面积烟气平均流速平均传热系数平均传热吸热量/ 1温压/C/MW烟煤1温度比烟煤低650°C，火焰黑度约比烟煤减弱45使得炉膛辐射换热量大大减少，比燃用烟煤时降低了39.3.而炉膛的辐射受热面却需要增加15.9辐射受热面面积热负荷降低47 6.此时炉膛出口烟温已比燃煤锅炉低50°C左右，若进一步降低炉膛出口温度，增大炉膛的辐射换热量，会导致：（1）炉膛火焰平均温度的下降，影响高炉煤气的稳定燃烧；（2）辐射受热面金属利用率进一步降低，炉膛水冷壁每增加50m2仅使炉膛出口烟温降低8.9C；（3）对流受热面传热温压减小，受热面积增加。因此，炉膛出口烟温的选择可与燃煤锅炉相似，通过布置其它蒸发受热面的方法以弥补炉膛蒸发吸热量的减少。

　　表2炉膛技术数据燃料种类辐射受热面积理论燃烧温度/C出口烟温吸热量烟煤高炉煤气3.2过热器高参数锅炉的过热汽温一般约为540°C~555C工质的过热吸热量占总吸热量的29.3~36.0左右，过热蒸汽的汽温特性主要受到受热面布置的影响。对于50 MW高压锅炉，在炉膛出口处布置有半辐射式受热面一屏式过热器和辐射式炉顶过热器，吸收炉膛大部分的辐射热量，其它过热器基本上作为对流受热面。计算表明，燃煤锅炉的辐射过热吸热量占总过热吸热量的13. 7，高炉煤气锅炉下降为5.72其汽温特性趋近于纯对流式过热器的汽温特性。

　　以对流换热为主的过热器系统，吸收烟气热量主要取决于传热温压和传热系数。表3给出高温和低温过热器的计算结果。高炉煤气含有大量惰性气体燃烧产物的容积流量增大，对于50MW高压锅炉，燃用高炉煤气时烟气的容积流量比燃用烟煤时大51.1相应的高温、低温过热器烟气流速提高50~65传热系数提高43.此外，容积流量增大使得烟气的热容量增加。计算表明，烟气温度下降1⑴C高炉煤气燃烧产物释放的热功率是烟煤的1.5倍。这说明释放相同的热量，燃用高炉煤气时烟气的温降比燃煤时要小，使得对流受热面的传热温压逐级提高，到低温过热器时传热温压增加近30.因此，对流过热器面积比燃用烟煤锅炉减少36.若炉膛布置的辐射式过热器吸热量超过一半时，过热器受热式过热器吸热量的减少。3.3经济器表4为经济器技术数据。燃煤高压锅炉中炉膛蒸发吸热量占工质从水到饱和蒸汽总吸热量的88.1，而高炉煤气锅炉仅能完成其中的55.6剩余的蒸发吸热量只能由经济器来完成。计算表明，50MW高炉煤气锅炉经济器的吸热量比燃煤锅炉增加2.6倍，受热面积是燃煤锅炉的两倍左右。经济器需要吸收如此大的热量，增大了受热面设计布置的难度，主要应考虑以下三个方面：经济器分段集中布置在较高烟温区，可以增大传热温压和传热系数，减少受热面积，降低烟气侧和水侧的流动阻力；（2）高温经济器出口工质必然出现较大的沸腾度，工质出口的沸腾度达11.1；若部分给水用于锅筒内设置的蒸汽清洗装置，60的给水通过经济器，则工质出口沸腾度可高达35.因此，工质水动力校核计算必须考虑水动力特性出现多值性和发生脉动现象的可能性。（3）沸腾式经济器进口工质应保证有一定的欠洽，防止锅炉运行工况的变化使进口集箱内工质汽化，出现汽液两相流动分配不均匀现象。一般进口水温保持40 C~50C的过冷度为宜。

　　3.4空气预热器和煤气预热器高炉煤气高压锅炉应同时布置空气预热器和煤气预热器，可以增加入炉热量，提高理论燃烧温度，稳定高炉煤气的着火和燃烧，增大炉膛辐射换热量。

　　高炉煤气中主要可燃成分⑴在完全燃烧时所需的氧量只有碳的一半，因此高炉煤气锅炉入炉的空气量占烟煤锅炉的76. 6.由于空气的容积流量和热容量比较小，即使预热到较高的温度对理论燃烧温度的提高也不明显，因此，热空气温取200 C~250C面反而要增加，（因为对流过热器的焓增无法补偿辐ish即即可。对6于1高压锅炉，燃用高炉煤气的空预器吸热量比燃用烟煤减少约40，比燃用无烟煤减少约60.这样，空预器完全可以单级布置在较低的烟温区域。

　　高炉煤气容积流量大，是送入锅炉空气量的1.倍，热容量也较高。若煤气预热器布置在锅炉尾部可以有效降低排烟温度，明显提高炉膛理论燃烧温度。

　　计算表明，高炉煤气温度每提高10理论燃烧温度可提高5°C~6°C左右。高炉煤气预热器的布置要考虑高炉煤气的有毒性和易燃性，要求其在与热烟气的热交换中不发生任何泄漏，这对于管式预热器很难做到。大型分离式热管换热器可以实现换热过程所要求的完全严密而不泄漏。该换热装置适合回收低品位能源，通常布置在烟气流程的尾部。高炉煤气的预热温度以200°C左右为宜。

　　4运行首台50MW全燃高炉煤气高压锅炉在首钢成功运行的经验显示，该锅炉采用双旋流平面火焰燃烧器、缩腰式炉膛、合理的经济器布置以及应用高炉煤气预热器等措施后，具有保证锅炉参数条件下处理高炉煤气的能力。由于高炉生产工艺的变化，高炉煤气的热值及流量也不断变化。在运行期间，高炉煤气热值的变化范围从3300k/m3到24241/m3，流量高时达21.4万m3/h，低时约为5万m3/h，是设计处理量的110~25，均能保证锅炉的正常运行，说明该锅炉具有燃烧超低热值煤气和较强的变负荷运行能力，这一特点对于采用不同冶炼工艺的高炉解决高炉煤气放散尤其重要。近两年的运行实践表明所研制的高压锅炉彻底解决了首钢的高炉煤气放散污染问题，同时达到了污染物资源化处理的目的，在冶金工业中有着广阔的应用前景。

　　5结论高炉煤气是一种超低热值燃料，辐射换热能力很弱。用于50MW高压锅炉，炉膛辐射换热量比燃煤锅炉减少39.3，受热面积增加15.9.炉膛采用缩腰布置和双旋流平面火焰燃烧器能够起到稳定着火燃烧的良好作用。

　　对于50MW燃用高炉煤气的高压锅炉，其过热器的主要传热方式为对流换热，汽温特性趋近于纯对流式过热器。过热器中烟气的容积流量比燃煤时增大51.1，受热面积相应减少36.高炉煤气高压锅炉经济器的吸热量比燃煤锅炉增加26倍，受热面积增加1倍。因此，高沸腾度经济器是高炉煤气高压锅炉的重要特点。高炉煤气和空气同时预热可以降低排烟温度，提高炉膛温度水平，促进稳定燃烧和强化辐射换热。

　　研制的首台50MW全燃高炉煤气高压锅炉运行实践表明，该锅炉具有燃烧超低热值煤气和很宽的负荷调节能力，能够解决冶金企业高炉煤气排放污染问题，有着广阔的应用前景。

　　注：文中m3为标准立方米