燃油鍋爐改燒天然氣應(yīng)用分析

王 瀟

（杭鋼動(dòng)力公司紫云 杭州）

一、概述

杭鋼電爐公司擁有1臺(tái)套VD真空精爐，配套1臺(tái)蒸發(fā)量14 t/h，壓力2 MPa德國原裝進(jìn)口的燃輕柴油整裝鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽用于VD爐抽射真空，在高質(zhì)量鋼生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。

1.抽真空工藝過程

VD真空精煉采用蒸汽噴射抽真空，5級(jí)增壓泵串連，另在第四、第五增壓泵旁各并聯(lián)1臺(tái)輔助增壓泵，以提高抽射效果（圖1）。

VD爐裝好鋼水蓋上蓋子后，如鍋爐運(yùn)行正常，蒸氣壓力達(dá)到1.45 MPa，蒸氣溫度220℃時(shí)，即可啟動(dòng)抽真空流程（表1）。當(dāng)真空度達(dá)到-0.04 MPa時(shí)，再選取“standard（標(biāo)準(zhǔn)）”模式（表2）。系統(tǒng)自動(dòng)停止 E5a、E4a，啟動(dòng) E5（E4 不變），E3、E2、E1 按所列真空度啟動(dòng)。根據(jù)VD工藝要求，自控系統(tǒng)將按模式設(shè)定逐一打開蒸汽噴嘴閥門（表3）。

圖1 抽真空處理工藝過程簡圖

表1 各級(jí)泵按所列真空度自動(dòng)啟動(dòng)

表2 standard模式

表3 各階段蒸汽耗量及工作持續(xù)時(shí)間

啟動(dòng)快速模式，廢氣進(jìn)入管道之后，通過增壓泵加壓，到1個(gè)大氣壓時(shí)E5a啟動(dòng)，此時(shí)蒸汽流量達(dá)到4 t/h，系統(tǒng)運(yùn)行3 min。之后真空度到-0.04 MPa時(shí)，E4a和E4同時(shí)啟動(dòng)，進(jìn)入快速模式工序2，在這一工序中，蒸汽流量達(dá)到8 t/h，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間2 min；系統(tǒng)真空度逐漸下降到-0.01 MPa時(shí)，啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)模式，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停止 E5a、E4a，啟動(dòng) E3、E5（E4 不變），這一階段的蒸汽流量為8 t/h，運(yùn)行2 min。當(dāng)真空度達(dá)到-0.0024 MPa時(shí)，啟動(dòng) E2 泵，此時(shí) E5、E4、E3、E2 同時(shí)運(yùn)行，這一過程的蒸汽流量為10 t/h，運(yùn)行1 min后，真空度下降到-0.0012 MPa，啟動(dòng)E1，此時(shí) E5、E4、E3、E2、E1 同時(shí)工作，蒸汽流量為 12 t/h，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行到管內(nèi)真空度為-100 Pa，達(dá)到高真空度，這一過程保持15 min，此時(shí)整個(gè)抽真空過程完成，用時(shí)23～25 min。

2.燃油鍋爐油消耗情況

根據(jù)鍋爐的運(yùn)行情況，在現(xiàn)場實(shí)測了負(fù)荷變化情況。由于現(xiàn)場沒有蒸汽流量表，用輕柴油消耗來表征鍋爐的負(fù)荷變化情況。實(shí)測結(jié)果表明，VD爐運(yùn)行周期為30～40 min（包括VD爐裝料時(shí)間），由于VD爐裝料期間，蒸汽消耗接近零，鍋爐就得關(guān)閉燃燒器，待下一爐抽真空時(shí)再開啟，所以停開機(jī)較頻繁。頻繁的停開機(jī)以及停開機(jī)過程可能出現(xiàn)的誤動(dòng)作易造成事故，所以對(duì)機(jī)組的控制、安全性能要求較高。

二、燃油鍋爐改燒天然氣的必要性和可行性

目前，VD爐以輕柴油作為鍋爐燃料，根據(jù)2010年以來電爐VD鋼生產(chǎn)情況及輕柴油消耗量統(tǒng)計(jì)，燃油成本在加速上升，目前輕柴油市場上的價(jià)格已經(jīng)達(dá)到9000元/t。不斷上升的燃料成本，給電爐生產(chǎn)成本帶來了很大的壓力?，F(xiàn)在廠區(qū)附近新建的杭鋼天然氣母站及加氣站項(xiàng)目，為鍋爐改燒天然氣帶來機(jī)會(huì)。

1.從經(jīng)濟(jì)角度分析

輕柴油可產(chǎn)生4.3 MJ/kg熱量，天然氣可產(chǎn)生3.6 MJ/m3的熱量，但輕柴油價(jià)格9元/kg，而天然氣價(jià)格4元/m3，折算到同等熱值后價(jià)格是1∶1.88。從燃料成本考慮，油改氣可節(jié)省40%～50%的燃料費(fèi)用。

2.從技術(shù)角度分析

天然氣與輕柴油同屬高熱值燃料，燃燒所需的空氣量，燃燒后的理論燃燒溫度，產(chǎn)生的煙氣量及煙氣成分等都十分相近，所以鍋爐的本體部分，如鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)系統(tǒng)無需改動(dòng)，只需對(duì)燃燒器進(jìn)行設(shè)計(jì)更換就可以達(dá)到目的。

三、燃油鍋爐油改氣技術(shù)方案

VD精煉工藝是電爐一道關(guān)鍵工藝，保證蒸汽鍋爐的穩(wěn)定、安全運(yùn)行是首先要考慮的問題，所以，油改氣技術(shù)方案要遵循安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)省投資的原則。關(guān)鍵要加強(qiáng)對(duì)燃燒器點(diǎn)火、運(yùn)行、熄火的檢查，自動(dòng)控制和保護(hù)設(shè)置，同時(shí)要考慮與原鍋爐PLC控制系統(tǒng)的搭接。

1.燃燒器改造方案

（1）鍋爐參數(shù)。鍋爐數(shù)量1臺(tái)，用于產(chǎn)生蒸汽，鍋爐出力14 t/h，蒸氣壓力1.6 MPa，鍋爐熱效率（天然氣）≥90%，助燃空氣溫度20℃，主燃料為天然氣，低位熱值35 579.74 kJ/m3，點(diǎn)火燃料為天然氣，供氣壓力400 kPa，水平布置方式。

（2）燃燒器性能參數(shù)。燃燒器品牌hofamat，型號(hào)FTQ15e，每臺(tái)鍋爐配燃燒器1套，燃燒器主燃料和點(diǎn)火燃料均為天然氣，燃?xì)忾y組前供氣壓力（配減壓閥）≥20 kPa，單臺(tái)燃燒器最大輸出功率12.5 MW，單臺(tái)燃燒器風(fēng)機(jī)電機(jī)功率30 kW，額定耗氣量1150 m3/h，燃燒器電源380 V/3/50 Hz，燃燒器為分體式結(jié)構(gòu)、比例調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)方式，（調(diào)節(jié)比1∶5），燃燒器水平布置，煙氣O2含量≤4%，NOx排放量（煙氣O2含量為6%時(shí)）天然氣時(shí)≤100×10-6。

2.燃燒器仿真結(jié)果及程序控制功能

（1）燃燒器仿真技術(shù)。CFD燃燒仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬出燃燒器及鍋爐的運(yùn)行情況（包括爐膛內(nèi)的溫度場、流場、火焰形狀及燃燒產(chǎn)物等）。FTQ型燃燒器部分燃?xì)鈺r(shí)的仿真結(jié)果（圖2、圖3）。

圖2 爐膛內(nèi)的溫度場圖

圖3 燃燒火焰形狀圖

（2）燃燒器運(yùn)行程序控制。根據(jù)西門子程控器中固化的程序，燃燒器可全自動(dòng)點(diǎn)火啟動(dòng)，啟動(dòng)流程：鍋爐運(yùn)行條件驗(yàn)證→燃?xì)鈮毫︱?yàn)證→燃?xì)忾y組檢漏→大風(fēng)門爐膛吹掃→風(fēng)門運(yùn)行至點(diǎn)火位→點(diǎn)火變壓器工作→點(diǎn)火電磁閥運(yùn)行→點(diǎn)火火焰驗(yàn)證（點(diǎn)火變壓器停止）→主燃?xì)忾y打開→主火火焰驗(yàn)證（點(diǎn)火電磁閥停止）→負(fù)荷比例調(diào)節(jié)→正常停機(jī)→爐膛后吹掃。

3.燃燒器結(jié)構(gòu)及功能

（1）燃燒器結(jié)構(gòu)。燃燒器為T形分體式結(jié)構(gòu)，此系列燃燒器其助燃空氣分為4部分：第一部分從燃燒器風(fēng)箱由軟管引入到中心導(dǎo)管，以降低火焰的中心溫度。第二部分被導(dǎo)入內(nèi)層中心區(qū)，由于此區(qū)域的助燃空氣量小，流速低，又稱為中心低速空氣區(qū)，在此區(qū)域助燃空氣與燃料混合以達(dá)到穩(wěn)定燃燒的目的。第三部分被分配到中間層的旋流區(qū)，此區(qū)域的助燃空氣在經(jīng)過一組弧形葉片后，產(chǎn)生了一個(gè)較大的切向分速度，故稱為旋流區(qū)，由于此區(qū)域的助燃空氣動(dòng)量大，以達(dá)到充分混合的目的。第四部分速度增大并完全沿火焰穩(wěn)定器的軸向流動(dòng)。內(nèi)層中心穩(wěn)定區(qū)配有一個(gè)可調(diào)節(jié)的空氣進(jìn)口，在燃燒器工作時(shí)，可以從外部對(duì)空氣進(jìn)口進(jìn)行調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)內(nèi)層中心的空氣量。此系列燃燒器的燃?xì)饫?組獨(dú)立的噴嘴輸入。第一組噴嘴位于內(nèi)層中心管內(nèi)，確?；鹧娴姆€(wěn)定性不受燃燒器負(fù)荷與總的過量空氣條件的影響。第二組噴嘴設(shè)置在回流區(qū)內(nèi)。第三組噴嘴設(shè)置在高強(qiáng)度的軸流區(qū)內(nèi)，這樣布置的目的在于降低氮氧化物及其他污染物的排放。

此系列燃燒器的特點(diǎn)是每個(gè)氣體噴槍均可以在線單獨(dú)地調(diào)節(jié)。通過獨(dú)立的氣槍后部閥門可以調(diào)節(jié)每根氣槍中燃?xì)獾牧鲃?dòng)速率，同時(shí)還可進(jìn)行燃?xì)鈬娚浣嵌日{(diào)節(jié)以及軸向平移氣槍。這些動(dòng)作均可在不停爐情況下快速調(diào)節(jié)，以達(dá)到燃燒的最優(yōu)化，從而有效的控制在特定的爐膛結(jié)構(gòu)內(nèi)NOX和CO的生成。

（2）火焰監(jiān)測器。火焰監(jiān)測器為燃燒器的安全部件，采用進(jìn)口SIEMENS零部件。該型火焰檢測器采用紫外線光敏元件，探頭前端裝有防塵鏡片，對(duì)入射光不作聚焦，直接檢測，火檢外用石英玻璃罩進(jìn)行隔熱保護(hù)，適用于該型燃?xì)?、燃油燃燒器的火焰檢測。該型燃燒器裝備有2只火焰檢測器，1只檢測點(diǎn)火火焰，1只檢測主火火焰。

（3）控制柜。控制部分為燃燒器的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，該控制箱裝有以西門子生產(chǎn)的程控器為核心的控制系統(tǒng)，能對(duì)燃燒機(jī)實(shí)行自動(dòng)和手動(dòng)及對(duì)鍋爐壓力實(shí)行控制，通過蒸汽傳感器，反饋鍋爐蒸汽壓力信號(hào)至控制器，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的連續(xù)監(jiān)測和調(diào)節(jié)，優(yōu)化燃燒狀況，風(fēng)機(jī)使用原風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)控制也使用原控制電路。主電源3相～380 V/50 Hz，控制電源220 V/50 Hz。

面板上裝有各種控制開關(guān)、按鈕以及電源、運(yùn)行、報(bào)警指示燈等?？刂葡鋬?nèi)部裝有程序控制器、繼電器、熱過載、變壓器、接觸器及斷路器等。通過控制系統(tǒng)，燃燒器可實(shí)現(xiàn)控制燃燒器操作。就地控制柜所控設(shè)備的所有狀態(tài)信號(hào)以及壓力開關(guān)、調(diào)節(jié)閥、火檢等信號(hào)都可以顯示在面板上，并與原控制箱實(shí)現(xiàn)對(duì)接，將信號(hào)通過控制箱傳送至集控室。集控室的控制運(yùn)行人員對(duì)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況一目了然（表4）。

表4 控制系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)功能表

（4）燃?xì)怆姶砰y及執(zhí)行器。燃?xì)怆姶砰y是燃?xì)庀到y(tǒng)中關(guān)鍵的部件。SIEMENS安全切斷閥流量大，壓力損失小。通過組合不同的執(zhí)行器達(dá)到不同的控制功能，它不僅能達(dá)到完全切斷，還能綜合調(diào)節(jié)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)、比例調(diào)節(jié)等功能。通過閥后的壓力反饋，保證閥出口的壓力穩(wěn)定。

四、改造費(fèi)用及經(jīng)濟(jì)分析

1.改造費(fèi)用

改造費(fèi)用包括設(shè)備、材料、設(shè)計(jì)、施工等（表 5）。

2.經(jīng)濟(jì)分析

設(shè)定分析條件：生產(chǎn)電爐鋼65萬噸，VD比65%，即VD鋼生產(chǎn)42.25萬噸。輕柴油、天然氣價(jià)格按現(xiàn)行價(jià)格。噸VD鋼消耗輕柴油按2.91 kg/t,并按熱值換算成天然氣消耗，鍋爐效率同是90%。鍋爐油改氣，除去新增加的改造費(fèi)用，不需要增加其他成本，以此基礎(chǔ)測算效益和投資回收期。分析結(jié)果見表6。

表5 改造費(fèi)用

五、小結(jié)

燃油鍋爐改為燃?xì)忮仩t主要是為了節(jié)省能源，降低使用費(fèi)用，減少環(huán)境污染。改造過程中，必須要注意燃油鍋爐的燃燒器、點(diǎn)火和隔熱等方面的設(shè)置，確保這些設(shè)置的安全性和使用的方便性。燃?xì)忮仩t工作過程中需要燃燒發(fā)熱量高的燃?xì)?，這個(gè)過程中空氣用量大，要使燃?xì)饽艹浞秩紵?，需要大量的空氣與之混合。燃?xì)獾娜紵^程沒有燃油的霧化過程與氣化過程，所以燃?xì)忮仩t的工作必須要確保隔熱的控制，避免出現(xiàn)鍋爐安全問題。

表6 分析結(jié)果