煤氣鍋爐燃燒系統(tǒng)工藝優(yōu)化研究及改造實(shí)踐

宋瀾波，王 波，靳世平，文午琪，劉正君

（1.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司能源總廠，湖南婁底 417009；2.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074；3.武漢安和節(jié)能新技術(shù)有限公司，湖北武漢 430070）

引言

高爐煤氣/轉(zhuǎn)爐煤氣/焦?fàn)t煤氣分別是高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、焦?fàn)t煉焦過(guò)程中得到的副產(chǎn)品[1]。其化學(xué)組成及其熱工特性與冶煉所采用的燃料種類、品種以及冶煉工藝特點(diǎn)等因素有關(guān)。隨著冶煉技術(shù)的提高，煤氣其中含有的可燃物會(huì)越來(lái)越少，熱值也會(huì)有變化。同時(shí)，煤氣中硫含量與燃料中含硫成分也息息相關(guān)。高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣均屬低熱值燃料，受到其燃燒性的限制，很難作為遠(yuǎn)距離輸送的生活用氣，只能在企業(yè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換利用，作為燃料應(yīng)用于高爐熱風(fēng)爐、加熱爐、鍋爐和燃?xì)廨啓C(jī)等裝置中[2]。

1 鍋爐燃燒系統(tǒng)現(xiàn)狀

華菱漣鋼能源總廠擁有多套燃燒煤氣的發(fā)電機(jī)組，鍋爐燃燒器原設(shè)計(jì)高爐煤氣為主，轉(zhuǎn)爐煤氣和焦?fàn)t煤氣為輔燃料。由于高爐煤氣管網(wǎng)壓力波動(dòng)較大，且發(fā)電車間為末端用氣單位，燃燒器偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行現(xiàn)象較為頻繁，從而出現(xiàn)回火和燃燒不穩(wěn)定、燃燒器噴口局部超溫以及燒損等諸多問(wèn)題[3]。各層燃燒器燃燒狀況存在差異，或煤氣流量存在差異導(dǎo)致出力不同，或空氣/煤氣混合不好導(dǎo)致著火延遲及高溫區(qū)上移，從而出現(xiàn)爐膛兩側(cè)溫度偏差和省煤器出口超溫等系列問(wèn)題。高爐煤氣含硫，在燃燒器高爐煤氣噴口管底部區(qū)域存在高溫腐蝕和穿管問(wèn)題，運(yùn)行存在安全隱患[4]。

某廠發(fā)電車間150 t/h 煤氣鍋爐因燃燒器燒損嚴(yán)重，燃燒器的燃燒效率大大降低，平均低于80%，煤氣燃燒不完全，造成高溫省煤器入口煙溫達(dá)到700 ℃以上，嚴(yán)重超標(biāo)（設(shè)計(jì)溫度為638 ℃），制約鍋爐帶負(fù)荷，目前鍋爐負(fù)荷率較低只有83%左右。同時(shí)，鍋爐NOx 化合物排放存在超標(biāo)現(xiàn)象，最高達(dá)到450 mg/m3（排放標(biāo)準(zhǔn)限值200 mg/m3）。

2 燃燒系統(tǒng)工藝優(yōu)化研究

通過(guò)燃燒和傳熱分析與測(cè)試，進(jìn)行鍋爐新型煤氣燃燒系統(tǒng)優(yōu)化研究與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)燃燒器低熱值煤氣穩(wěn)燃和強(qiáng)化混合燃燒，以及提高燃燒器壽命，達(dá)到鍋爐燃燒的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效的要求[5,6,7]。

2.1 煤氣燃燒特性

高爐煤氣中惰性氣體占70%以上，燃燒性能差，燃燒時(shí)火焰易出現(xiàn)不穩(wěn)定，易脈動(dòng)、易脫火。此外，高爐煤氣燃燒產(chǎn)生的煙氣輻射能力比煙煤要弱，鍋爐爐膛內(nèi)的傳熱能力約降低59%[5]。漣鋼高爐煤氣主要成分見(jiàn)表1。

表1 漣鋼高爐煤氣成分分析表

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁菦Q定煤氣燃燒是否穩(wěn)定的重要參數(shù)[5,6]。由圖1 可知，過(guò)量空氣系數(shù)控制在0.65至0.90之間時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最快。

圖1 高爐煤氣火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系

2.2 煤氣的著火及穩(wěn)燃

燃燒火焰溫度與燃燒效率、燃料品質(zhì)、預(yù)熱溫度以及燃料的散熱條件等有關(guān)，其函數(shù)關(guān)系式見(jiàn)公式（1）[5,6]。提高燃燒效率和燃料熱值、減少散熱以及預(yù)熱空氣或燃料可以顯著提升燃燒溫度，從而有利于煤氣的著火燃燒。

式中：tg——火焰溫度，℃；

η——燃燒效率；

H1——低位熱值，kJ／kg；

Q——燃料和空氣的物理熱，kJ／kg；

q——燃料散熱，kJ／kg；

G——燃燒產(chǎn)物中各煙氣成分的含量，m3／kg；

C——燃燒產(chǎn)物的平均定壓比熱，kJ／（kg·℃）；

t0——基準(zhǔn)溫度，℃。

如圖2所示，在一定的壓力和溫度下，任何可燃混合氣體都存在著一個(gè)能夠著火的濃度范圍，稱為著火濃度極限。幾種常見(jiàn)可燃?xì)怏w組分的著火濃度極限范圍見(jiàn)表2，混合氣體的著火濃度極限范圍可由公式（2）進(jìn)行估算，只有濃度處于這個(gè)范圍內(nèi)混合氣體才能著火燃燒。[5,6]

圖2 著火濃度極限范圍

表2 幾種常見(jiàn)可燃?xì)怏w組分的著火濃度極限 %

式中：P——可燃?xì)怏w組分占比；

l——可燃?xì)怏w組分的濃度界限。

燃空比表示的是燃料與空氣的質(zhì)量比，剛好完全燃燒時(shí)，空氣與燃料的質(zhì)量比即為化學(xué)當(dāng)量比[5]。表3 中給出了幾種常見(jiàn)可燃?xì)怏w常溫、常壓下的化學(xué)當(dāng)量比。當(dāng)量比定義為可燃混合物的實(shí)際燃空比C 與化學(xué)當(dāng)量燃空比Cst的比值，即燃料完全燃燒理論所需空氣量與實(shí)際供給空氣量之比[6]：

表3 常見(jiàn)氣體燃料的化學(xué)當(dāng)量比 %

式中：mf、ma、mast——分別表示燃料的質(zhì)量、實(shí)際和理論所需空氣質(zhì)量。

可由公式（4）計(jì)算，值越小越容易著火[6,7]。可見(jiàn)，提高火焰濃度或提高局部濃度、提前著火作為熱源均可降低Φ下限值，達(dá)到助燃的目的。

式中：T——燃燒環(huán)境溫度；

Φ下限——燃?xì)猱?dāng)量比的下限值。

煤氣與空氣充分混合是高效燃燒的基礎(chǔ)，混合速度的快慢直接影響煤氣的燃燒速度和火焰長(zhǎng)度[6]。煤氣鍋爐燃燒方式以擴(kuò)散燃燒為主，混合效果的好壞與流動(dòng)方式、氣流速度、燃燒器結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。合理延緩煤氣與空氣的混合，以使煤氣的濃度能達(dá)到著火要求的下限。此外，形成局部低速、高湍流脈動(dòng)區(qū)也有利于煤氣的著火及穩(wěn)燃[7]。

于是，可以利用的高效燃燒關(guān)鍵技術(shù)有：合理的空氣過(guò)量系數(shù)、余熱充分利用、合理選擇和布置燃燒器、合理組織爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)[8,9]。

2.3 回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)

如圖3所示，回流區(qū)分級(jí)著火燃燒的作用機(jī)制：將少量燃料氣流通過(guò)中間縫隙引入回流區(qū)使其先著火，再點(diǎn)燃兩側(cè)主流的分級(jí)著火燃燒過(guò)程。在鈍體后面形成一個(gè)穩(wěn)定的煙氣回流區(qū)，在邊界形成燃料濃度富集區(qū)。回流區(qū)邊界具有高湍流度，通過(guò)強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換將熱量傳遞給主流，點(diǎn)燃主流燃料。

圖3 回流區(qū)分級(jí)著火燃燒機(jī)制

回流區(qū)分級(jí)著火燃燒器，即開(kāi)縫鈍體燃燒器，是一種十分有效的強(qiáng)化燃燒方式。它以鈍體穩(wěn)焰技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)各類燃燒器的優(yōu)化具有普遍指導(dǎo)意義[10,11]。回流區(qū)分級(jí)著火燃燒器的特點(diǎn)：（1）燃燒強(qiáng)度可調(diào)節(jié)；（2）低負(fù)荷下穩(wěn)燃效果好；（3）有良好的防結(jié)焦性能；（4）噴口壽命長(zhǎng)。

為強(qiáng)化鍋爐低熱值煤氣著火燃燒及其穩(wěn)燃性能，本改造項(xiàng)目燃燒器選用基于局部高溫原理的回流區(qū)分級(jí)著火型燃燒器。

3 鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化方案

150 t/h 煤氣鍋爐燃燒器為分三層，呈四角切圓布置，共12臺(tái)燃燒器，使用混合煤氣（高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣）和焦?fàn)t煤氣作為主燃料，同時(shí)使用焦?fàn)t煤氣作為點(diǎn)火輔助燃料。

3.1 鍋爐基本參數(shù)

表4 鍋爐基本參數(shù)

3.2 鍋爐熱平衡計(jì)算

表5 鍋爐熱平衡匯總（純燒高爐煤氣工況）

3.3 鍋爐燃燒器設(shè)計(jì)

可初步等效計(jì)算出改造后的100%負(fù)荷率時(shí)燃?xì)庥脷庖?，如?中所示。

表6 滿負(fù)荷工況鍋爐用氣配比

按12 臺(tái)燃燒器和8 臺(tái)燃燒器分別達(dá)到滿負(fù)荷計(jì)算，則單臺(tái)燃燒器用氣配比和熱功率計(jì)算分別見(jiàn)表7和表8。

表7 單臺(tái)燃燒器用氣配比（按12臺(tái)燃燒器）

表8 單臺(tái)燃燒器用氣配比（按8臺(tái)燃燒器）

3.4 燃燒器結(jié)構(gòu)及安裝

采用回流區(qū)分級(jí)著火型煤氣燃燒器，按三層呈正四角布置，與爐膛下部蓄熱穩(wěn)焰裝置相配合，形成切圓燃燒，保證煤氣所需的溫度場(chǎng)及燃燒工況。在混合煤氣燃燒器出口處設(shè)計(jì)雙旋流結(jié)構(gòu)，燃?xì)鈧?cè)葉片與軸線夾角為40°，空氣側(cè)葉片為40°，煤氣旋流器和空氣旋流器方向相反，均采用耐高溫金屬材料310S，使煤氣與空氣混合均勻，燃燒充分。燃燒器出口設(shè)計(jì)蓄熱室，供穩(wěn)火用。每一層燃燒器都要設(shè)計(jì)有火檢裝置安裝套管。燃燒器里的煤氣管道采用316L 材質(zhì)，旋流器、空氣和煤氣出口管道部分采用310S 材質(zhì)。DN32 點(diǎn)火槍套管和DN40 火檢套管均采用310S 材質(zhì)，管壁厚度大于4 mm。空氣和煤氣管道厚度6 mm，燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 燃燒器（第二層）結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5 所示，燃燒器外形尺寸能滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝要求，不對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)及管道產(chǎn)生影響。新燃燒器安裝標(biāo)高和角度與原設(shè)計(jì)一致，保證爐內(nèi)切圓和氣流方向與原設(shè)計(jì)一致。新燃燒器與煤氣管道和熱風(fēng)管道采用焊接方式。煤氣管道為?480×6，控制閥門(mén)為DN450，熱風(fēng)閥門(mén)為DN450，改造閥門(mén)均利舊。新燃燒器內(nèi)部煤氣管道與熱風(fēng)通道完全獨(dú)立進(jìn)氣，焊縫全部采用滿焊，保證嚴(yán)密性。

圖5 燃燒器安裝布置示意圖

4 性能與效率分析

燃燒器性能與效率分析主要從燃燒效率以及污染物排放水平兩方面著手。其中，燃燒效率分析可通過(guò)排煙中CO 和O2等檢測(cè)計(jì)算，污染物排放主要通過(guò)檢測(cè)NOx和SO2等。

4.1 燃燒器燃燒效率分析

燃?xì)馊紵魅紵手饕绊戝仩t排煙熱損失Q2和氣體未完全燃燒損失Q3。其中，排煙熱損失指排出鍋爐煙氣具有的焓值高于進(jìn)入鍋爐空氣的焓值而造成的熱損失，其主要決定于排煙溫度和煙氣容積。而氣體未完全燃燒Q3是指排煙中含有未燃盡的CO、H2等可燃?xì)怏w造成的熱損失。由此可知，燃料在較低的過(guò)剩空氣系數(shù)下能實(shí)現(xiàn)充分燃燒即可提高鍋爐熱效率。

由表9可知，鍋爐負(fù)荷越高，排放煙氣中一氧化碳濃度越低。燃燒器在過(guò)?？諝庀禂?shù)1.1 時(shí)，排煙氧量也較低，同時(shí)一氧化碳基本正常，燃燒效率也保持在99.9%以上，燃燒器性能滿足要求。

表9 排放煙氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4.2 鍋爐污染物排放計(jì)算

鍋爐排放污染物主要是指二氧化硫、氮氧化物、粉塵等。實(shí)測(cè)的鍋爐煙囪大氣污染物排放濃度，應(yīng)按公式（5）折算為干煙氣基準(zhǔn)氧含量的大氣污染物基準(zhǔn)氧含量排放濃度，并以此濃度作為判斷排放是否達(dá)標(biāo)的依據(jù)。

式中，ρs——大氣污染物基準(zhǔn)氧含量排放濃度，mg/m3；

O基——干煙氣基準(zhǔn)氧含量，%；

O實(shí)——實(shí)測(cè)的干煙氣氧含量，%；

ρ實(shí)——實(shí)測(cè)大氣污染物排放濃度，mg/m3。

污染物排放與鍋爐燃料和運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系密切，此處污染物排放僅考察氮氧化物部分，即NOx，鍋爐基準(zhǔn)氧量O基為3%。鍋爐在線監(jiān)測(cè)CEMS 中均會(huì)顯示實(shí)測(cè)值和折算值。

（1）2020 年10 月11 日～13 日，鍋爐氮氧化物日排放濃度折算均值分別為128.879 mg/m3、127.26 mg/m3、132.815 mg/m3。

（2）2021年1月11日～17日，鍋爐氮氧化物日排放濃度折算均值分別為89.496 mg/m3、109.114 mg/m3、106.791 mg/m3、105.896 mg/m3、86.587 mg/m3、79.02 mg/m3、94.156 mg/m3。

（3）改造前鍋爐氮氧化物排放均維持在130 mg/m3左右水平，而改造后排放均可控制在110 mg/m3以內(nèi)，平均濃度可控制95 mg/m3，最低排放濃度可到79.02 mg/m3，改造后氮氧化物排放水平優(yōu)于改造前。

5 結(jié)論

(1)基于回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)原理的煤氣燃燒器，同時(shí)升級(jí)關(guān)鍵部位材質(zhì)，有效解決原燃燒器面臨的回火、設(shè)備燒損以及燃燒器腐蝕等引起的安全隱患。

(2)在過(guò)?？諝庀禂?shù)1.1 及以下值的狀態(tài)下，燃燒器燃燒效率均達(dá)到了99.9%以上。

(3)通過(guò)改造前后的氮氧化物排放數(shù)值對(duì)比，改造前鍋爐氮氧化物排放均維持在130 mg/m3左右水平，而改造后平均排放濃度可控制95 mg/m3，最低可到79.02 mg/m3，改造后氮氧化物排放低于改造前，達(dá)到指標(biāo)要求。