高爐煤氣補(bǔ)燃裝置在燒結(jié)余熱發(fā)電中的應(yīng)用

張帆 胡奇

（安鋼工程管理有限公司 河南 安陽 455000）

現(xiàn)階段，我國對節(jié)能減排工作日益重視，一部分鋼鐵廠家開始研究如何在發(fā)電環(huán)節(jié)對燒結(jié)煙氣余熱進(jìn)行應(yīng)用，目前已在經(jīng)濟(jì)、社會層面取得了較大的收益。但我國在燒結(jié)余熱發(fā)電的技術(shù)環(huán)節(jié)起步相對較晚，與發(fā)達(dá)國家相比差距相對較大。由此，在燒結(jié)余熱的發(fā)電環(huán)節(jié)，對高爐煤氣補(bǔ)燃裝置的實際應(yīng)用進(jìn)行研究，就目前現(xiàn)狀而言，擁有極其重要的現(xiàn)實意義。

1 高爐煤氣的補(bǔ)燃裝置中應(yīng)用的補(bǔ)燃技術(shù)概述

1.1 高爐煤氣在燃燒環(huán)節(jié)的特征

高爐煉鐵環(huán)節(jié)會形成體量龐大的高爐煤氣，高爐煤氣中存在的可燃成分大多數(shù)為CO，但僅占據(jù)高爐煤氣的20%～25%，其他大多數(shù)為惰性氣體。高爐煤氣主要存在如下特征。

1.1.1 著火性能差

在高爐煤氣中，可燃?xì)怏w的含量相對不高，著火溫度在550～650℃的范圍內(nèi)，著火開始時，對熱量需求相對較大。另外，高爐煤氣在著火層面的濃度下限數(shù)值相對較高，為35%左右，著火比較困難。

1.1.2 不易穩(wěn)燃

高爐煤氣在燃燒層面的理論溫度相對不高，只有1200～1340℃，僅占據(jù)燃煤溫度的60%左右，所以，爐膛內(nèi)部的溫度相對不高，導(dǎo)致燃燒期間火焰不穩(wěn)定，極容易出現(xiàn)脫火和脈動的現(xiàn)象。

1.1.3 穩(wěn)燃性能不高

因為存在較多惰性氣體，阻礙了O2與可燃成分的混合接觸，加之燃燒溫度相對不高，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度相對較慢，因此需要停留較長的時間，并經(jīng)過劇烈的攪動，才可以讓高爐煤氣實現(xiàn)完全燃燒。

1.2 應(yīng)用補(bǔ)燃技術(shù)的必要性

目前，我國在燒結(jié)余熱發(fā)電環(huán)節(jié)存在諸多問題，主要如下。

1.2.1 煙氣溫度相對較低

在具體運行環(huán)節(jié)，由于熱量損失及漏風(fēng)，導(dǎo)致高溫段、中溫段的煙氣溫度尚未切合設(shè)計數(shù)值就直接流入到余熱鍋爐中，溫度通常情況下都會比設(shè)計數(shù)值低出30～50℃，從而導(dǎo)致鍋爐出力被極大限度地降低，也影響了汽輪發(fā)電機(jī)組正常的發(fā)電數(shù)量，導(dǎo)致余熱發(fā)電機(jī)組在投資層面的回收期被迫延長，而且，致使主蒸氣的過熱度減少，汽輪機(jī)末級的蒸氣濕度又太大，情節(jié)嚴(yán)重時極有可能發(fā)生水擊的狀況。

1.2.2 鍋爐頻繁出現(xiàn)啟動、停止

具體生產(chǎn)環(huán)節(jié)，燒結(jié)工況的波動相對較大，設(shè)備在具體運行期間通常會發(fā)生一些不穩(wěn)定狀況，而且還會在短期內(nèi)出現(xiàn)解列的現(xiàn)象，這種狀況一旦發(fā)生，就會導(dǎo)致余熱鍋爐中的煙氣溫度出現(xiàn)較大的波動。為了對汽輪機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)，就不得不對余熱鍋爐采取停止操作。生產(chǎn)環(huán)節(jié)趨于穩(wěn)定之后，又需要重新啟動鍋爐，由此重復(fù)不斷地啟動、停止，不僅會導(dǎo)致電力、余熱的大量浪費，除去鹽水等一些資源之外，對于鍋爐的應(yīng)用壽命也會造成不利影響［1］。

2 補(bǔ)燃技術(shù)對于燒結(jié)余熱發(fā)電的影響

2.1 燒結(jié)余熱發(fā)電環(huán)節(jié)中的補(bǔ)燃系統(tǒng)

要想針對純低溫余熱發(fā)電的煙氣溫度中出現(xiàn)的不可控因素進(jìn)行有效解決，就需要設(shè)計煙溫調(diào)控系統(tǒng)，煙氣補(bǔ)燃自身屬于一種控制簡便、技術(shù)比較成熟的計劃?，F(xiàn)階段，我國在燒結(jié)余熱發(fā)電層面所應(yīng)用的補(bǔ)燃系統(tǒng)一共有4種。

2.1.1 煙道外部直燃補(bǔ)燃式的鍋爐

某個燒結(jié)余熱的發(fā)電項目中，應(yīng)用了在煙道外設(shè)置補(bǔ)燃燃燒器的方式，對于空氣進(jìn)行直接加熱，然后，將加熱完成之后的空氣摻雜在余熱鍋爐的煙道內(nèi)部，讓中溫?zé)峥諝?、高溫?zé)峥諝舛咴跓煹纼?nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)烈的混合之后，再進(jìn)入到汽輪機(jī)中，從而實現(xiàn)發(fā)電。此計劃主要是對空氣進(jìn)行直接加熱，能夠讓總煙氣量、煙氣溫度全部管控在指定的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，讓機(jī)組在運行期間的穩(wěn)定性得到有效保證，系統(tǒng)架構(gòu)相對比較簡單，同時，也可以讓機(jī)組在熱效率層面管控在有效區(qū)間內(nèi)，而且可以讓燃燒期間的穩(wěn)定性得到有效保障，另外，燃燒不會輕易出現(xiàn)熄火的現(xiàn)象，整個燃燒環(huán)節(jié)效率安全性都相對較高。

2.1.2 煙道內(nèi)部直燃式的補(bǔ)燃鍋爐

一部分研究人員研發(fā)出了一種可以對高爐煤氣進(jìn)行應(yīng)用，從而實現(xiàn)補(bǔ)燃方式的一種燒結(jié)余熱的計劃。此計劃主要是將點火裝備、燃燒器的噴嘴直接布設(shè)在燒結(jié)余熱鍋爐的進(jìn)口煙道內(nèi)部，高爐煤氣可以對煙道內(nèi)部的高溫?zé)犸L(fēng)進(jìn)行有效應(yīng)用，從而實現(xiàn)燃燒，之后起到放熱的作用，讓煙氣的溫度得到有效提升。此規(guī)劃可以對煙氣進(jìn)行直接加熱，能夠讓煙氣溫度、總煙氣量維持在設(shè)定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，讓機(jī)組在運行期間的穩(wěn)定性得到有效保證，也可以讓機(jī)組在熱效率層面維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

2.1.3 蓄熱式的補(bǔ)燃鍋爐

使用鋼鐵單位在煉鋼環(huán)節(jié)應(yīng)用的副產(chǎn)品——高爐煤氣對其直接進(jìn)行加熱，由此，燒結(jié)余熱鍋爐會形成飽和蒸氣，然后對飽和蒸氣進(jìn)行加熱，要求溫度數(shù)值為450℃、2.2MPA。加熱期間，所采用的鍋爐為切換式的蓄熱補(bǔ)燃鍋爐，此鍋爐可以對煤氣量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，并降低溫水量，讓進(jìn)入汽輪機(jī)中的蒸氣溫度維持一個平穩(wěn)數(shù)值，就整體角度而言熱效率相對較高［2］。

2.1.4 補(bǔ)燃鍋爐

在余熱鍋爐前方設(shè)置補(bǔ)燃鍋爐，通常情況下，是將燒結(jié)余熱鍋爐所生成的飽和水、飽和蒸氣全部引進(jìn)到燃煤鍋爐中，之后將飽和蒸氣、飽和水進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值截止。此計劃的主要優(yōu)勢就是形成的蒸氣溫度數(shù)值穩(wěn)定性相對較高、數(shù)值參數(shù)較高。

2.2 現(xiàn)存補(bǔ)燃系統(tǒng)的現(xiàn)狀

2.2.1 煙道外部直燃補(bǔ)燃式的鍋爐

此鍋爐應(yīng)用直接對空氣進(jìn)行加熱的方式，雖然相對而言比較簡單，但是由于高爐煤氣自身具有燃燒點極高的特征，導(dǎo)致高爐煤氣在具體燃燒環(huán)節(jié)極其容易出現(xiàn)熄火的現(xiàn)象，由此，就需要布設(shè)乙炔長明燈來讓此問題得到有效解決。對冷空氣進(jìn)行加熱時，必須加熱到所需要的溫度，而此環(huán)節(jié)也會相比較于煙道內(nèi)部直燃補(bǔ)燃式的鍋爐在燃燒期間會消耗更多的高爐煤氣。

2.2.2 煙道內(nèi)部直燃補(bǔ)燃式的鍋爐

環(huán)冷機(jī)的補(bǔ)燃系統(tǒng)即使由于無風(fēng)機(jī)等一些供風(fēng)裝置相對而言比較經(jīng)濟(jì)且簡單，但是由于余熱鍋爐在補(bǔ)燃環(huán)節(jié)所需要應(yīng)用的高爐煤氣通常情況下數(shù)量不多，在煙道內(nèi)部直接布設(shè)用于燃燒的裝備，煤氣所產(chǎn)生的火焰將會被大量的煙氣、煙氣較高的流速迅速熄滅，由此會在安全和操控層面帶來一系列的難度及問題。

2.2.3 蓄熱式的補(bǔ)燃鍋爐

此鍋爐計劃與補(bǔ)燃鍋爐比較相似，主要就是比較依賴余熱鍋爐所形成的飽和蒸氣量，鍋爐內(nèi)部的產(chǎn)氣量會伴隨環(huán)冷機(jī)中煙氣量的波動從而出現(xiàn)波動，很難讓汽輪機(jī)中的熱效率在設(shè)計值層面實現(xiàn)長時間的穩(wěn)定運行。而且，此方案對于鋼廠中所應(yīng)用到的高爐煤氣依賴程度相對較高，一旦鋼廠不再供應(yīng)高爐煤氣，發(fā)電機(jī)組的工作就會被迫停止。蓄熱形式的燃燒器極其容易出現(xiàn)壓力場波動、燃燒、爆燃、斷火、結(jié)焦、堵塞等諸多問題，在安全層面存在極大的隱患。

2.2.4 補(bǔ)燃鍋爐

此種類型的鍋爐通常情況下容量不大，屬于型號較小的鍋爐，所以，在熱效率層面相對不高，會過度依賴余熱鍋爐所形成的飽和蒸氣量、飽和水，導(dǎo)致補(bǔ)燃鍋爐中的熱負(fù)荷會出現(xiàn)較大的波動，鍋爐內(nèi)部的燃燒熱效率通常情況下比常規(guī)鍋爐要低出很多，很容易出現(xiàn)結(jié)焦的現(xiàn)象。而且，由于經(jīng)濟(jì)層面的利益，有關(guān)單位通常情況下為將補(bǔ)燃鍋爐當(dāng)作燃煤鍋爐進(jìn)行應(yīng)用，致使燃料在利用期間的效率不高，并形成二次污染現(xiàn)象，嚴(yán)重違背了節(jié)能減排目標(biāo)，所以，目前此種方法在我國已經(jīng)被嚴(yán)禁應(yīng)用［3］。

3 燒結(jié)余熱發(fā)電環(huán)節(jié)高爐煤氣補(bǔ)燃裝置的應(yīng)用案例

3.1 燒結(jié)余熱發(fā)電環(huán)節(jié)應(yīng)用的動態(tài)補(bǔ)燃技術(shù)

對于燃燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)所出現(xiàn)的一些問題，某公司提出了一種動態(tài)形式的補(bǔ)燃技術(shù)。

3.1.1 動態(tài)補(bǔ)燃技術(shù)的原理

某公司應(yīng)用外置形式的煙道，補(bǔ)燃裝備與余熱鍋爐的母煙道進(jìn)行有效相連。通過現(xiàn)場所供給的燃?xì)馊剂?，自主研發(fā)出一種低氮燃燒器，可以進(jìn)入到補(bǔ)燃裝置的焚燒室中，對其進(jìn)行燃燒，從而形成高溫?zé)煔?，然后將其運輸?shù)藉仩t的母煙道中，此高溫?zé)煔馀c燒結(jié)余熱的煙氣二者進(jìn)行混合之后，可以一同進(jìn)入到余熱鍋爐中。按照余熱鍋爐在運行中的具體狀況，動態(tài)地對于燃料的量進(jìn)行有效調(diào)控，調(diào)控的范圍主要為余熱鍋爐出力的0～100%。燒結(jié)生產(chǎn)線出現(xiàn)狀況時，會出現(xiàn)短暫的臨時停車現(xiàn)象，余熱資源不會進(jìn)入到鍋爐中，為了確保鍋爐不會出現(xiàn)解列的現(xiàn)象，補(bǔ)燃裝備會對負(fù)荷進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，范圍大概在鍋爐出力的30%，從而讓鍋爐在運行期間的穩(wěn)定性得到有效保證。當(dāng)余熱鍋爐無法達(dá)到指定出力時，運行期間補(bǔ)燃裝備會按照余熱鍋爐中的余熱資源，針對燃料進(jìn)行有效調(diào)控，從而讓余熱鍋爐的輸出得到保證，最終讓汽輪發(fā)電機(jī)組在發(fā)電量層面可以符合設(shè)計數(shù)值［4］。

3.1.2 動態(tài)補(bǔ)燃技術(shù)的特征

（1）智能化控制。此系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)應(yīng)用某公司研發(fā)出的NBMS 燃燒控制系統(tǒng)，讓補(bǔ)燃系統(tǒng)的動態(tài)性、穩(wěn)定性得到有效保證，對于燒結(jié)余熱在煙氣供給層面的范圍要求相對不高，可以在0～100%的范圍內(nèi)對其進(jìn)行動態(tài)化的調(diào)控。而且，此系統(tǒng)擁有檢修維護(hù)便利、投資較低、可靠性高、簡潔性強(qiáng)、系統(tǒng)性能高、占地面積小等特征。

（2）低氮燃燒技術(shù)。此系統(tǒng)應(yīng)用了某公司研發(fā)的低氮NOx燃燒器，此系統(tǒng)主要是由多個噴嘴進(jìn)行布設(shè)，應(yīng)用雙層的配風(fēng)口，內(nèi)層應(yīng)用旋流裝備，外層應(yīng)用直流配風(fēng)，此燃燒系統(tǒng)中安裝了低氮燃燒裝備，具體實現(xiàn)形式如下。

燃燒器可以應(yīng)用分級配方的方式，在火焰區(qū)域形成還原性的氣氛，對于氮氧化物的形成起到抑制性的作用。

燃燒器的內(nèi)層配風(fēng)采取旋流的方式，強(qiáng)化燃料和空氣之間出現(xiàn)的混合氣體，加大溫度在分布期間的均勻程度，消除局部區(qū)域的高溫現(xiàn)象，減少熱力型NOx的形成。

旋流配方所形成的渦流形狀的混合氣體在加熱爐的中心區(qū)域會形成低壓，導(dǎo)致一部分煙氣被抽回，從而減少燃燒中心的含氧數(shù)量，最終有效阻止NOx的生成。

燃燒器應(yīng)用多噴嘴的形式，減少每個火孔燃燒期間的負(fù)荷，細(xì)股燃?xì)馍淞骺梢詫諝膺M(jìn)行自動吸收，強(qiáng)化預(yù)混效果，加大溫度在分布期間的均勻程度，除去局部出現(xiàn)的高溫區(qū)域，減少熱力型NOx的形成［5］。

3.1.3 動態(tài)性新型補(bǔ)燃項目的分析

目前，國內(nèi)的燒結(jié)余熱發(fā)電大多數(shù)都采取環(huán)冷機(jī)前兩段中的高溫廢氣，溫度在300℃左右，舍棄了第3段250℃左右的廢棄資源。

常規(guī)余熱發(fā)電，一般情況下，選取前兩段的煙氣余熱，匹配一臺雙煙道的雙壓余熱鍋爐，最終裝機(jī)計算數(shù)值為13.2MW。

應(yīng)用南京博納制作的補(bǔ)燃系統(tǒng)之后，高爐煤氣的消耗量每小時可以達(dá)到4782m3，尤其第3 段的煙氣濃度可以提高到300℃左右之后，一起進(jìn)入余熱鍋爐中，裝機(jī)此時計算的數(shù)值為16.1MW，相較于以往的裝機(jī)規(guī)模，在數(shù)值層面高出2.9MW。

3.2 燒結(jié)余熱發(fā)電環(huán)節(jié)應(yīng)用的循環(huán)燃燒補(bǔ)燃技術(shù)

現(xiàn)階段，有關(guān)人員針對燒結(jié)余熱發(fā)電在技術(shù)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題進(jìn)行創(chuàng)新，提出了一種新型的燃燒補(bǔ)燃技術(shù)，即循環(huán)燃燒補(bǔ)燃形式的新型燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)。

此系統(tǒng)主要是通過變頻風(fēng)機(jī)，從余熱鍋爐的進(jìn)口煙道中牽引出一部分熱煙氣，與鋼廠中多余的高爐煤氣進(jìn)行混合，然后對其進(jìn)行燃燒，形成的高溫?zé)煔狻煹纼?nèi)部的低溫?zé)釤煻咧g進(jìn)行混合，之后再進(jìn)入到鍋爐中，對其進(jìn)行換熱操作，換熱完成之后，煙氣會被鍋爐尾部的循環(huán)風(fēng)機(jī)牽引，再次進(jìn)入燒結(jié)環(huán)冷機(jī)底部區(qū)域的冷卻燒結(jié)礦料，在經(jīng)過冷卻之后，中溫?zé)煔鈺俅芜M(jìn)入到鍋爐的進(jìn)口煙道中。系統(tǒng)布設(shè)了補(bǔ)風(fēng)口用來彌補(bǔ)漏風(fēng)及煙氣消耗，而且額外設(shè)置了排煙的煙囪，避免CO在煙氣循環(huán)期間出現(xiàn)大量積聚現(xiàn)象。

此系統(tǒng)在應(yīng)用期間有較為顯著的優(yōu)勢，原因是此方案可以對汽輪機(jī)進(jìn)口處的3 個參數(shù)進(jìn)行有效管控，讓其與設(shè)計參數(shù)接近，不會再由于環(huán)冷風(fēng)機(jī)中的煙氣參數(shù)出現(xiàn)波動，從而對鍋爐產(chǎn)氣量造成不必要的影響，相比較于現(xiàn)存的燒結(jié)余熱形式的發(fā)電補(bǔ)燃技術(shù)而言，讓穩(wěn)定性得到了顯著的提升，即使是在春、冬寒冷季節(jié)對其進(jìn)行應(yīng)用，也能夠讓余熱發(fā)電系統(tǒng)在運行期間的穩(wěn)定性得到有效保證。因為煙氣屬于循環(huán)應(yīng)用的方式，而且降低了冷源的損失，所需的高爐煤氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直燃形式的系統(tǒng)，讓發(fā)電效率得到了極大程度的提升。而且，因為應(yīng)用到了煙氣再循環(huán)技術(shù)，所以煙氣中的含氧量會低于空氣中的含氧量，有利于抑制燃燒環(huán)節(jié)氮氧化物的形成，最終起到環(huán)保、節(jié)能的作用［6］。

4 結(jié)語

綜上所述，在燒結(jié)余熱發(fā)電環(huán)節(jié)對高爐煤氣的補(bǔ)燃裝置進(jìn)行應(yīng)用，能夠極大程度地提升燒結(jié)余熱回收發(fā)電機(jī)組在利用環(huán)節(jié)的效率，而且還能夠起到穩(wěn)定維修機(jī)組工況的作用，確保機(jī)組在完善之后的運行，可以符合設(shè)計環(huán)節(jié)的規(guī)定發(fā)電量，確保新機(jī)組可以回收到較之以往更多的余熱資源，從而達(dá)到減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)能源消耗的目標(biāo)。