1、最新纯燃高炉煤气锅炉吸热特点及运行纯燃高炉煤气锅炉吸热特点及运行纯燃高炉煤气锅炉特点及运行秦小东朱宇翔摘要：本文通过对高炉煤气特性的分析，NG-220/9.8-Q1锅炉的结构的阐述，以及与燃煤锅炉的比较，得出纯燃高炉煤气锅炉的特点，结合实际运行，得出高炉煤气参数变化对锅炉的影响。关键字：纯燃高炉煤气锅炉 吸热特点 运行Characters of pure firing BFG boiler and operationQin Xiao-dong , Zhu Yu-xiangAbstract: Characters of pure firing BFG(blaster furnace gas) b
2、oiler absorbing heat are gotten according to analyzing BFG characters and describing NG-220/9.8 Q1 boilers. Along with the operating experience, it is discussed how BFG parameters affect the operation of BFG boiler.Key words: Pure firing BFG boiler ; Characters of absorbing heat ; Operation. 0.前言高炉煤
3、气是冶金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。相对于燃煤锅炉，燃气锅炉的研究与设计要薄弱得多，特别由于高炉煤气作为锅炉的完全燃料，使锅炉的结构和运行都具有其特有的特性。本文主以上海威钢能源公司的一台220T/H的纯然高炉煤气的高温高压锅炉为例，介绍了全然高炉煤气高温高压锅炉的特点，并着重阐述分析高温高压全然高炉煤气锅炉的吸热特性与相应的运行要点。1.高炉煤气的特性1.1高炉煤气的成分及发热量 高炉煤气其主要可燃成分是CO和少量的H2，其余为惰性气体N2和CO2,与其它动力燃料相比它是一种低热值燃料。表1为上海威钢利用的高
4、炉煤气具体成分指标。表1 高炉煤气各成分的体积分数 %燃料成分COCO2H2N2含尘量含水量变化范围21-2519-251-450-57 50mg/ m3 10g/ m3根据CO及H2的低位发热量可计算出高炉煤气的低位发热量，见表2。表2 CO、 H2低位发热量及高炉煤气的低位发热量COH2高炉煤气低位发热量kJ/ Nm312644107942763-3592一般说来，理论燃烧温度随着燃气低位发热量的增大而增大。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3表3 各种燃料理论燃烧温度对比燃料类别烟煤燃油天然气高炉煤气理论燃烧温度1900-21002000-2200
5、1800-20001100-1300 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180其理论燃烧温度也仅有1300，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。1.2 高炉煤气燃烧烟气量 纯烧高炉煤气锅炉烟气量大，下表4为产生1MJ燃烧热燃料燃烧烟气量。表4 产生1MJ燃烧热各种燃料燃烧产生烟气量对比燃料热值产生烟
6、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. 高炉煤气不稳定性由于高炉煤气是高炉炼铁过程中的一种副产品，其主要参数热值及压力受制于高炉运行工况。当高炉工况发生变化时会引起高炉煤气热值、压力大幅变化，在笔者从事的七
7、年高炉煤气锅炉运行生涯中，这种高炉煤气热值、压力大幅变化时有发生，热值最大波动幅度超过多，这一点与燃煤锅炉有着很大区别。2.高温高压纯燃高炉煤气锅炉简介 因为高炉煤气热值低，所以为了组织好高炉煤气的燃烧，纯然高炉煤气锅炉必然有其相应特点。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，马钢等单位投入运行。上海威钢公司锅炉型号为NG-220/9.8-Q1。2.1 设计参数见表5表5 NG-220/9.8-Q1锅炉参数额定蒸发量220T/H过热器出口温度540过热器出口压力9.81 MPa锅筒工作压力11.28 MPa给水温度220锅炉连续排污率 3冷风温
8、度20煤气进口温度202.2 基本结构 高炉煤气属于气体燃料,所以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。炉膛为双缩腰结构，过热器系统由屏过、高温过热器、低温过热器组成，省煤器为两级布置、空气预热器为单级布置，尾部是分离式热管煤气加热器。50MW高温高压锅炉受热面的布置见图1。 图1 炉膛受热面布置示意图结构特点：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。 2
9、.3 高炉煤气燃烧方式及装置燃料与空气不预先混合的燃烧称为扩散燃烧。由于气体燃料与空气的混合速度比燃烧反应速度慢得多，因此，燃烧速度与燃烧完善性主要取决于混合过程的快慢和混合的完全程度。实际上，燃料与空气的混合是靠它们之间的质量扩散作用实现的，因此扩散燃烧速度也只要取决于扩散速度。高温高压全燃高炉煤气的锅炉选择的燃烧方式是扩散燃烧方式。高炉煤气燃烧器采用的是双旋流燃烧器。布置方式多选前后墙对冲布置。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。具体双旋流燃烧器示意图见图2。 图2 双旋流燃烧器结构示意图该燃烧器的特点：1无预混段，有焰燃烧
10、；2. BFG、二次风（空气）经过切向叶片同向旋转，可加强扰动，加强混合；由于BFG燃烧是均相燃烧对后期混合要求不高。最大特点就是前期混合好；3在中心区产生负压区，可抽吸炉内高温烟气，有利于BFG的着火，BFG与空气充分混合火焰稳定性好，不易产生回火和脱火；4火焰结构为：只存在外最锥火焰锥面。5阻力特性好，总阻力水平低，能够适应高炉煤气压力在一定范围的波动；6单只燃烧器的功率大，负荷调节性好；3. 锅炉受热面吸热特点3.1 220T/H高压纯燃高炉煤气锅炉与燃烟煤锅炉受热面对比(比较数据来自文献1)3.1.1炉膛 表6为炉膛热力计算数据。高炉煤气理论燃烧温度比烟煤低650，火焰黑度约比烟煤弱4
11、5%，使得炉膛辐射换热量大大减少，比烟煤降低了39.3%。而炉膛辐射受热面需增加15。9%，辐射受热面热负荷降低47.6%，同时炉膛出口温度下降50。表6 炉膛计算数据燃料种类辐射受热面积m2理论燃烧温度炉膛出口温度吸热量MJ烟煤756.91995102795.2高炉煤气877.4134798157.83.1.2 过热器 一般的说，过热器的汽温特性主要受到受热面布置的影响。对于NG-220/9.8-Q1锅炉在炉膛出口处布置有半辐射式受热面屏式过热器，吸收炉膛辐射热，其余为对流过热器。计算表明：高炉煤气锅炉辐射过热器吸热量只占总过热吸热量的5%，其汽温特性基本接近纯对流式过热器的汽温特性。表7为
12、高温和低温过热器的计算结果。表7 高温和低温过热器的计算数据燃料种类受热面积m2烟气流速m/s吸热量MW高过低过高过低过高过低过烟煤9728708.78.721.0113.92高炉煤气66451513.114.418.2714.79 以对流过热器为主的过热器系统，吸热量主要取决于传热温压和传热系数。而高炉煤气含有大量惰性气体，燃烧产物的容积流量较大，对于50MW高压锅炉，燃用高炉煤气时烟气容积流量比燃用烟煤大50%多，相应的烟气流速也提高50%多，传热系数因此也大大提高。基于以上分析，高炉煤气锅炉对流过热器面积比烟煤锅炉减小34%。3.1.3 省煤器 燃煤高压锅炉炉膛蒸发受热面吸热量占工质从水
13、到饱和蒸汽总吸热量的88%，而高炉煤气锅炉只能完成55%，其余必须有省煤器来完成。为此，高炉煤气锅炉省煤器沸腾度达到25%。计算表明对于50MW高压锅炉，省煤器吸热量比燃用烟煤锅炉增加2.6倍，受热面积是燃用烟煤锅炉的2倍左右。表8为省煤器的比较数据。表8 省煤器技术数据燃料种类受热面积m2烟气流速m/s传热系数kw m2/吸热量MW烟煤18908.060.05112.8高炉煤气381912.40.08646.23.2 纯燃高炉煤气与燃煤锅炉的三种受热面面积比较220T/H高压纯燃高炉煤气锅炉与燃煤锅炉的炉膛、过热器及省煤器的数据比较见表9，表9 炉膛、过热器及省煤器的数据比较炉膛受热面积m2
14、过热器受热面积m2省煤器受热面积m2烟煤756.99721890高炉煤气877.46443819增加比例0.16-0.341.024. 相关分析无论哪一种受热面，其吸热满足公式 Q=KAT其中： K-换热系数 T-传热温压 A-换热面积 锅炉在额定负荷运行时，遇到输入锅炉热量（燃料原因）大幅波动时，与燃煤锅炉相比，燃高炉煤气锅炉的运行参数变化有以下特点：1.当输入锅炉热量正向变化时，由于炉膛受热面积增加，故炉膛受热面吸热增加较多。而过热器受热面积减少，故过热器受热面吸热增加不多；2. 当输入锅炉热量负向变化时，由于炉膛受热面积增加，故炉膛受热面吸热减少不多。而过热器受热面积减少，故过热器受热面
15、吸热减少较多。5. 结论纯燃高炉煤气锅炉由于高炉煤气的燃烧特性、锅炉本身的结构以及受热面吸热特点，相对燃煤锅炉来说，在锅炉运行调整中，可得出以下结论：1、当输入锅炉热量大幅上升时（高炉煤气热值大幅升高，压力大幅升高），由于炉膛受热面吸热增加较多，而过热器受热面吸热增加不多。故主汽压力成为主要控制对象，此时处理原则为：快速减少煤气量，即减少输入锅炉的热量从而迅速控制汽压，以防止锅炉出现超压事故；同时防止燃烧器由于过负荷而烧坏。2、当输入锅炉热量大幅下降时（高炉煤气热值大幅下降，压力大幅下降），由于炉膛受热面吸热减少不多，而过热器受热面吸热减少较多。故汽温成为主要控制对象，处理原则应为：快速增加煤
16、气量，增加输入锅炉的热量从而迅速控制汽温，以防止出现蒸汽带水事故。以上的运行调整要点在实际运行中已经得到充分验证。究其本质，它来自于纯燃高炉煤气锅炉吸热特点，即由高炉煤气的燃烧性质所决定。参考文献：1 庄正宁，曹子栋，唐桂华，沈月芬. 50MW高压锅炉全燃高炉煤气的研究J.热能动力工程.2001.5.2 杭州锅炉厂.热力计算汇总表.98397JS13 刘景生 王子兵. 全燃高炉煤气锅炉的优化设计.河北理工学院学报.2000.54 黄毅新 赵剑云.220T/H高温、高压、纯燃高炉煤气锅炉设计.动力工程.1996.105 同济大学 重庆建筑大学等编. 燃气燃烧与应用M北京：中国建筑工业出版社.2000.
