全燃高炉煤气高温高压锅炉的运行特性

全燃高炉煤气高温高压锅炉的运行特性

朱宇翔秦小东

（上海交通大学工程硕士上海威钢能源公司）

0前言

高炉煤气是钢铁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。每生产一吨生铁约可得1600-2000立方米高炉煤气，产量很大。作为二次能源，钢铁企业内部主要作为热风炉和工业锅炉的燃料使用，但仍有大量富余被排放掉。同时随着高炉的大型化，使高炉煤气的产生量成倍增加。中、低参数燃用高炉煤气的工业锅炉在容量和能源利用方面已不能适应高炉煤气产量的增加。将高炉煤气作为电站的一种动力燃料既可减少高炉煤气的排放，减少污染同时也可减少电站对动力用煤的需求。因而大型电站锅炉掺烧高炉煤气以及高炉煤气的燃气轮机，全燃高炉煤气的高温高压电站锅炉应运而生。高炉煤气作为锅炉的完全燃料因为其所具有的某些特性，使锅炉的结构和运行都具有其特有的特性。本文主要以上海威钢公司的一台220T/H的全燃高炉煤气的高温高压锅炉为例，介绍了全燃高炉煤气高温高压锅炉的特点，并阐述了高温高压全燃高炉煤气锅炉的运行特性。

1高炉煤气的特性

1.1高炉煤气的成分及发热量

高炉煤气是在高炉生产的过程中焦炭经气化后转变而得的.高炉煤气中含有大量的N2和CO2,其主要可燃成分为CO,与其它动力燃料相比它是一种低热值燃料。

高炉煤气成分

高炉煤气的热值约为3000KJ/ M3，根据高炉的运行工况热值将会有所波动。

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

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％左右。

1.2 高炉煤气燃烧的稳定性

在常压下,高炉煤气着火温度为530℃-650℃，在室温及常压下着火浓度极限为35-71％。高炉煤气的着火浓度随温度升高其范围会变宽。由于其火焰温度较低，而且高炉煤气中含有大量惰性气体使火焰传播速度减慢，着火和稳定燃烧都比较困难。但一旦达到着火稳燃的条件，燃烧还是相当迅速的。

1.3 高炉煤气燃烧烟气量

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。

1.4安全性

高炉煤气是一种有毒气体，一旦泄露聚集会引起中毒，甚至爆炸事故，因此高炉煤气的输送系统及燃烧设备等要求严格密封。高炉煤气常温常压下着火浓度为35-71％，在此范围内高炉煤气存在爆炸的可能，所以一般规定输送管道中的氧浓度小于5％。

2高温高压全燃高炉煤气锅炉简介

因为高炉煤气与众不同燃烧特性，所以为了组织好高炉煤气的燃烧，全燃高炉煤气锅炉必燃有其相应特点。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，上海威钢公司等单位投入运行。

2.1 设计参数

2.2 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。结构简图如下：

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。

另外韶钢松山钢铁公司高温高压全燃高炉煤气锅炉的结构与上述锅炉略有不同，其结构

简图如下：

该锅炉未将燃烧区单独隔开，但在燃烧中心区加入蓄热稳燃器，其目的也是为了加强稳定高炉煤气燃烧的稳定性。

2.3 燃烧装置

高温高压全燃高炉煤气的锅炉选择的高炉煤气燃烧器基本都是双旋流燃烧器。布置方式多选前后墙对冲布置，也有选择四角布置的。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。

该燃烧器的特点：

1、着火性能良好，燃烧稳定；

2、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；

3、单只燃烧器的功率大，负荷调节性好；

3高温高压全燃高炉煤气锅炉的运行特性

3.1 低负荷运行

高炉煤气虽燃发热量低，理论燃烧温度低，着火、稳定燃烧困难，但一旦具备着火和稳燃的条件，燃烧相当迅速，火炬很短。高温高压全燃煤气的锅炉采用了双旋流燃烧器，单独分隔开的燃烧区（或高温蓄热稳燃装置），空气和燃料同时预热来强化、稳定高炉煤气的燃烧。达到了良好的效果，具有很强的低负荷运行适应能力。尤其是双旋流燃烧器——高炉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行气流，并从内外两侧卷吸周围介质。两股气流之间存在相对速度混合强烈。尽管扩散燃烧的火焰温度不高，但较均匀，火焰稳定性好。由于两股气流离开燃烧器后均存在切向速度。气流的扩散角增大，有利于中心回流区卷吸高温烟气，利于高炉煤气的点燃和增加了火焰稳定性。使得在高炉煤气量骤减时，锅炉在低负荷（20-30％）仍能不用辅助燃料稳定运行。以上海威钢公司的全燃高炉煤气高温高压锅炉为例作简单估算，锅炉在满负荷运行时共有15只燃烧器投用，高炉煤气的用量约为200000 M3/H，单只燃烧器的高炉煤气用量1.3 M3/H,燃烧器的直径D=670mm,燃烧器的截面积A=∏0.672/4=0.3526 M2，高炉煤气的流速V=Q/A=13000/3600/0.3526=10.24m/s,高炉煤气的雷诺数Re=V*D/υ(其中υ为运动粘度mm2/s)

υ=14.3mm2/s=14.3×10-6m2/s

Re=48×104>2300----瑞流

根据湍流火焰传播速度V与层流火焰传播速度V的比值与Re有关，可通过查图求得比值约为55；层流火焰传播速度V为(0.2-1.3 m/s),取0.2m/s则此高炉煤气火焰传播速度V=55*0.2=11 m/s>10.24 m/s

故不会发生熄火；在高炉煤气管道内无氧气，故又不会发生回火。可见在正常运行时，此燃烧器燃烧很稳定。

负荷分配与燃烧器使用数的关系如下:

从上表可以看出，无论负荷为多少，其燃烧器的出力基本维持不变。即当负荷减少至20%MCR 时，可通过减少投入燃烧器的只数，来调节每只燃烧器的出力维持基本不变。这样就能保证湍流燃烧时，保持较高的雷诺数Re，也就保证了较高的湍流火焰传播速度，只要湍流火焰传播速度不小于燃烧器出口高炉煤气的气流速度，就不会产生脱火现象，燃烧就是稳定的。对上述计算的最好证明莫过于在实践，上海威钢公司锅炉在负荷减至20-30%MCR时，仍能不需要投油助燃，高炉煤气燃烧依然稳定。韶钢松山钢铁公司高温高压全燃高炉煤气锅炉也能达到30%MCR的低负荷运行能力。不过需要注意的是低负荷运行时应尽量保证单只燃烧器的负荷亦即燃料量和燃料浓度以保证燃烧的稳定性。

3.2 燃烧风量的控制