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400t/h全燃气锅炉燃烧系统的设计和优化
发布时间：2013-10-14 09:50 来源：未知
中国是钢铁生产大国，年产钢量超过1.0×108t，每冶炼1t生铁会产生约3000m3的高炉煤气，它们是极重要的二次能源，充分利用钢铁企业的副产煤气，不仅可以节约大量的燃料，而且可以极大地改善环境，
全燃气锅炉就是燃烧低热值的高炉煤气及转炉煤气的锅炉．
目前，国内已投产使用的最大的全烧高炉煤气锅炉是宁夏钢铁有限责任公司（以下简称宁钢）的400 t/h超高压、中间再热、自然循环汽包炉，其对应的汽机发电量为I50 MW.
本文对该高炉煤气锅炉进行了分析，并提出了一些优化设计方法．
1、高炉煤气的特性
高炉煤气是一种低热值的气体燃料，其Nz含量约为50%～60%．C02含量约为16%~20%，可燃成分主要为CO和H2，热值低且含量极少，co含量约为20%～26%，H2含量约为1.5%-2%，一般情况下，高炉煤气的低位发热量仅为2800—3 550 kVNm3.
由于高炉煤气中含有大量的惰性气体，可燃成分很少，每立方米煤气燃烧时所需的空气量也较少，每标准立方米高炉煤气所需的理论空气量仅为0.6 Nm3，约为同类型燃煤的70%，但其烟气量较大，是同类型燃煤的1.7倍左右．富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧颗�；�、木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
高炉煤气中的含硫量极少，且C。H。含量也极少，这使得烟气的露点较高，即使在点火初期也不会结露，因此无需考虑低温腐蚀等问题．
由于高炉煤气中的不可燃成分较多，其理论燃烧温度较低，仅为l 250～1300℃，是煤的理论燃烧温度的60%左右，其火焰中心温度低，化学反应速度慢，因此在设计锅炉时应考虑高炉煤气需要有足够的燃尽时间，还要解决燃烧火焰不稳定、易产生脉动、易脱火等问题，高炉煤气的着火温度比较高，为530~660℃，因此燃烧高炉煤气的锅炉通常应采用其他热值较高的点火燃料（天然气或者焦炉煤气）．高炉煤气燃烧为气气单相燃烧，一旦具备了着火和稳燃条件，燃烧就非常迅速，且火炬很短，
高炉煤气中的CO和Hz为易燃易爆气体，CO为有毒气体．高炉煤气在空气中的爆炸极限浓度为35%～71%，因此高炉煤气的安全稳定燃烧也是非常重要的．2400 t/h全燃气锅炉系统分析
为了实现高炉煤气锅炉的安全稳定完全燃烧，必须注意以下3点：
(1)煤气和空气的良好混合使混合气中的高炉煤气达到着火体积浓度，混合气的温度升高到着火温度．
(2)温度场温度的控制 由于高炉煤气燃烧不易回火、易脱火，因此在燃烧区域应尽量提高温度场温度．以保证火焰稳定和燃烧安全．
(3)受热面的布置合理布置受热面，可以有效提高锅炉的效率．
2.1高炉煤气燃烧器的设计
高炉煤气燃烧器主要有多管式和旋流式两种．小容量高炉煤气锅炉多采用多管式煤气燃烧器，煤气在管内流动，空气在管外流动，两种气体在燃烧器出口混合．这种燃烧器的火焰比较长，单个燃烧器的容量较低，适合4角布置，旋流式燃烧器的一般设计是使煤气和空气流经各自的通道，并在通道中设置了旋流叶片，当煤气和空气流经旋流叶片时产生旋流，在燃烧器出口产生强烈混合．其特点是负荷调节较大，低负荷状态下稳定燃烧性能好，不会发生回火．由于两种气体混合完全且燃烧充分，燃烧器火焰长度较短，单个燃烧器的容量较大，适合大容量的锅炉，宜前后墙布置．
宁钢的400t/h全燃气锅炉燃烧器为前后墙布置，前墙布置3层，后墙布置2层，每层布置4个燃烧器，共计20个，这种布置方法相对灵活，前后墙燃烧器层数不必相同，而且可以根据钢厂的实际情况增加其他气体的燃烧器．其中，前墙上层中间的2个为焦炉煤气燃烧器，其余18个均为高炉煤气燃烧器．前、后墙最下排的燃烧器及前墙上层中间的2个焦炉煤气燃烧器，均配备焦炉煤气点火装置。
高炉煤气燃烧器为双旋流型，锅炉负荷在50%~100%，可以不用稳燃燃料，并保证蒸汽参数，为了保证燃烧安全，每只燃烧器上配有火焰检测装置．另外，由于煤气是一种劣质气体燃料，为了保证燃烧的稳定性，炉膛燃烧器区和炉底敷有卫燃带，以保证锅炉低负荷时的稳定燃烧．．
2.2锅炉受热面的布置
锅炉炉膛主要负责完成蒸发吸热，通常中低压锅炉的蒸发吸热量超过60%，高压锅炉(10MPa．540℃，给水215℃)的蒸发吸热量约为49%，超高压再热锅炉(13.7 MPa，540℃，给水238℃)的蒸发吸热约为39%.由此可以看出，锅炉蒸汽压力越低，需要的蒸发吸热比例越大；蒸汽压力越高，需要的蒸发吸热比例越�。�
由于高炉煤气的燃烧生成物为不发光气体，辐射能力很差，因此炉膛吸热比例较小．高炉煤气锅炉的炉膛吸热比例随炉膛出口温度的变化如表l所示．
由表1可以看出，高炉煤气锅炉不能吸收蒸发全部热量，需要其他受热面来吸收多余部分，小容量中低压锅炉一般采用上下锅筒的对流管柬来吸收多余的热量，而大容量高参数高炉煤气锅炉的蒸发吸热比例较小，一般采用单锅筒布置，蒸发吸热后的多余热量采用沸腾式省煤器来吸收，
宁钢400 t/h全燃气锅炉为单锅筒布置，在其前烟道中布置沸腾式旁路省煤器．如果省煤器出口沸腾度超过30%，会导致省煤器的阻力增加，受热不均匀，甚至引发省煤器爆管事故，因此旁路省煤器的沸腾度一般控制在20%左右．
2.3煤气加热器的应用
高炉煤气锅炉的热损失主要是排烟损失，而排烟损失主要取决于锅炉的排烟温度，排烟温度每上升10℃，排烟的热损失增加约1qo．为了提高锅炉效率，减少排烟热损失，利用空气预热器的出口烟气对煤气进行加热，并在空气预热器后方吸风机前方布置了分离式煤气热管换热器．由于空气预热器出口热风温度已达到247℃，采用提高热风温度的方法来降低排烟温度效果不大，而采用加热冷煤气来降低排烟温度则是一种较为有效的方法，宁钢的400t/h全煤气锅炉采用煤气加热器后，排烟温度从193 qC降到了140℃，高炉煤气从20℃上升到140℃，保证锅炉的效率大于89%．
3、锅炉燃烧系统的优化设计
3.1烟风和煤气管道系统的优化
宁钢400 t/h全燃气锅炉是目前国内运行容量最大的全烧高炉煤气锅炉，其煤气管道及风道尺寸很大、数量很多，锅炉四周可布置的空间较为狭小，针对这一突出问题，对烟风和煤气管道系统的布置进行了优化，具体优化设计包括以下3个方面．
(1)煤气管道及热风管道采用母管高位锅炉两侧布置，以简化煤气管道放散系统，节约投资成本．由高位母管在锅炉前后墙4角向下引4根垂直立管，呈悬挂式布置，每层每组燃烧器所需的燃气和风量都从垂直立管上引出，每组燃烧器的燃气母管上设有流量计、调节阀和快切阀，每组燃烧器的热风母管上设有流量计和调节阀，另外，将热风母管布置在煤气母管下，并与煤气母管走向一致，使管道布置更加整齐、美观．
(2)燃烧系统的控制采用组单元控制，每组包括2个燃烧器，每层分左右两组，以此简化控制系统，同时减少阀门和管道，节约投资成本．
(3)每层左右两组燃烧器的煤气管道连接在一起组成层煤气母管，中间用堵板隔开，热风管道亦如此．这使得左右两组燃烧器的控制相对独立，不会相互干扰，面煤气和热风管道上的凋节阀可以根据锅炉负荷及燃烧情况进行独立调整，另外，层母管的设计增加了管道的刚度，减少了管道的支吊架．富通新能源生产销售的生物质锅炉以及木屑颗�；怪频纳镏士帕Ｈ剂鲜强突遣淮淼难≡�。
3.2煤气系统的安全设计
由于煤气是一种易燃、易爆、有毒气体，而且遇到明火还会引起炉膛爆炸．因此，设计中要考虑设备维修时泄漏煤气对人体造成的危害，以及对锅炉设备造成的损坏．
为了保证系统的安全运行，设计时采取了以下5项措施．
(1)煤气管道采用架空布置，除了必须采用法兰连接的地方外，其余采用焊接连接．
(2)每台锅炉的煤气母管上设置可靠的隔断措施，以保证锅炉停运时锅炉侧煤气管道和钢厂侧煤气管道完全隔断．安全隔断措施包括密封蝶阀、水封及盲板，密封蝶阀采用气动双偏心无泄漏蝶阀，水封有效高度在3m以上，水封后布置的盲板是为了确保无煤气泄漏．
(3)煤气管道内设置置换和放散系统，在煤气管道入口、管道及设备的最高处、管道末端、水封前后、阀门前后均设有放散管，放散管上设取样管，以测量煤气浓度．煤气置换可以采用N2或蒸汽．
(4)每组燃烧器前的煤气管道上设有快速切断阀，当锅炉需要MFT时迅速切断燃料供给，同时在高位煤气母管上也设有快速切断阀．
(5)为了防止煤气泄漏聚集引起爆炸及危害人身安全，锅炉房采用全敞开式布置，锅炉运转层的上下都不设围墙，防止煤气聚集．此外，在每层燃烧器附近均设有煤气泄漏报警装置，进行实时监控．
4、结语
炼钢厂废气通过燃烧发电是一件变废为宝、节能环保、利国利民的好事，煤气锅炉大型化也是必然趋势．本文根据宁钢400 t/h全烧高炉煤气的锅炉设计及运行经验给出了全烧锅炉煤气燃烧系统的优化设计，提高了锅炉的安全性，节约了投资成本。
