韓光磊

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司,河北唐山063200)

首鋼京唐鋼鐵公司煉鐵廠擁有兩臺(tái)5500 m3高爐,在高爐的生產(chǎn)過程中每臺(tái)高爐產(chǎn)生高爐煤氣約80萬m3/h,過去由于這些高爐煤氣發(fā)熱量低不能得到有效利用,只能大規(guī)模放散,嚴(yán)重污染了環(huán)境同時(shí)浪費(fèi)大量能源。為此首鋼京唐鋼鐵公司在新建公司自備電廠時(shí),2臺(tái)300 MW機(jī)組配套的100%燃燒煤粉鍋爐,采用了摻燒20萬m3/h高爐煤氣同時(shí)摻燒0～35000 m3/h焦?fàn)t煤氣的裝置,目的是使大量外排的高爐煤氣得到有效利用。本文將對(duì)該爐的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析和介紹,并對(duì)鍋爐運(yùn)行的效果進(jìn)行總結(jié)。

1 鍋爐特點(diǎn)

摻燒高爐煤氣的煤粉鍋爐采用了單汽包自然循環(huán),膜式水冷壁,中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng),配備了固態(tài)排渣系統(tǒng),以及布袋除塵系統(tǒng)、海水脫硫系統(tǒng)等配套輔助設(shè)備;為了摻燒高爐煤氣,鍋爐的燃燒系統(tǒng)、受熱面結(jié)構(gòu)和汽溫調(diào)節(jié)方式等不同于一般的煤粉鍋爐,并且還設(shè)有針對(duì)摻燒高爐煤氣的保護(hù)裝置。

1.1 燃燒系統(tǒng)

(1)燃燒器的布置 鍋爐采用四角布置的切向擺動(dòng)式燃燒器,燃燒出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為38°和44°,在爐膛中心形成逆時(shí)針旋向的兩個(gè)直徑稍有不同的假想切園。為了削弱爐膛出口煙氣的旋轉(zhuǎn)而引起的爐膛出口煙溫偏差,燃盡風(fēng)室被設(shè)計(jì)成反切。為了控制NOx的排放量燃燒系統(tǒng)選取了較大的燃盡風(fēng)率,同時(shí)燃燒器分組拉開式布置及合理配風(fēng)形式;鍋爐配套煤粉燃燒器采用水平濃淡煤粉燃燒器,有利于保證及時(shí)著火及燃燒穩(wěn)定和及時(shí)燃盡,在保證鍋爐效率的基礎(chǔ)上也能有效抑制NO x排放。燃燒器采用的大風(fēng)箱結(jié)構(gòu),被隔板分隔成若干風(fēng)室,在各風(fēng)室的出口處布置數(shù)量不等的燃燒器噴嘴,其中頂部的燃盡風(fēng)室可作水平±10°擺動(dòng),一次風(fēng)噴嘴和中間焦?fàn)t煤氣噴嘴可上下擺動(dòng)各20°,其余二次風(fēng)噴嘴可作上下各 30°的擺動(dòng),以此來改變?nèi)紵行膮^(qū)的位置,調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)各輻射受熱面的吸熱量,從而調(diào)節(jié)再熱汽溫。每角燃燒器共有19個(gè)噴嘴(分為上下兩組),其中頂部燃燼風(fēng)室4個(gè),上端部空氣風(fēng)室2個(gè),中間焦?fàn)t煤氣風(fēng)室3個(gè),煤粉風(fēng)室5個(gè),下部焦?fàn)t煤氣風(fēng)室1個(gè),高爐煤氣風(fēng)室2個(gè),下端部空氣風(fēng)室2個(gè),空風(fēng)室1個(gè)。兩層八只高爐氣燃燒設(shè)備由高爐煤氣噴口和高爐煤氣氣槍兩部分組成,按摻燒熱量20%BMCR高爐煤氣設(shè)計(jì),最大摻燒量為熱量30%BMCR,安裝在燃燒器的最下部。高爐煤氣點(diǎn)火設(shè)備采用多管平流式點(diǎn)火槍,每只高爐煤氣噴口中布置有13行9列共117只高爐煤氣氣槍,高爐煤氣氣槍前端采用耐熱不銹鋼材料。

(2)點(diǎn)火設(shè)備 鍋爐采用兩級(jí)點(diǎn)火,即由高能電火花點(diǎn)燃焦?fàn)t煤氣,焦?fàn)t煤氣點(diǎn)燃高爐煤氣及煤粉,點(diǎn)火所需的最大焦?fàn)t煤氣量為35000 m3/h,系統(tǒng)入口焦?fàn)t煤氣壓力為5.5 kPa。單只點(diǎn)火槍耗氣量約為50 m3/h,煤氣噴嘴最大耗氣量3000m3/h。四層(16支)焦?fàn)t氣點(diǎn)火設(shè)備用來點(diǎn)火、暖爐、升壓并可引燃和穩(wěn)燃相鄰煤粉(高爐煤氣)噴嘴;點(diǎn)火設(shè)備由焦?fàn)t煤氣噴口、焦?fàn)t煤氣氣槍、焦?fàn)t煤氣點(diǎn)火器三部分組成,最下層焦?fàn)t氣噴口采用固定噴嘴形式,用于高爐煤氣的點(diǎn)火,其余三層均位于煤粉風(fēng)室之間,采用擺動(dòng)式噴嘴形式,用于點(diǎn)燃相鄰煤粉。16只焦?fàn)t焦?fàn)t煤氣點(diǎn)火槍都為扁嘴式多孔點(diǎn)火槍煤氣氣槍,單只最大容量3000 m3/h,產(chǎn)生的火焰可在0.5～1.1m的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),可保證有較好的點(diǎn)火火炬特性,可以及時(shí)點(diǎn)燃焦?fàn)t煤氣氣槍,形成穩(wěn)定著火燃燒的火炬。為了吸收鍋爐熱態(tài)膨脹量,焦?fàn)t煤氣點(diǎn)火器同管道采用金屬軟管連接;點(diǎn)火器內(nèi)部為密封通道,可以杜絕點(diǎn)火器和燃燒器的爆燃或自燃。單只焦?fàn)t氣點(diǎn)火器容量50 m3/h。

1.2 受熱面

該鍋爐采用了14048mm×12468 mm準(zhǔn)正方形爐膛,爐本體高54600 mm,爐膛比同類型高15 m左右,由于燃盡高度較高加之采用水平濃淡煤粉燃燒器和燃燒器分級(jí)布置等措施,可以保證該鍋爐全燒煤粉及摻燒煤氣時(shí)及時(shí)著火和充分燃盡。爐膛上方布置有低溫再熱器、分隔屏過熱器、屏式再熱器和后屏過熱器,水平煙道布置有高溫再熱器、高溫過熱器,尾部豎井煙道布置有低溫過熱器,省煤器、各級(jí)過熱器、再熱器之間采用單根或數(shù)量很少的大直徑連接管相連接,蒸汽可以得到較充分的混合。各級(jí)過熱器和再熱器最大限度地采用蒸汽冷卻的定位管和吊掛管,以保證運(yùn)行的可靠性,防止運(yùn)行中的晃動(dòng)。摻燒大量高爐煤氣時(shí)由于煙氣量增加,各受熱面壁溫隨之升高,設(shè)計(jì)在精確計(jì)算壁溫、阻力和流量分配的基礎(chǔ)上,選用高強(qiáng)度高壓無縫鋼管作為省煤器、過熱器、再熱器材質(zhì);所有大口徑集箱和連接管在保證性能的基礎(chǔ)上也選用高強(qiáng)度高壓無縫鋼管。

1.3 汽溫調(diào)節(jié)方式

該鍋爐的設(shè)計(jì)不僅考慮了完全燃煤的工況,還重點(diǎn)兼顧了摻燒高爐煤氣的工況,所以過熱器系統(tǒng)比同類型的300MW鍋爐增設(shè)了一級(jí)噴水減溫器。過熱器采用三級(jí)五點(diǎn)噴水,減溫器采用笛管式,第一級(jí)噴水減溫器設(shè)于低溫過熱器到分隔屏的大直徑連接管上,第二級(jí)噴水減溫器設(shè)于分隔屏與后屏過熱器之間的大直徑連接管上(分左右布置),第三級(jí)噴水減溫器設(shè)于后屏過熱器與末級(jí)過熱器之間的大直徑連接管上(分左右布置)。機(jī)組的設(shè)計(jì)噴水量為主蒸汽流量的10%,其中一級(jí)減溫器設(shè)計(jì)噴水量為總噴水量的2/3,二級(jí)和三級(jí)減溫器設(shè)計(jì)噴水量各為總噴水量的1/6。再熱器的調(diào)溫主要靠燃燒器的擺動(dòng),過量空氣系數(shù)的改變對(duì)過熱器和再熱器的調(diào)溫也有一定的作用。再熱器設(shè)有二級(jí)噴水減溫器,分別位于再熱器進(jìn)口導(dǎo)管及再熱器前屏與末級(jí)再熱器之間的大直徑連接管上,共四點(diǎn)布置。減溫器采用機(jī)械霧化噴嘴,在完全燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí),噴水減溫器只作為事故噴水減溫器;在摻燒煤氣時(shí),再熱器噴水減溫器參與調(diào)節(jié)再熱器系統(tǒng)蒸汽溫度。

1.4 煤氣保護(hù)

為保證在摻燒煤氣時(shí)鍋爐安全,防止因脫火、回火、出現(xiàn)爆炸而引起主設(shè)備損壞,FSSS(鍋爐安全保護(hù))系統(tǒng)中設(shè)立了24個(gè)紅外線煤氣火焰檢測(cè)探頭,監(jiān)視所對(duì)應(yīng)的8個(gè)高爐煤氣和16個(gè)焦?fàn)t煤氣火嘴情況,運(yùn)行中一旦失去火焰,FSSS將迅速切斷煤氣,并自動(dòng)投入N2吹掃。為保證煤氣關(guān)斷時(shí)的嚴(yán)密性及切斷及時(shí)性,在每臺(tái)爐的高爐煤氣母管上裝有快切閥、盲板閥和調(diào)節(jié)閥,連接各個(gè)煤氣火嘴支管除安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥外還裝有與FSSS相連的煤氣快關(guān)閥,確保在接到關(guān)斷指令后,可以在3s內(nèi)快速切斷煤氣。高爐煤氣系統(tǒng)見圖1。

在投運(yùn)高爐煤氣時(shí),當(dāng)角閥打開后8 s內(nèi),火檢檢測(cè)無火,即高爐煤氣火嘴在8 s內(nèi)未燃,則自動(dòng)關(guān)閉該角快切閥。煤氣正常投運(yùn)后,如火檢檢測(cè)無火,并且延時(shí)3 s后檢測(cè)仍然無火,該角快切閥就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)行N2吹掃。在點(diǎn)火及煤氣運(yùn)行中,為防止回火,還設(shè)置了爐前失壓保護(hù),高爐煤氣母管壓力一旦低于6.5 kPa可以自動(dòng)切斷高爐煤氣的供應(yīng)。

圖1 高爐煤氣系統(tǒng)

2 摻燒高爐煤氣對(duì)鍋爐的影響

2.1 鍋爐點(diǎn)火時(shí)的注意事項(xiàng)

京唐公司煉鐵廠的高爐煤氣成分見表1,可以看到,高爐煤氣大部分為不可燃的惰性氣體,可燃物主要是CO和H 2,僅占少量,因此發(fā)熱量很低,與焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣相比燃燒更困難,特別是所含的大量惰性氣體導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢,比較容易發(fā)生脫火等燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。

表1 京唐鋼鐵公司高爐煤氣成分

首鋼京唐鋼鐵公司熱電分廠1號(hào)鍋爐2009年9月投產(chǎn),但是由于經(jīng)驗(yàn)不足,投產(chǎn)初期在啟動(dòng)最下層焦?fàn)t煤氣的點(diǎn)火程序后就馬上投入高爐煤氣進(jìn)行暖爐,高爐煤氣的脫火現(xiàn)象嚴(yán)重,尾部煙道出口處CO濃度最高達(dá)到為2036 mg/m3,點(diǎn)火初期高爐煤氣摻燒量與尾部煙道CO濃度對(duì)比見圖2。

經(jīng)過摸索發(fā)現(xiàn),為了防止脫火現(xiàn)象,高爐煤氣的投運(yùn)必須做好以下幾項(xiàng)工作:①檢查煤氣系統(tǒng)無泄漏且做好機(jī)組啟動(dòng)前的聯(lián)鎖保護(hù)試驗(yàn),確保安全;②高爐煤氣送至燃燒器之前,必須用N2對(duì)管道進(jìn)行嚴(yán)格吹掃,之后方可引氣,且爆破試驗(yàn)應(yīng)合格;③鍋爐點(diǎn)火前必須對(duì)爐膛及尾部煙道保持至少30%全負(fù)荷空氣流量進(jìn)行通風(fēng)5 min以上,防止點(diǎn)火時(shí)因煤氣泄漏在爐內(nèi)聚集而引起爆炸;④嚴(yán)格按點(diǎn)火程序進(jìn)行點(diǎn)火,在鍋爐啟動(dòng)運(yùn)行正常,爐膛燃燒基本穩(wěn)定且負(fù)荷高于30%情況方可投入高爐煤氣,投入時(shí)按先投下層火嘴然后再投上層火嘴的原則進(jìn)行,防止脫火。

圖2 點(diǎn)火初期高爐煤氣摻燒量與尾部煙道CO濃度

2.2 高爐煤氣摻燒情況

運(yùn)行在發(fā)現(xiàn),在純燒煤額定工況下,熱電分廠1號(hào)鍋爐的主再熱蒸汽明顯偏低,但是摻燒高爐煤氣后該參數(shù)得到明顯提高,主要原因是該鍋爐布置的對(duì)流受熱面比例較大,在純?nèi)济簳r(shí)對(duì)流換熱量偏小,導(dǎo)致主、再熱汽的溫度明顯偏低。為了提高再熱汽的溫度雖然也可以增加燃燒量,但是這樣一來容易出現(xiàn)屏式過熱器超溫現(xiàn)象。摻燒高爐煤氣后,由于高爐煤氣內(nèi)含有大量不可燃?xì)怏w,造成煤粉燃燒的不完全和火焰中心的上移,爐膛上部還可能會(huì)有部分煤粉在燃燒,同時(shí)由于煙氣量的增加進(jìn)入對(duì)流過熱器煙氣流量也增加,熱量只能通過過熱器和再熱器回收,由于過熱器和再熱器溫度居高不下,必須投用大量的減溫水,爐膛的熱效率也可能減小。因此,燃燒器的布置要盡量下移,增加向下的傾斜角。燃燒器的擺角、減溫水量與排煙溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以參見表2。

表2 燃燒器擺角、減溫水量與排煙溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由于爐膛的輻射受熱面較小并且對(duì)流受熱面較大,在純?nèi)济簳r(shí)火焰燃燒中心偏低,過熱器和再熱器的受熱面吸熱相對(duì)較少,主、再熱氣溫均偏低,可通過減少爐膛吹灰的班次,提高火焰中心高度,推遲燃燒等方法來提高爐膛出口煙溫,滿增加對(duì)流換熱的吸熱量,從而滿足各參數(shù)要求,但摻燒高爐煤氣后,排煙溫度突然升至150～160℃,減溫水量也急劇增加,見表3。這是因?yàn)闋t膛高度相對(duì)偏低,爐膛容積相對(duì)偏小、煙氣量大,其次是所燃煤種易使?fàn)t膛受熱面結(jié)焦,導(dǎo)致輻射換熱差,使熱負(fù)荷后移,因此應(yīng)盡量采取投底層煤氣火嘴和下層煤粉火嘴,降低火焰燃燒中心的辦法,也可采用增加爐膛吹灰頻率的方法,減少結(jié)焦,提高水冷壁吸熱量,降低爐膛出口煙溫,減少減溫水量。在鍋爐設(shè)計(jì)上,爐膛吹灰器數(shù)量及布置充分考慮了此特點(diǎn),該鍋爐共設(shè)計(jì)有56支短吹灰器,前墻、后墻各4排、每排4支,兩側(cè)墻各4排、每排3支,通過運(yùn)行調(diào)整和吹灰,目前排煙溫度比最初投運(yùn)時(shí)平均降低10～15℃,過熱器減溫水量由吹灰前的90 t/h降低到吹灰后30 t/h,再熱器減溫水量由35 t/h降低到10 t/h。此外,在檢修和運(yùn)行巡檢中,應(yīng)盡量保證鍋爐各人孔門、看火孔、打焦孔等關(guān)閉嚴(yán)密來減少漏風(fēng)量,也可有效降低排煙溫度。

表3 滿負(fù)荷摻燒高爐煤氣前后各參數(shù)變化

3 效果

該鍋爐在純燒煤工況下,不投煤氣最低穩(wěn)燃負(fù)荷為30%(在實(shí)際運(yùn)行中因許多因素干擾最低穩(wěn)燃負(fù)荷將高于此值),由于京唐鋼鐵公司調(diào)峰頻繁,機(jī)組在150～250 MW運(yùn)行工況較多,正常運(yùn)行中不時(shí)要投焦?fàn)t煤氣穩(wěn)燃,又因次煤較多,煤質(zhì)變化較大,在變負(fù)荷情況下,也不時(shí)出現(xiàn)DEB波動(dòng)頻繁,波動(dòng)范圍較大,例如2010年4月15日1號(hào)鍋爐最大耗煤量波動(dòng)為90～150 t/h,DEB協(xié)調(diào)不穩(wěn),機(jī)組自動(dòng)解除DEB,但投入焦?fàn)t煤氣并且加大高爐煤氣的投入量后,由于焦?fàn)t煤氣火嘴使相鄰煤層的燃燒穩(wěn)定,而且高爐煤氣的燃燒增加了爐膛底部溫度,有效地解決了燃燒不穩(wěn)問題,杜絕了由此而頻繁發(fā)生DEB解除的問題,實(shí)現(xiàn)了機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

通過半年多的摻燒實(shí)踐,煤氣摻燒量逐月增加,取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益,僅2010年第一季度1號(hào)機(jī)組共摻燒高爐煤氣32616萬m3,平均摻燒比高達(dá)15.94%,折成標(biāo)煤35611 t,節(jié)約燃煤成本達(dá)2327萬元。隨著2號(hào)機(jī)組168試運(yùn)的成功,高爐煤氣投入正常及燃燒穩(wěn)定,使高爐煤氣摻燒量也逐步提高,兩臺(tái)爐基本均已實(shí)現(xiàn)20%的摻燒比,降低了煉鐵廠高爐煤氣排放,提高了首鋼京唐公司高爐煤氣回收利用率、同時(shí)也降低了首鋼京唐熱電分廠的能源消耗,保證了機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過摻燒實(shí)踐,首次成功地實(shí)現(xiàn)了在國(guó)產(chǎn)的1025 t/h鍋爐燃用多煤種情況下?lián)綗蜔嶂蹈郀t煤氣,并且摻燒量逐步提升,為以后同類鍋爐摻燒高爐煤氣提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。摻燒高爐煤氣,盡管排煙溫度有所升高,降低了鍋爐效率,但因主、再熱蒸汽參數(shù)升高,提高了機(jī)組整體效率,又降低了高爐煤氣排放,提高了高爐煤氣回收利效率,代替了大量燃煤,創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)保護(hù)了環(huán)境,具有較好的社會(huì)效益。