高爐煤氣爐鍋爐設(shè)計及燃燒性能研究

高爐煤氣爐鍋爐設(shè)計及燃燒性能研究

中國是著名的鋼鐵生產(chǎn)大國，年產(chǎn)量超過2.108噸。在冶煉1t生鐵時就會產(chǎn)生約3000m3的高爐煤氣,這樣年產(chǎn)高爐煤氣就高達6000×108m3/a。為了降低高爐煤氣的放散率,實現(xiàn)能源的循環(huán)利用,各鋼鐵企業(yè)開始重視高爐煤氣的綜合利用。本文對高爐煤氣鍋爐的設(shè)計進行探討。1高爐煤氣的放空量高爐煤氣中惰性氣體(N2、CO2等)占大部分,可燃成分主要為CO。因此,其低熱值只為2.93~3.55MJ/m3。由于高爐煤氣中含有大量的惰性氣體,可燃成分少,因此當產(chǎn)生熱量一定時,消耗的高爐煤氣將高于其他較高熱值的燃氣,高爐煤氣鍋爐每生產(chǎn)1t蒸汽產(chǎn)生的煙氣量為燃煤鍋爐的1.7倍。高爐煤氣與空氣的混合氣(以下簡稱混合氣)的CO體積分數(shù)及著火環(huán)境是決定高爐煤氣的著火溫度的兩個要素。混合氣中高爐煤氣的著火體積分數(shù)為35%~71%,著火溫度為530~660℃。著火條件要求較高,但因其燃燒為氣-氣單相化學反應(yīng),只要技術(shù)措施組織妥當,燃燒效率也能達到滿意效果。高爐煤氣的特性決定了其理論(絕熱)燃燒溫度較低,僅為1250~1300℃,為燃煤的理論燃燒溫度的60%左右。由于火焰中心溫度較低,化學反應(yīng)速度也低,因此應(yīng)考慮給予高爐煤氣足夠的燃盡時間,并解決燃燒火焰不穩(wěn)定、易產(chǎn)生脈動、易脫火等問題,保證燃燒安全。高爐煤氣在鍋爐內(nèi)燃燒的要求為:高爐煤氣與空氣混合良好,使混合氣中高爐煤氣達到著火體積分數(shù),混合氣的溫度升高到著火溫度;由于高爐煤氣燃燒不易回火,易脫火,因此在燃燒區(qū)域盡量提高溫度場溫度,保證火焰穩(wěn)定和燃燒安全。2加強高爐煤氣與空氣的混合和燃燒①強化燃燒的方法由于高爐煤氣的著火溫度較高,研究表明,混合氣從室溫升至著火溫度吸收的熱量占高爐煤氣燃燒放出熱量的37%左右。因此,應(yīng)提高混合氣的入口溫度,使混合氣的溫度及早升至著火溫度。提高混合氣溫度的方法為提高高爐煤氣或空氣的溫度。由于混合氣中高爐煤氣的比例較大,因此提高高爐煤氣的溫度對提高混合氣溫度的效果最明顯。高爐煤氣的加熱多采用熱管換熱器,但熱管換熱器易堵塞,腐蝕后安全性得不到保障,造價較高,檢修不方便。因此,一般不采用提高高爐煤氣溫度的方法。雖然混合氣中空氣比例較小,效果差一些,但較高的空氣溫度也可使混合氣達到理想的溫度,而且這種方法方便、安全,造價也低。采用鍋爐尾部熱量預(yù)熱空氣,降低了鍋爐尾部省煤器的吸熱量及省煤器出口的沸騰度,使省煤器運行更安全。②燃燒器高爐煤氣的燃燒為擴散燃燒,完全燃燒消耗的空氣量少,少量的空氣要在短時間內(nèi)穿透大量的高爐煤氣,使混合氣及時達到著火體積分數(shù)比較困難。因此,應(yīng)在燃燒器的預(yù)混段加強高爐煤氣與空氣的混合。在燃燒器的出口設(shè)置旋流葉輪,配合空氣側(cè)的旋流葉輪,使高爐煤氣與空氣在出口處強烈混合。實踐證明,在燃燒器出口70mm的距離內(nèi)高爐煤氣與空氣就可良好混合,這也加強了火焰后期的擾動,使后期也能較好混合。③穩(wěn)焰器混合氣由常溫升至著火溫度要吸收大量熱量,混合氣吸收的熱量除來自熱空氣外,主要來自高溫煙氣。當氣流從小面積突擴至大面積時,在氣流的根部會形成一個回流區(qū),利用這點,在燃燒器出口設(shè)置突擴的內(nèi)襯圓筒形穩(wěn)焰器,既形成了回流區(qū),又有高溫輻射層,起到點火板的作用。④爐內(nèi)蓄熱穩(wěn)燃裝置在燃燒區(qū)域內(nèi)形成高溫的作用為:一是可大幅縮短高爐煤氣的燃盡時間,做到在燃燒區(qū)域內(nèi)使高爐煤氣完全燃燒;二是使燃燒強烈,火焰剛性好,燃燒穩(wěn)定,不易脫火。為了在燃燒區(qū)域形成一個穩(wěn)定的高溫區(qū)域,可設(shè)置爐內(nèi)蓄熱穩(wěn)燃裝置,其結(jié)構(gòu)為圓塔形,由高強度、高熱震穩(wěn)定性的耐熱材料制成,設(shè)置在爐膛中心位置。燃燒器布置為四角切圓形式。運行時,蓄熱穩(wěn)燃裝置的溫度一般在1000℃以上。它的存在提高了燃燒區(qū)域的溫度,加快了高爐煤氣的燃燒速率,使燃燒更完全、穩(wěn)定,在較小的區(qū)域內(nèi)放出的熱量更多,使溫度進一步升高,直至達到熱平衡。在高溫度場下,可產(chǎn)生大量輻射熱,改變了高爐煤氣無光火焰幾乎沒有輻射熱的傳熱狀態(tài),在此區(qū)域內(nèi)水冷壁全部暴露,使水冷壁吸收的熱量更多。蓄熱穩(wěn)燃裝置的存在,使煙氣流通截面變小,加快了煙氣的流速,強化了爐膛的對流傳熱。另外,未燃盡的高爐煤氣掠過蓄熱穩(wěn)燃裝置外表面,進一步被加熱,使其燃燒干凈。實踐證明,蓄熱穩(wěn)燃裝置使燃燒效率大幅提高。燃燒器的四角切圓布置形式,使任意1個燃燒器的火焰的頭部可噴至相鄰火焰的根部,起到互相支持促進穩(wěn)定燃燒的作用;火焰的高溫部位更接近水冷壁,傳熱更強烈。⑤科學的爐型科學的爐型既可保證爐膛溫度,保證高爐煤氣的燃燒完全,更有利于緩和火焰脈動的影響,避免高爐煤氣在過熱器等受熱面范圍內(nèi)燃燒,又可使爐膛吸熱量增加,保證鍋爐的熱功率。3設(shè)置蓄熱穩(wěn)燃裝置①高爐煤氣的特性決定