1、前言
    貴州某鋼廠動力分廠的75 t/h煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐，存在飛灰可燃物及排煙溫度較高、排粉機磨損嚴(yán)重等問題。為改善鍋爐運行狀況，提高鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性，決定對鍋爐進行技術(shù)改造。
    高爐煤氣(BFG)是煉鐵的付產(chǎn)品，主要可燃成分是CO，不可燃成分是惰性氣體、C02及N2。CO的體積成分一般在30%左右，發(fā)熱量不高，一般低位發(fā)熱量為3 000~4 000 kj/m3。由于高爐煤氣內(nèi)含有大量氮氣和二氧化碳，燃燒溫度低、速度慢，燃用困難。而生產(chǎn)生活中需要的蒸汽負(fù)荷與煉鐵中產(chǎn)出的高爐煤氣隨時間變化的規(guī)律不一致，為滿足生產(chǎn)經(jīng)營的要求，最經(jīng)濟的方式是實現(xiàn)摻燒高爐煤氣。然而，高爐煤氣和煤粉是兩種性質(zhì)完全不同的燃料，要想讓兩者都能得到充分的燃燒，需要考慮爐膛熱力參數(shù)、燃燒器的結(jié)構(gòu)與爐內(nèi)空氣動力工況、鍋爐運行參數(shù)等諸多因素。
2、燃料及設(shè)備簡介
    該鍋爐為B&WB-75/3. 82-MQ型鍋爐，主要設(shè)計參數(shù)如下：額定蒸發(fā)量75t/h，過熱蒸汽壓力3. 82 MPa，鍋爐工作壓力4.22 MPa，過熱蒸汽溫度450℃，給水溫度104℃，排煙溫度180℃．鍋爐設(shè)計熱效率87.35%，燃料種類為煤、高爐煤氣混燒；燃消耗量9604 kg/h。鍋爐制粉系統(tǒng)為中間儲倉，乏氣送粉，燃燒器四角布置切向燃燒，分為煤粉燃燒器和高爐煤氣燃燒器，煤粉燃燒器一次風(fēng)分散布置，高爐煤氣燃燒器為半預(yù)混式。
    爐膛斷面尺寸為：5450 mm x5450 mm。假想切圓直徑∮550mm。
表1和表2分別為該鍋爐設(shè)計的煤粉和高爐煤氣的成分及有關(guān)參數(shù)。
富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
3、存在問題及原因分析
    該鍋爐長期存在飛灰可燃物較高、排煙溫度較高、排粉風(fēng)機磨損嚴(yán)重等問題。通過改造前的冷態(tài)試驗以及長期的運行經(jīng)驗表明，其主要原因在于高爐煤氣的摻燒量較設(shè)計值高了很多，具體原因分析如下：
3.1  高爐煤氣的摻燒量對燃燒的影響
    從表1和表2煤粉和高爐煤氣的成份分析可以看出，高爐煤氣的熱值比煤粉的低位發(fā)熱量低得多，這樣，當(dāng)高爐煤氣的摻燒量增大后，爐內(nèi)混合燃料的發(fā)熱量就會降低，經(jīng)計算可以得出高爐煤氣的不同摻燒量下，混合燃料的低位發(fā)熱量見圖1所示。隨著高爐煤氣的摻燒量不斷增大，混合燃料的低位發(fā)熱量下降很快，從而導(dǎo)致爐膛溫度水平的顯著下降，嚴(yán)重影響爐內(nèi)煤粉的燃燒。從圖1中可以看出，當(dāng)煤氣熱量摻燒比從0%增加到30%時，混合燃料的發(fā)熱量就從18.175 MJ/kg下降到7.36MJ/kg。
    另外，高爐煤氣燃燒時的理論燃燒溫度比高熱值的燃料低得多，一般煙煤、油和天然氣的理論燃燒溫度約1 800～2 200℃，而高爐煤氣的理論燃燒溫度為1 149℃。由于高爐煤氣的理論燃燒溫度低，因而爐內(nèi)火焰的輻射能力較弱，與煙煤相比，相同條件下高爐煤氣的爐內(nèi)傳熱能力約低59%。因此爐膛的吸熱能力減弱，更多的熱量只能在鍋爐的過熱器和再熱器等部分被吸收，從而容易造成爐尾的煙氣超溫以及排煙溫度較高。
3.2  高爐煤氣的摻燒量對爐膛煙氣的影響
    高爐煤氣量增大以后，送入爐內(nèi)的吸熱性介質(zhì)增多，煙氣的熱容量增大，火焰中心的溫度水平下降，火焰中心的位置上移，導(dǎo)致煤粉在爐內(nèi)的停留時間縮短，從而造成煤粉的不完全燃燒。摻燒比越高則煙氣量越大，熱焓越高流速也越高，但傳熱系數(shù)和煙速的0. 64~0.8次方成正比，所以鍋爐排煙溫度隨高爐煤氣的熱量摻燒比的增大而升高，實際的排煙體積增量因為溫度的修正而更大。
3.3高爐煤氣的摻燒量對飛灰可燃物含量的影響
    高爐煤氣的摻燒量增大后，混合燃料的理論燃燒溫度降低，嚴(yán)重影響了爐內(nèi)煤粉的燃盡；高爐煤氣在爐內(nèi)的燃燒滯后，因此在爐內(nèi)搶奪與煤粉燃燒的空氣，也造成煤粉的不完全燃燒，從而增大了飛灰可燃物的含量；另外，爐膛煙氣量的增加，導(dǎo)致煙氣在爐膛內(nèi)的流速增大，煤粉在爐內(nèi)的停留時間縮短，也影響了煤粉的燃盡。特別是當(dāng)高爐煤氣的摻燒量較大時，存在的大量惰性氣體阻礙可燃成分與空氣的充分混合，減緩燃燒化學(xué)反應(yīng)速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣�，使�(fàn)t內(nèi)的高爐煤氣“搶風(fēng)”，導(dǎo)致煤粉燃燒初期的氧量不足，從而增大了飛灰可燃物的含量，如圖2所示。從圖2中可以看出，當(dāng)高爐煤氣的摻燒量低于22000m3/h時，飛灰可燃物可以控制在10%以內(nèi)，當(dāng)高爐煤燒量大于35000m3/h時，飛灰可燃物含量一般都大于20%。
3.4該爐投入運行后，煤粉摻燒發(fā)生了較大的變化，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)出力不足，以及排粉風(fēng)機磨損嚴(yán)重的問題。
4、改造措施
    通過以上的分析，可以看出，高爐煤氣的摻燒對爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生了很大的影響，因此對該鍋爐的改造應(yīng)針對高爐煤氣的特點進行。當(dāng)大量混燒高爐煤氣時，由于高爐煤氣的熱值低，在爐膛底部燃燒釋熱極少，當(dāng)遇高溫煤粉火焰時，大量高爐煤氣才開始充分燃燒，燃燒放熱集中在爐膛的中上部，造成爐尾煙氣超溫。對鍋爐的安全運行造成威脅。針對這種情況，其改進方法可考慮強化高爐煤氣在鍋爐爐膛底部的燃燒，使鍋爐高溫帶下移。措施是使燃燒器盡量下移，由于實際位置的限制，對于煤粉燃燒器部分，標(biāo)高相比改前下移180mm，對于煤氣燃燒器部分，標(biāo)高未能下移，煤氣燃燒器結(jié)構(gòu)、尺寸等未作改動；另外，由于高爐煤氣摻燒量的影響，導(dǎo)致爐膛燃燒溫度下降，造成煤粉的不完全燃燒，飛灰可燃物增大，以及燃燒效率下降，采取的措施是，強化煤粉的燃燒，應(yīng)用穩(wěn)燃腔煤粉燃燒器。即在兩個一次風(fēng)前加裝穩(wěn)燃腔煤粉燃燒器以強化著火、穩(wěn)定燃燒。穩(wěn)燃腔燃燒器是將一個三棱柱鈍體置于一腔體內(nèi)，腔體與一次風(fēng)管連接，如圖3所示。穩(wěn)燃腔燃燒器的原理及特點請參閱參考文獻。
5、改造效果
    對鍋爐進行上述改造后，經(jīng)運行證明，燃燒很穩(wěn)定，無論高爐煤氣的摻煤量是多大，都能保持鍋爐的負(fù)壓運行。另外，鍋爐帶負(fù)荷能力很強，在高爐煤氣的摻燒量較高的情況下，飛灰可燃物及排煙溫度比改造前大大降低。
    (1)鍋爐帶負(fù)荷能力
    試驗發(fā)現(xiàn)，該爐運行時的帶負(fù)荷能力很強，可大大超鍋爐的額定出力，純燒氣時，54 000m3/h的氣量可帶50 t/h，配合4臺給粉機運行可帶80 t/h。從試驗數(shù)據(jù)分析，每10 000m3/h的氣量可帶約8.5t/h的負(fù)荷。
    (2)鍋爐燃燒效率的明顯改善
    對鍋爐改造前和改造后的試驗數(shù)據(jù)取純燒煤粉和高爐煤氣的熱量摻燒比為25%這兩種工況進行對比分析，見表3示。
    從表3可以看出，鍋爐改造后的燃燒效率比改造前有了明顯的提高。
    (3)運行建議
    當(dāng)高爐煤氣的摻燒量在10 000~ 20 000m3/h之間（即熱量摻燒比在14%~28%之間）時，鍋爐的飛灰含碳量可以控制在8%以內(nèi)，燃燒效率最低降到88%。屬于比較理想的混合燃燒。
    當(dāng)高爐煤氣的摻燒量大于20 000m3/h時，飛灰可燃物明顯增加，鍋爐燃燒效率的顯著下降，建議該鍋爐的高爐煤氣摻燒量控制在10 000~ 20 000m3/h之間，如果有剩余的高爐煤氣，考慮其他鍋爐的摻燒。這樣，既可以保證鍋爐的穩(wěn)定高效燃燒以及高爐煤氣的合理使用，也可以創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。
6、項目經(jīng)濟效益核算
    該項目總投資574萬元，其中設(shè)備費198萬元，儀表、自控系統(tǒng)102萬元，施工（包括主材等）254萬元，其他20萬元。
    創(chuàng)造效益：
    直接經(jīng)濟效益
    每年減少高爐煤氣放散：
    5.4x24x365 x90%=7 884萬m3/a
    按發(fā)熱量折合動力煤：
    1.8 x7 884=14 191 t/a
    1.8為煤氣折合動力寬系數(shù)。
    降低鍋爐灰渣含碳量10%（由原來的30%下降到20%）節(jié)煤：4.5x30%×33%×24×365×90%=3512t/a
    4.5為鍋爐小時用煤量，30%為原煤含灰量．33%為灰渣含碳量下降百分比，90%為鍋爐運行率。
    創(chuàng)總效益：
    (14 191+3 512)×104.8=185.5萬元/a
    (2)間接經(jīng)濟效益
    鍋爐改造后燃燒穩(wěn)定，適應(yīng)煤種和負(fù)荷能力強，滿足生產(chǎn)蒸汽的需要，解決了煤資源相對不足的問題。高爐煤氣使用量達到5萬m3／h（摻燒比例為60%），飛灰含碳量在摻燒比例30%以下時低于20%，便于實現(xiàn)灰渣的綜合利用，有一定的環(huán)保效益。同時減少動力煤消耗量，相對提高了噴煤能力，為高爐創(chuàng)造了一定的間接效益。
7、結(jié)論
    (1)隨著高爐煤氣的摻燒量增加，混合燃料的低位發(fā)熱量、理論燃燒溫度都下降，導(dǎo)致煤粉的不完全燃燒，飛灰可燃物含量上升，鍋爐效率下降；另外，煙氣量增大，煙氣在爐膛內(nèi)的流速增加，煤粉在爐內(nèi)的停留時間縮短，也造成煤粉的不完全燃燒，鍋爐的燃燒效率下降。
    (2)正確選擇和布置燃燒器對形成良好的空氣動力場至關(guān)重要。
    (3)綜合考慮各種影響爐內(nèi)燃燒的因素，我們認(rèn)為高爐煤氣的最佳摻燒量為10 000~ 20000m3/h之間，既可以保證鍋爐的穩(wěn)定高效燃燒以及高爐煤氣的合理使用，也可以創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。