鋼鐵企業熱電廠130t/h燃氣鍋爐節能改造研究

    0 前言
    在國內典型的長流程鋼鐵企業生產過程中，會產生大量副產高、轉爐及焦爐煤氣。為將能源充分利用，各鋼鐵企業根據自身特點定制煤氣平衡，其中自備電廠作為平衡全廠能源的重要環節，承擔著廠區高爐鼓風、蒸汽和熱水等動力介質的輸配工作。同時自備電廠通過燃用本廠富余煤氣，可以提高鋼鐵廠供電的可靠性，降低用電成本，對節能、環保、提高全廠經濟效益都起到良好作用。
    鋼鐵企業的生產工藝經常會隨市場需求進行調整，這樣就可能會改變全廠的高、焦和轉爐煤氣的平衡。為盡量利用能源且不影響生產，在保證工藝環節煤氣用量的情況下，只能對自備電廠中鍋爐進行調節。但受限于燃料種類及燃燒方式，鋼鐵企業的自備電站鍋爐一般只有純燃煤粉、單種煤氣或固定兩種燃料混燃這幾種類型，如果燃氣量經常波動，勢必會嚴重影響到電廠的生產，可能造成鍋爐長期閑置不能充分利用;煤氣大量放散污染環境、浪費能源;耗費大量資金頻繁改造鍋爐以適應新的燃料等問題。
    本文通過工程實例，根據包鋼熱電廠4#燃煤氣鍋爐節能改造設計，通過對鍋爐本體及燃燒系統進行改造實現：（1）使電廠鍋爐具有更高的機動調節性能，降低了鍋爐由于廠區燃氣變化而對鍋爐運行產生的影響。即在公司煤氣供應緊缺同時不影響管網蒸汽要求情況下，關閉鍋爐燃氣系統，啟動鍋爐燃煤狀態;當廠區煤氣大量富余時，關閉鍋爐燃煤系統，運行燃氣系統，利用放散煤氣，減少環境污染同時節省能源，降低能耗，保證蒸汽供應; （2）為鍋爐燃煤系統燃燒器采用帶有側邊風的濃淡燃燒器組，達到減少NOx生成量，減輕或防止爐膛結焦的目的。
    1 案例背景
    包鋼熱電廠4#鍋爐原為武漢鍋爐廠1978年制造的130t/h中溫中壓燃煤固體排渣煤粉鍋爐，為充分利用過剩高爐煤氣，2001年熱電廠將4#鍋爐改造為純燒高爐煤氣并于當年投產。2008年隨著包鋼6#高爐及4座焦爐的建成投產，高、焦爐煤氣產生更多的剩余放散，包鋼又新建2×150MW燃氣輪機發電機組，為保證該機組額定負荷運行的煤氣供應，擬將熱電廠原4#純燃高爐煤氣鍋爐改回為純燃煤蒸汽鍋爐，以置換出部分高爐煤氣滿足第2臺燃氣輪機發電機組的煤氣供應。為避免由于廠區燃氣變化而對鍋爐運行產生的影響，經過研究后決定將4#鍋爐改造為蒸發量為130t/h既能純燒煤粉及焦爐煤氣，還可將煤粉（或焦爐煤氣）與高爐煤氣摻燒的復合型蒸汽鍋爐，這樣不僅保證了燃氣輪機的運行，也保證了廠區蒸汽的穩定供應。
    2 技術內容
    2.1 燃燒器結構
    本次在包鋼熱電廠130t/h鍋爐改造設計中，將鍋爐原來的單一高爐煤氣燃燒器系統，更換為采用帶有側邊風的濃淡燃燒器組，使得該燃燒器在保留了高爐煤氣系統的基礎上，又增加了焦爐煤氣以及燃煤系統燃燒系統。其中燃煤系統含有兩個一次風口、3個二次風口和1個三次風口。燃氣系統包括有一個高爐煤氣口和一個焦爐煤氣口（如圖1所示），爐膛內噴燃器為四角布置，煤粉以對角噴嘴在爐膛內形成假想切圓燃燒，鍋爐點火使用焦爐煤氣。
    2.2 燃煤系統改造
    根據熱電廠燃煤鍋爐運行經驗，由于煤質以及燃燒器的設計布置等原因，鍋爐內部常有結焦現象，使得鍋爐效率降低并且縮短鍋爐設備使用壽命，同時由于焦塊附著在水冷壁管上，可能導致過熱蒸汽溫過高發生爆管從而影響生產。產生結焦的原因雖是多方面的，其中燃燒器的設計及布置是重要因素。
    （1）水平濃淡燃技術
    實例中，在燃煤系統燃燒器中的一次風道內增加導向葉片，使進入燃燒器一次風管中的煤粉與空氣混合物產生分離。分離后的熱風與煤粉在射入爐膛后，濃煤粉逼到切圓內側，使向火側的煤粉濃度高形成富燃料區，富料燃燒;而淡煤粉在切圓外的背火側形成富氧區，富氧燃燒。這使得前者在過量空氣系數遠小于1的情況下燃燒，而后者在過量空氣系數大于1的情況下燃燒，這樣加快和強化了煤粉的著火和燃燒，使富煤粉氣流處于直流燃燒器四角布置切圓燃燒器流結構中心的向火側，這樣就形成了側邊風濃淡燃燒器特有的高煤粉濃度、高溫和高氣流擾動度的“三高區域”，給煤粉顆粒著火燃燒提供了極為有利的條件。在該區內已著火的煤粉形成了穩定的著火源，不斷點燃已處于高溫區的高濃度煤粉，使火焰迅速擴展到整個射流。由于有了局部引燃煤粉氣流的良好著火源，無需將全部煤粉同時加熱到著火溫度，因而煤粉氣流射入爐內后著火時間縮短，燃燒過程提前，使煤粉燃燒更加穩定，通過這種方式不僅減少了NOx生成量，同時降低了高溫煤粉流對鍋爐水冷壁的沖刷，減少了爐內結焦的概率，達到減輕或防止爐膛結焦的目的。
    （2）側邊風對燃燒的影響
    在加入濃淡燃燒技術后，為了進一步控制燃燒速度，在一次風燃燒器背火側送入側邊風，即在一次風管出口外側增設風道，使燃燒器出口流體形成了“風包粉”結構。由于燃燒器背火側空氣量偏大，使背火側氧濃度增加，灰熔點提高，有效防止了背火側或水冷壁管的結焦，同時也能起到減少了NOx形成的作用。
    結語
    本次將燃煤與燃氣燃燒系統集于一體同時在燃煤燃燒器上運用了帶有側邊風的濃淡燃燒技術，解決了鋼鐵企業自備電廠由于鍋爐燃燒方式以及燃料的變化造成煤氣大量放散以及鍋爐長期閑置等問題，使鍋爐具有更高的機動調節性能，可在今后同類型設計項目中廣泛采用，為國內同類型熱電企業的鍋爐改造技術拓寬了思路。