燃油鍋爐改燒天然氣應用分析

王 瀟

（杭鋼動力公司紫云 杭州）

一、概述

杭鋼電爐公司擁有1臺套VD真空精爐，配套1臺蒸發量14 t/h，壓力2 MPa德國原裝進口的燃輕柴油整裝鍋爐，產生的蒸汽用于VD爐抽射真空，在高質量鋼生產中發揮著重要作用。

1.抽真空工藝過程

VD真空精煉采用蒸汽噴射抽真空，5級增壓泵串連，另在第四、第五增壓泵旁各并聯1臺輔助增壓泵，以提高抽射效果（圖1）。

VD爐裝好鋼水蓋上蓋子后，如鍋爐運行正常，蒸氣壓力達到1.45 MPa，蒸氣溫度220℃時，即可啟動抽真空流程（表1）。當真空度達到-0.04 MPa時，再選取“standard（標準）”模式（表2）。系統自動停止 E5a、E4a，啟動 E5（E4 不變），E3、E2、E1 按所列真空度啟動。根據VD工藝要求，自控系統將按模式設定逐一打開蒸汽噴嘴閥門（表3）。

圖1 抽真空處理工藝過程簡圖

表1 各級泵按所列真空度自動啟動

表2 standard模式

表3 各階段蒸汽耗量及工作持續時間

啟動快速模式，廢氣進入管道之后，通過增壓泵加壓，到1個大氣壓時E5a啟動，此時蒸汽流量達到4 t/h，系統運行3 min。之后真空度到-0.04 MPa時，E4a和E4同時啟動，進入快速模式工序2，在這一工序中，蒸汽流量達到8 t/h，系統運行時間2 min；系統真空度逐漸下降到-0.01 MPa時，啟動標準模式，此時系統自動停止 E5a、E4a，啟動 E3、E5（E4 不變），這一階段的蒸汽流量為8 t/h，運行2 min。當真空度達到-0.0024 MPa時，啟動 E2 泵，此時 E5、E4、E3、E2 同時運行，這一過程的蒸汽流量為10 t/h，運行1 min后，真空度下降到-0.0012 MPa，啟動E1，此時 E5、E4、E3、E2、E1 同時工作，蒸汽流量為 12 t/h，系統繼續運行到管內真空度為-100 Pa，達到高真空度，這一過程保持15 min，此時整個抽真空過程完成，用時23～25 min。

2.燃油鍋爐油消耗情況

根據鍋爐的運行情況，在現場實測了負荷變化情況。由于現場沒有蒸汽流量表，用輕柴油消耗來表征鍋爐的負荷變化情況。實測結果表明，VD爐運行周期為30～40 min（包括VD爐裝料時間），由于VD爐裝料期間，蒸汽消耗接近零，鍋爐就得關閉燃燒器，待下一爐抽真空時再開啟，所以停開機較頻繁。頻繁的停開機以及停開機過程可能出現的誤動作易造成事故，所以對機組的控制、安全性能要求較高。

二、燃油鍋爐改燒天然氣的必要性和可行性

目前，VD爐以輕柴油作為鍋爐燃料，根據2010年以來電爐VD鋼生產情況及輕柴油消耗量統計，燃油成本在加速上升，目前輕柴油市場上的價格已經達到9000元/t。不斷上升的燃料成本，給電爐生產成本帶來了很大的壓力。現在廠區附近新建的杭鋼天然氣母站及加氣站項目，為鍋爐改燒天然氣帶來機會。

1.從經濟角度分析

輕柴油可產生4.3 MJ/kg熱量，天然氣可產生3.6 MJ/m3的熱量，但輕柴油價格9元/kg，而天然氣價格4元/m3，折算到同等熱值后價格是1∶1.88。從燃料成本考慮，油改氣可節省40%～50%的燃料費用。

2.從技術角度分析

天然氣與輕柴油同屬高熱值燃料，燃燒所需的空氣量，燃燒后的理論燃燒溫度，產生的煙氣量及煙氣成分等都十分相近，所以鍋爐的本體部分，如鼓風機、引風系統無需改動，只需對燃燒器進行設計更換就可以達到目的。

三、燃油鍋爐油改氣技術方案

VD精煉工藝是電爐一道關鍵工藝，保證蒸汽鍋爐的穩定、安全運行是首先要考慮的問題，所以，油改氣技術方案要遵循安全可靠、技術先進、節省投資的原則。關鍵要加強對燃燒器點火、運行、熄火的檢查，自動控制和保護設置，同時要考慮與原鍋爐PLC控制系統的搭接。

1.燃燒器改造方案

（1）鍋爐參數。鍋爐數量1臺，用于產生蒸汽，鍋爐出力14 t/h，蒸氣壓力1.6 MPa，鍋爐熱效率（天然氣）≥90%，助燃空氣溫度20℃，主燃料為天然氣，低位熱值35 579.74 kJ/m3，點火燃料為天然氣，供氣壓力400 kPa，水平布置方式。

（2）燃燒器性能參數。燃燒器品牌hofamat，型號FTQ15e，每臺鍋爐配燃燒器1套，燃燒器主燃料和點火燃料均為天然氣，燃氣閥組前供氣壓力（配減壓閥）≥20 kPa，單臺燃燒器最大輸出功率12.5 MW，單臺燃燒器風機電機功率30 kW，額定耗氣量1150 m3/h，燃燒器電源380 V/3/50 Hz，燃燒器為分體式結構、比例調節調節方式，（調節比1∶5），燃燒器水平布置，煙氣O2含量≤4%，NOx排放量（煙氣O2含量為6%時）天然氣時≤100×10-6。

2.燃燒器仿真結果及程序控制功能

（1）燃燒器仿真技術。CFD燃燒仿真技術是利用計算機強大的計算功能結合計算流體動力學模擬出燃燒器及鍋爐的運行情況（包括爐膛內的溫度場、流場、火焰形狀及燃燒產物等）。FTQ型燃燒器部分燃氣時的仿真結果（圖2、圖3）。

圖2 爐膛內的溫度場圖

圖3 燃燒火焰形狀圖

（2）燃燒器運行程序控制。根據西門子程控器中固化的程序，燃燒器可全自動點火啟動，啟動流程：鍋爐運行條件驗證→燃氣壓力驗證→燃氣閥組檢漏→大風門爐膛吹掃→風門運行至點火位→點火變壓器工作→點火電磁閥運行→點火火焰驗證（點火變壓器停止）→主燃氣閥打開→主火火焰驗證（點火電磁閥停止）→負荷比例調節→正常停機→爐膛后吹掃。

3.燃燒器結構及功能

（1）燃燒器結構。燃燒器為T形分體式結構，此系列燃燒器其助燃空氣分為4部分：第一部分從燃燒器風箱由軟管引入到中心導管，以降低火焰的中心溫度。第二部分被導入內層中心區，由于此區域的助燃空氣量小，流速低，又稱為中心低速空氣區，在此區域助燃空氣與燃料混合以達到穩定燃燒的目的。第三部分被分配到中間層的旋流區，此區域的助燃空氣在經過一組弧形葉片后，產生了一個較大的切向分速度，故稱為旋流區，由于此區域的助燃空氣動量大，以達到充分混合的目的。第四部分速度增大并完全沿火焰穩定器的軸向流動。內層中心穩定區配有一個可調節的空氣進口，在燃燒器工作時，可以從外部對空氣進口進行調節以調節內層中心的空氣量。此系列燃燒器的燃氣利用3組獨立的噴嘴輸入。第一組噴嘴位于內層中心管內，確保火焰的穩定性不受燃燒器負荷與總的過量空氣條件的影響。第二組噴嘴設置在回流區內。第三組噴嘴設置在高強度的軸流區內，這樣布置的目的在于降低氮氧化物及其他污染物的排放。

此系列燃燒器的特點是每個氣體噴槍均可以在線單獨地調節。通過獨立的氣槍后部閥門可以調節每根氣槍中燃氣的流動速率，同時還可進行燃氣噴射角度調節以及軸向平移氣槍。這些動作均可在不停爐情況下快速調節，以達到燃燒的最優化，從而有效的控制在特定的爐膛結構內NOX和CO的生成。

（2）火焰監測器。火焰監測器為燃燒器的安全部件，采用進口SIEMENS零部件。該型火焰檢測器采用紫外線光敏元件，探頭前端裝有防塵鏡片，對入射光不作聚焦，直接檢測，火檢外用石英玻璃罩進行隔熱保護，適用于該型燃氣、燃油燃燒器的火焰檢測。該型燃燒器裝備有2只火焰檢測器，1只檢測點火火焰，1只檢測主火火焰。

（3）控制柜。控制部分為燃燒器的中樞神經系統，該控制箱裝有以西門子生產的程控器為核心的控制系統，能對燃燒機實行自動和手動及對鍋爐壓力實行控制，通過蒸汽傳感器，反饋鍋爐蒸汽壓力信號至控制器，可以實現負荷的連續監測和調節，優化燃燒狀況，風機使用原風機，風機控制也使用原控制電路。主電源3相～380 V/50 Hz，控制電源220 V/50 Hz。

面板上裝有各種控制開關、按鈕以及電源、運行、報警指示燈等。控制箱內部裝有程序控制器、繼電器、熱過載、變壓器、接觸器及斷路器等。通過控制系統，燃燒器可實現控制燃燒器操作。就地控制柜所控設備的所有狀態信號以及壓力開關、調節閥、火檢等信號都可以顯示在面板上，并與原控制箱實現對接，將信號通過控制箱傳送至集控室。集控室的控制運行人員對現場設備運行情況一目了然（表4）。

表4 控制系統聯鎖保護功能表

（4）燃氣電磁閥及執行器。燃氣電磁閥是燃氣系統中關鍵的部件。SIEMENS安全切斷閥流量大，壓力損失小。通過組合不同的執行器達到不同的控制功能，它不僅能達到完全切斷，還能綜合調節、氣動調節、比例調節等功能。通過閥后的壓力反饋，保證閥出口的壓力穩定。

四、改造費用及經濟分析

1.改造費用

改造費用包括設備、材料、設計、施工等（表 5）。

2.經濟分析

設定分析條件：生產電爐鋼65萬噸，VD比65%，即VD鋼生產42.25萬噸。輕柴油、天然氣價格按現行價格。噸VD鋼消耗輕柴油按2.91 kg/t,并按熱值換算成天然氣消耗，鍋爐效率同是90%。鍋爐油改氣，除去新增加的改造費用，不需要增加其他成本，以此基礎測算效益和投資回收期。分析結果見表6。

表5 改造費用

五、小結

燃油鍋爐改為燃氣鍋爐主要是為了節省能源，降低使用費用，減少環境污染。改造過程中，必須要注意燃油鍋爐的燃燒器、點火和隔熱等方面的設置，確保這些設置的安全性和使用的方便性。燃氣鍋爐工作過程中需要燃燒發熱量高的燃氣，這個過程中空氣用量大，要使燃氣能充分燃燒，需要大量的空氣與之混合。燃氣的燃燒過程沒有燃油的霧化過程與氣化過程，所以燃氣鍋爐的工作必須要確保隔熱的控制，避免出現鍋爐安全問題。

表6 分析結果