全燃氣鍋爐摻燒焦爐煤氣技術改造

文_韓素桃 河鋼宣鋼職教中心

1 概述

重點對5#130t/h全燃氣鍋爐燃燒器、省煤器、過熱器等換熱部位進行測算，實施全方位的熱力學技術改造，使其燃料特性充分符合鍋爐結構布置要求，避免因高爐、焦爐煤氣直接摻混燃燒對鍋爐安全運行造成不利影響，使鍋爐出口壓力穩定，大大提高了鍋爐運行效率，最大限度地利用了焦爐煤氣，產生清潔能源，提高了企業自發電比例。

2 改造技術要求

宣鋼5#130t/h鍋爐為中溫中壓自然循環鍋爐，鍋爐額定蒸汽負荷130t/h,主蒸汽溫度440±5℃,主蒸汽壓力3.43±0.1MPa，鍋爐采用四層四角噴燃布置，爐內采用四角切圓燃燒器與蓄熱墻相配合的燃燒方式，燃料使用高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣為主要燃料，第一、第二層使用焦爐煤氣，第一至第四層燃用高爐煤氣，于入爐前摻入部分轉爐煤氣，每層煤氣及配比二次熱風調節閥均設計為自動、手動切換功能。改造前，鍋爐額定負荷時，高爐煤氣使用量14.5萬～15萬Nm3/h，焦爐煤氣使用量500～1000Nm3/h，將鍋爐改造為高爐煤氣、焦爐煤氣分層混燒后，焦爐煤氣供應量冬季約10000Nm3/h，夏季約20000Nm3/h，為使達到鍋爐熱效率達到設計要求75%以上，因燃料特性發生變化，需對燃燒器重新設計、制造，在保證全部消化焦爐煤氣的前提下，通過調整高爐煤氣量來保持鍋爐額定負荷130t/h以上及蒸汽主參數不變。在純燃焦爐煤氣的情況下，鍋爐蒸發量達到90t/h以上，并保持鍋爐蒸汽主參數不變。由于煙氣量變化，需改造高低溫過熱器、高低溫省煤器、高低溫空預器及減溫水、引送風等系統，使排煙溫度≥140℃，防止出現低溫區受熱腐蝕和堵灰現象。

3 改造方案

3.1 燃燒器改造

鍋爐原有4層共16只高爐煤氣燒嘴，改造后將第一、四層燃燒器更換為焦爐煤氣燒嘴，共兩層8只燃燒器，并相應更換煤氣管道、相關閥門儀表附件、點火裝置及就地控制箱等，二、三層高爐煤氣燃燒器及相關管道利舊。

根據燃料特性及生產實際需求改造完成后燃燒器由直角噴燃改為旋流燃燒，氣流在爐膛中心強烈旋轉，燃料與空氣充分混合，形成一個高溫火炬，提高了燃燒效率。本次改造重點對5#鍋爐燃燒器進行了重新設計、安裝、調試。首先，通過對于各類噴嘴優缺點比較，確定燃燒器為帶漩渦裝置的雙旋流強制鼓風燃燒器；其次根據鍋爐實際運行所需燃料量和燃燒器熱負荷等參數，對燃燒器結構、尺寸、布局進行設計，將燃燒器采用四層布置，其中第一、四層燃燒器更換為焦爐煤氣燒嘴，噴口尺寸為Φ273mm，第二、三層燃燒器保留高爐煤氣燒嘴，噴口尺寸為Φ426mm。第一、四層焦爐煤氣燃燒器額定燃燒能力為8700Nm3/h，第二、三層高爐煤氣燃燒器額定燃燒能力為3750 Nm3/h。為保證焦爐煤氣與熱空氣的預混度，每層配備獨立熱風管道，并在套筒外側設計四根熱風導流管直接引入焦爐煤氣燃燒器中心位置，實現在煤氣和空氣預混區的充分混合，有效提高其燃盡率。最后對燃燒器配套控制系統進行了優化調整，為新設計高、焦煤氣燃燒器配置電動調節閥門，實現燃料入爐量的精確控制。該改造的創新點是根據實際鍋爐需求，設計高、轉爐煤氣聯合燃燒器，同時解決轉爐煤氣利用、高轉爐煤氣置換、降低鍋爐燃燒器中心標高等問題。改造后既有效降低轉爐煤氣燃燒器的中心標高，實現高熱值轉爐煤氣的安全燃用，提高煤氣利用率、降低能耗指標，又實現了四層高、轉爐煤氣的置換使用，更有效地保證了鍋爐的持續穩定運行。燃燒器改造前后詳見圖1。

圖1 燃燒器改造前后示意圖

3.2 輔助受熱面改造

因焦爐煤氣熱值較高，焦爐煤氣鍋爐需要的受熱面少，現有鍋爐的受熱面相對過大，會導致如下情況：①因爐膛受熱面過大，導致爐膛出口煙氣溫度降低，過熱器換熱減少，過熱器蒸汽溫度比原來低，達不到額定溫度，尤其在低負荷情況下更嚴重，本次改造需要增加過熱器受熱面積。②因焦爐煤氣中硫、水含量大，排煙溫度過低會對尾部受熱面產生嚴重的低溫腐蝕，因此需要將尾部省煤器受熱面減少，提高排煙溫度。

3.2.1 省煤器的改造

原省煤器分為高溫和低溫兩級，本次高溫省煤器不改動。低溫省煤器蛇形管為φ32×3，材質為20/GB/T3087，本次改造需要去掉部分受熱面，由原來縱向64排管剩余28排。為了保證冬夏兩種工況下排煙溫度合理，在低溫省煤器進出口設置了給水旁路，便于調節給水溫度。夏季摻燒焦爐煤氣較多時，讓部分給水直接進入低溫省煤器出口集箱，使排煙溫度不低于140℃。冬季摻燒焦爐煤氣較少時，讓給水全部通過低溫省煤器，使排煙溫度不會太高，保證鍋爐的運行效率。

3.2.2 過熱器改造

過熱器的設計必須確保受熱面管材的外壁溫度低于鋼材的抗氧化允許溫度，并保證其機械強度和耐熱性。

在本次設計中，將低溫過熱器縱向管子排數從原來12排增加到16排，增加一圈蛇形管，原來低溫過熱器蛇形管規格為φ38×3.5，材質為20/GB/T3087，增加管子材質改為12Cr1MoVG/GB/T5310，增加部分重新制造，最大程度保證了低溫過熱器的機械強度。

3.3 煤氣管道重新接引

由焦爐煤氣北環主管網至5#鍋爐重新架設一路DN800焦爐煤氣主管道，安裝蝶閥、盲板閥及相應計量裝置，按燃燒器設計要求安裝四角四列支管及四角管路、調節閥等，對相關煤氣管道管徑進行重新計算。

4 改造效果

本次改造于2020年7月9日停爐開始實施，8月7日改造完成并爐正式投入運行，改造前后運行數據對比詳見表1和表2。

表1 改造前

表2 改造后

運行分析：改造前4天平均負荷93t/h，燃料綜合單耗951.3m3/t，排煙溫度平均140℃；改造后4天平均負荷94t/h，燃料綜合單耗936.26m3/t，排煙溫度平均148℃。改造前焦爐煤氣單耗18.5m3/t，改造后焦爐煤氣單耗80.48m3/t，增加61.98m3/t，鍋爐各運行狀況良好，各項運行參數符合要求，排煙溫度由改造前平均140℃升高到平均148℃，大大緩減了鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕現象。

改造后，5#鍋爐每天增燒焦爐煤氣1.4萬m3，焦爐煤氣消耗量增加，有效消化了宣鋼焦爐煤氣的富余量，杜絕了焦爐煤氣放散引起的環境污染。減少了高爐煤氣燃用量，轉移到其他鍋爐消耗，提高了其他鍋爐蒸汽負荷，同時提高了企業自發電量。解決了現全燃高爐煤氣鍋爐存在的瓶頸問題，在高爐煤氣中斷的情況下可有效維持汽輪鼓風機正常運行，為宣鋼整體生產穩定創造了條件。

5 結語

該項目全燃氣鍋爐高爐煤氣摻燒、純燒焦爐煤氣技術實踐改造，具備良好的推廣前景，高爐煤氣鍋爐改燒焦爐煤氣的實踐應用，有效緩解了宣鋼目前以高爐煤氣為主要燃料的工業鍋爐在生產調整過程的局限性，實現了焦爐煤氣有效利用。隨著鋼鐵市場競爭日益加劇，合理地使用煤氣，減少對外排放，將富余煤氣轉換為電能，將成為鋼鐵企業降本增效的有效途徑。