節(jié)能環(huán)保理念下鋼鐵企業(yè)鍋爐改造設計應用

郭 軍

（河鋼唐鋼動力部，河北 唐山 063000）

引言

高爐煤氣是鋼鐵企業(yè)中高爐產(chǎn)生的副產(chǎn)品，對其進行有效利用可節(jié)約一次能源，降低對環(huán)境污染和碳排放量。國家提倡能源的綜合利用，各鋼鐵公司從各自角度出發(fā)，響應倡導改制燃料結(jié)構(gòu)。隨著鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能的提升，高爐煤氣放散量也在增加。以某鋼鐵企業(yè)為例，當高爐同時生產(chǎn)時，煤氣的放散量約為26×104m3/h，需利用這些高爐煤氣作為二次能源替代一次能源煤炭。鋼鐵企業(yè)將改造一臺130 t/h 自然循環(huán)燃煤鍋爐，把原來以煤為主要燃料鍋爐改造為燃燒高爐煤氣的燃氣鍋爐。鍋爐改造后可給公司帶來了豐厚的經(jīng)濟效益，節(jié)省煤炭的同時降低了燃煤帶來的一系列煙塵、SOx、NOx、CO2的污染，大大提升了企業(yè)節(jié)能環(huán)保效果[1]。

1 鍋爐改造

將自然循環(huán)煤粉鍋爐燃料替換為高爐煤氣，原來鍋爐需進行對其系統(tǒng)性的改造。首先進行設計計算，核算原系統(tǒng)中有無可利用設備或設施，如熱風管道、冷風管道、煙道、鍋爐的送風機、引風機等。其次拆除無用的設施，主要有鍋爐的燃煤輸送系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、部分管道及舊的燃燒裝置及送風管道、除塵設施等。再將新燃料高爐煤氣管道引入廠房，接支管送至改造后的鍋爐燃燒器。最后就是改建自動控制、自動檢測及儀表系統(tǒng)及廠用電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等[2]。

2 熱力計算

改造為全燒高爐煤氣的鍋爐，對原鍋爐數(shù)據(jù)與改造后的數(shù)據(jù)進行對比，進行熱力計算[3]。

2.1 鍋爐有效利用熱及燃料量計算

根據(jù)原鍋爐設計資料及燃氣鍋爐設計數(shù)據(jù)進行燃料量的計算，結(jié)果見表1。

表1 鍋爐燃料量計算表

2.2 理論空氣量及煙氣量計算

根據(jù)燃料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算燃煤和燃煤氣兩種燃料的理論空氣量及煙氣量，結(jié)果見下頁表2。

表2 理論空氣量及煙氣量表

2.3 鼓引風機設計計算

根據(jù)兩種鍋爐實際數(shù)據(jù)進行鼓風機和引風機的風量與風壓的計算，見下頁表3。

表3 鼓引風機校核計算表

2.4 計算結(jié)論

根據(jù)以上對燃煤鍋爐改造為燃燒高爐煤氣的鍋爐進行熱力各參數(shù)的計算，對鼓風機及引風機的能力進行校核并對管道進行設計計算。經(jīng)過計算得出的結(jié)論為鍋爐的鼓風機和引風機的風量與風壓滿足燃料替換改造后的要求，設備可以利用舊有鼓風機和引風機。鍋爐燃料系統(tǒng)各主管徑計算結(jié)果為：高爐煤氣的主管管徑為DN1 600 mm，高爐煤氣兩根支管管徑為DN1 100 mm，熱風系統(tǒng)兩根風管管徑為DN1 200 mm。

3 改造中的技術(shù)難點

3.1 改造前鍋爐設備存在的問題

該電廠燃煤鍋爐為固態(tài)排渣自然循環(huán)煤粉鍋爐。原設計不摻燒高爐煤氣，主體設備運行時間較長，而且運行維護不規(guī)范，在停爐時設備未進行相應的防腐措施，導致一些部件存在腐蝕嚴重的現(xiàn)象。在大中修的檢修過程中，檢修作業(yè)效果未達標，運行后又出現(xiàn)水冷壁不規(guī)整、爐墻漏風嚴重、系統(tǒng)負壓維持不住、空氣預熱器存在堵管，本次改造中需要解決這些缺陷，本體設備需進行更換或者修復。

3.2 燃燒系統(tǒng)設計

鍋爐燃燒系統(tǒng)的設計是本次鍋爐改造的重點，鍋爐的燃料更換為高爐煤氣，此氣體是煉鐵高爐副產(chǎn)品，屬于低熱值燃氣（理論燃燒溫度約1 100℃），著火時需要較高的點火能。進入鍋爐的高爐煤氣不能順利著火燃燒，操作不當時將有可能引起爆燃，發(fā)生嚴重的事故，所以煤氣引入鍋爐并能迅速點火燃燒是本次改造的重點也是難點。

原燃煤鍋爐為四角噴燃的燃燒系統(tǒng)，爐膛橫截面為7 180 m×7 180 m，吸送風系統(tǒng)負壓運行。雖然此鍋爐在運行時摻燒少量的高爐煤氣，但本次改造是去除整個燃煤系統(tǒng)，更換燃料。所以燃燒系統(tǒng)改造是全新的設計。通過可行性研究的探討，各廠均提出不同的技術(shù)改造方案。又經(jīng)過對各方案的比較、分析、論證，采用了其中一家鍋爐廠的方案，采用前后墻布置旋風燃燒器，并在鍋爐底部建立絕熱蓄熱燃燒室。

3.3 鍋爐蒸汽量的最終核算

鍋爐蒸汽產(chǎn)量的大小取決于鍋爐受熱面吸收的熱量的高低。由于是改造工程，原鍋爐的爐膛截面積和高度不能夠改變，就是說鍋爐的爐膛體積不變。但改造后使用高爐煤氣替代煤粉，鋼鐵企業(yè)的高爐煤氣熱值基本在2 800 kJ/m3左右，遠遠低于原鍋爐設計煤的發(fā)熱量，在爐膛體積不變的情況下，爐膛容積熱負荷與投入燃料的總熱值成正比，因此在原爐膛里改燒高爐煤氣，爐膛容積熱負荷明顯不足，會影響鍋爐負荷。

3.4 排煙余熱的合理利用

高爐煤氣作為燃料，在爐膛中呈現(xiàn)的燃燒方式為擴散燃燒，雖然燃燒極為穩(wěn)定，不會回火脫火，但火焰長，化學不完全燃燒損失大，火焰溫度低，燃燒強度低。燃燒產(chǎn)物中大含量的氮氣，排煙量變?yōu)?7×104m3/h，煙氣通過爐膛受熱面、尾部受熱面吸熱后，排煙溫度仍表現(xiàn)太高。就是受到原鍋爐結(jié)構(gòu)不能改變的影響，燃料燃燒熱在現(xiàn)有尾部受熱面吸收后，計算得出的排煙溫度仍有175℃，這就需要想辦法進一步降低鍋爐排煙溫度，一方面保證引風機葉片安全運行，另一方面剩余的煙氣余量利用后，可提升燃氣鍋爐系統(tǒng)整體熱效率。

3.5 管道布置設計

本次鍋爐改造后的新增設計的管道有：高爐煤氣主管道及分支管道、爐前各燃燒器分管、焦爐煤氣主管道及爐前各燃燒器點火助燃管道、熱風系統(tǒng)主管道及分支管道、爐前各燃燒器的供風管道。改造后燃料變?yōu)楦郀t煤氣，因此鍋爐各管道的布置需要重新設計分布。改造后鍋爐采用的燃燒器在鍋爐前、后墻布置，前后墻對沖設計，前墻水平布置5 個，后墻水平布置4 個，共9 個燃燒器，中心標高為1.5 m，燃燒室采用絕熱蓄熱的砌筑方式，起到蓄熱穩(wěn)定燃燒的效果。管道設計路徑為從煤氣預熱器進入主廠房高爐煤氣主管道（管徑為DN1 600 mm），從零米層進入鍋爐后部，沿著鍋爐甲乙兩側(cè)分成兩根煤氣支管（管徑為DN1 100 mm），從支管分別引出每個燃燒器管道（管徑為DN450 mm）；熱風系統(tǒng)主管道分別接至空氣預熱器出口，從爐膛尾部受熱面兩側(cè)各分布一根支管（管徑為DN1 200 mm），從7 m 運轉(zhuǎn)平臺兩側(cè)，向下分別送至燃燒器的熱風管道（管徑為DN500 mm）；在每個燃燒器中還布置有焦爐煤氣點火助燃管道（管徑為DN65 mm），燃燒器外側(cè)安裝有高能電子點火裝置。每個燃燒器配備煤氣手動截止閥、電動快切閥、熱風手動截止閥、焦爐煤氣手動截止閥、電動快切閥、高能電子點火器等。各種管道布置在7 m 運轉(zhuǎn)層平臺下，高爐煤氣管道、熱風管道、焦爐煤氣管道交叉有序布置，各種閥門合理安置，設計時還需要考慮閥門的操作、檢修問題，使得工廠設計必須精致有序，合理布局。設計人員深入現(xiàn)場勘查，了解實際操作情況，畫出方案再進行比較，最終的最完美的技術(shù)方案是將熱風總管放入地下布置，煤氣管道接口與熱風管道接口為上、下兩側(cè)接入，使得改造后現(xiàn)場管道布局合理、閥門布置合適、整齊劃一，便于操作和檢修工作。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

本次改造工程總投資為1 765 萬元。

1）直接經(jīng)濟效益。鍋爐按現(xiàn)在生產(chǎn)情況測算：年節(jié)約燃煤的費用為1 230 萬元；年節(jié)約輸送燃煤及煤粉制備的電能費用為245 萬元；年節(jié)約除塵、灰渣處理等水費為50 萬元。以上三項，年減少支出1 525萬元。

2）間接經(jīng)濟效益。安裝了熱管式煤氣預熱器，煤氣吸熱量折合標煤的價值為25 萬元。降低鍋爐排煙熱損失，折合標煤價值為30 萬元。鍋爐熱效率提高了5%，達到92%，高于原燃煤鍋爐的熱效率。取得了良好的節(jié)能效果。

4.2 環(huán)保效益

經(jīng)當?shù)丨h(huán)保局檢測，本次改造后，企業(yè)回收高爐煤氣約為76 000 萬m3，折合節(jié)約標準煤約17.9 萬t，二氧化硫減排量約1 800 t，減少煙塵約1 660 t；減少產(chǎn)生粉煤灰量約為63 000 t；每年降低由于除塵廢水72 萬t。在減排上述污染物的同時，大大減除燃煤而產(chǎn)生的CO2、NOx等污染物的排放，減少制粉系統(tǒng)設備運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音污染。

5 結(jié)論

通過本次鍋爐改造的設計與實踐，對燃煤鍋爐進行燃燒等系統(tǒng)的改造，通過計算校核了鼓引風機能力和管道設計，闡述了設計和改造過程中的技術(shù)難點及解決這些問題的辦法，對改造產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益進行了分析，為鋼鐵企業(yè)在節(jié)約一次能源、充分利用高爐剩余煤氣和保護環(huán)境方面找到新思路，推進了鋼鐵企業(yè)的清潔生產(chǎn)，加快了鋼鐵企業(yè)向綠色環(huán)保能源綜合利用進軍的步伐。該燃煤鍋爐進行高爐煤氣的燃料改造設計可作為鍋爐改造設計的典型案例，提供了可以借鑒的成功經(jīng)驗。