【摘 要】為了提高全燒高爐煤氣鍋爐設(shè)計(jì)、改造技術(shù)水平，完善全燒高爐煤氣鍋爐運(yùn)行操作技術(shù)能力，開(kāi)展高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐過(guò)熱器在燃料波動(dòng)變化狀況下的試驗(yàn)研究工作，試驗(yàn)主要基于鍋爐在全燒高爐煤氣的情況下，針對(duì)不同的過(guò)熱器受熱面布置量，在不同的蒸汽負(fù)荷下，進(jìn)行不同的高爐煤氣擾動(dòng)量性能特征的試驗(yàn)測(cè)試，從而對(duì)高爐煤氣鍋爐運(yùn)行操作和全燒高爐煤氣鍋爐改造設(shè)計(jì)提供借鑒依據(jù)和幫助。

【關(guān)鍵詞】高爐煤氣鍋爐；過(guò)熱器部件布置量；燃料變化；試驗(yàn)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TK224 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）08-0075-04

隨著冶金行業(yè)節(jié)能降耗工作的不斷深入，高爐煤氣的利用率不斷提高、高煤放散率接近“零”放散。節(jié)能環(huán)保成效不斷顯現(xiàn)的同時(shí)，對(duì)高爐煤氣鍋爐燃燒調(diào)節(jié)也提出了更高的要求。據(jù)了解，在冶金企業(yè)中超過(guò)40%的高爐煤氣是用于鍋爐燃燒、提供發(fā)電供熱，這部分是企業(yè)環(huán)保能源綜合利用降本大頭，特別是高爐煤氣實(shí)現(xiàn)“零”放散后，煤氣鍋爐充當(dāng)了煤氣管網(wǎng)壓力用量調(diào)節(jié)主要用戶(hù)，必須隨時(shí)按照煤氣壓力調(diào)整煤氣使用量。煤氣壓力高時(shí)鍋爐加負(fù)荷、煤氣壓力低時(shí)鍋爐減負(fù)荷已成為常態(tài)，但是在這一調(diào)整過(guò)程中，鍋爐對(duì)于系統(tǒng)性、陣發(fā)高爐煤氣壓力波動(dòng)仍然存在自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)跟不上的問(wèn)題，致使鍋爐出現(xiàn)短暫的超溫、超壓的問(wèn)題。為此，從預(yù)防和改善的角度有必要對(duì)全燒高爐煤氣鍋爐進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究，以保證鍋爐使用安全可靠和提高鍋爐改造設(shè)計(jì)和鍋爐運(yùn)行操作技術(shù)水平。

根據(jù)對(duì)高爐煤氣鍋爐多年的使用經(jīng)驗(yàn)和借鑒多方的經(jīng)驗(yàn)，造成全燒高爐煤氣鍋爐產(chǎn)生溫度、壓力的控制問(wèn)題主要因素是煤氣燃料波動(dòng)變化，即當(dāng)高爐煤氣多、壓力波動(dòng)時(shí)，鍋爐容易發(fā)生溫度和壓力變化甚至超過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)。這種情況主要涉及的部位是鍋爐的過(guò)熱器，管內(nèi)的蒸汽吸熱量趕不上管外的煙氣放熱量，從而出現(xiàn)二介質(zhì)間熱量的不平衡，直接反映在鍋爐參數(shù)上就是蒸汽溫度、壓力參數(shù)升高（或降低），嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)超過(guò)設(shè)計(jì)部件許用壁溫的情況。為此，針對(duì)不同高煤燃料量的波動(dòng)情況，對(duì)高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐進(jìn)行鍋爐過(guò)熱器的試驗(yàn)測(cè)試，就是本文研究的重點(diǎn)。

高溫高壓鍋爐的過(guò)熱器按傳熱的方式可分為對(duì)流過(guò)熱器、半輻射過(guò)熱器和輻射過(guò)熱器3種。對(duì)流過(guò)熱器布置在鍋爐對(duì)流煙道中，主要有高溫過(guò)熱器和低溫過(guò)熱器等，它主要以對(duì)流傳熱的方式吸收流過(guò)它的高溫?zé)煔獾臒崃?；半輻射過(guò)熱器又稱(chēng)屏式過(guò)熱器，布置在鍋爐爐膛上部出口位置，它既吸收爐膛中火焰的輻射熱，又以對(duì)流的方式吸收流過(guò)它的煙氣的熱量。高溫高壓鍋爐在溫度調(diào)節(jié)上常規(guī)設(shè)置為二級(jí)減溫裝置，第一級(jí)減溫裝置布置在屏式過(guò)熱器入口，第二級(jí)減溫器布置在高溫過(guò)熱器冷、熱段間。當(dāng)檢測(cè)到管內(nèi)蒸汽介質(zhì)溫度超過(guò)要求時(shí)，自動(dòng)控制及時(shí)增加減溫水的噴水量進(jìn)行降溫（這部分工作可采用手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)），由于過(guò)熱器受熱面單根管較長(zhǎng)、金屬的熱容量較大，在減溫過(guò)程中，要使過(guò)熱器出口汽溫降低需要一些時(shí)間，當(dāng)減溫水蒸發(fā)吸熱量能夠彌補(bǔ)燃料陡增變化所產(chǎn)生的熱量時(shí)，過(guò)熱器壁溫不會(huì)大幅度地提升甚至超溫，否則就會(huì)超溫。通過(guò)分析可知，過(guò)熱器受熱面長(zhǎng)短、熱容量大小或者說(shuō)過(guò)熱器受熱面吸熱量布置，對(duì)過(guò)熱器運(yùn)行特性至關(guān)重要。因此，在不同的煤氣擾動(dòng)量的情況下，對(duì)不同鍋爐過(guò)熱器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試就是本試驗(yàn)的具體工作內(nèi)容。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

總體來(lái)說(shuō)，研究高爐煤氣鍋爐過(guò)熱器汽溫隨燃料變化的特點(diǎn)，不僅要研究燃料波動(dòng)量對(duì)鍋爐汽溫的影響，而且需要研究鍋爐的過(guò)熱器（順煙氣流向依次說(shuō)明）屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器冷熱段、低溫過(guò)熱器等受熱面換熱量布置的特點(diǎn)。只有對(duì)這些相關(guān)因素進(jìn)行測(cè)試研究，才能實(shí)現(xiàn)改善高爐煤氣鍋爐運(yùn)行和提高高爐煤氣鍋爐改造技術(shù)水平的目標(biāo)。由此，針對(duì)不同的全燒高爐煤氣鍋爐（主要針對(duì)過(guò)熱器布置受熱面不同）在不同的燃料變化量情況進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，就是本次試驗(yàn)的目的。

2 試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)鍋爐為高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐，額定參數(shù)：負(fù)荷為220 t/h，出口壓力為9.8 MPa，出口溫度為540 ℃，燃料為100%高爐煤氣，高煤熱值為800 kcal/Nm3，鍋爐進(jìn)水溫度為210 ℃。

（2）按照自屏過(guò)、高過(guò)、低過(guò)的煙氣流向，進(jìn)口煙溫為950 ℃左右、出口煙溫為630 ℃左右，試驗(yàn)范圍鍋爐過(guò)熱器材料一致（屏過(guò)、高過(guò)為12 Cr1MoV，低過(guò)為20 G）。

（3）高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐的噴水減溫器同樣分二級(jí)布置，一級(jí)減溫器布置在低溫過(guò)熱器出口（屏式過(guò)熱器布置進(jìn)口），二級(jí)減溫器布置在高溫過(guò)熱器分冷段和熱段之間，二級(jí)減溫器布置使得過(guò)熱器各部件受熱面積管道不至于過(guò)長(zhǎng)，蒸汽在各部件中焓增也不會(huì)太大，煤粉鍋爐一般經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，過(guò)熱器各部件內(nèi)蒸汽焓增50 kcal/kg左右，這樣布置在過(guò)熱器換熱上冷、熱源熱量比較容易平衡。前期的試驗(yàn)結(jié)論得知，全燒高爐煤氣鍋爐過(guò)熱器受熱面吸熱量或吸熱比具體如下：全燒高爐煤氣高溫高壓鍋爐，在滿(mǎn)足熱力計(jì)算和壁溫設(shè)計(jì)校核下，屏式過(guò)熱器吸熱比應(yīng)控制在6%～7%、高溫過(guò)熱器吸熱比應(yīng)控制在9.5%～10.5%、低溫過(guò)熱器吸熱比應(yīng)控制在9.0%～10.3%。本次試驗(yàn)是在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展高爐煤氣負(fù)荷量擾動(dòng)試驗(yàn)。

（4）高爐煤氣燃料擾動(dòng)變化速度約60 s，高爐煤氣燃料的負(fù)荷量變化量分為0.5萬(wàn)m3/h、1萬(wàn)m3/h、1.25萬(wàn)m3/h、1.5萬(wàn)m3/h、1.75萬(wàn)m3/h、2.0萬(wàn)m3/h等幾種情況。

（5）鍋爐的負(fù)荷按低負(fù)荷120 t/h以下、中負(fù)荷150～170 t/h、高負(fù)荷190 t/h 3種進(jìn)行試驗(yàn)。

（6）減溫水的用量不限量（不按設(shè)計(jì)量供應(yīng)，而以能夠保證燃料波動(dòng)時(shí)壁溫不超過(guò)許用溫度所需的減溫水量為準(zhǔn)），過(guò)熱器最高壁溫以過(guò)熱器使用材料許用溫度為準(zhǔn)。

（7）單位：一、二級(jí)減溫水流量單位為t/h（噸/小時(shí)），過(guò)熱器各組件吸收熱量/吸熱比單位為kcal/Nm3/%（部件吸收的熱量：大卡/標(biāo)立方高煤燃料熱值；吸熱比：占總?cè)剂戏艧崃康陌俜直龋?/p>

3 試驗(yàn)情況

試驗(yàn)情況見(jiàn)表1、表2、表3。

4 試驗(yàn)分析

（1）從鍋爐<120 t/h的低負(fù)荷燃料擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果可知，3種鍋爐過(guò)熱器布置形式的試驗(yàn)情況基本一致。在燃料陡然波動(dòng)時(shí)出現(xiàn)減溫調(diào)節(jié)自動(dòng)跟不上，過(guò)熱器高過(guò)、低過(guò)、屏過(guò)均超溫的情況，主要原因是鍋爐燃燒在穩(wěn)定的情況下煙氣放出的熱量和工質(zhì)蒸汽吸收的熱量一致，而鍋爐在<120 t/h的低負(fù)荷時(shí)，減溫水使用量較少甚至不用，減溫水調(diào)門(mén)在微啟狀態(tài)調(diào)節(jié)線(xiàn)性較差，從而易于發(fā)生調(diào)溫效果差的問(wèn)題。與中、高負(fù)荷相比，同樣增加煤氣量所產(chǎn)生的熱量與基礎(chǔ)負(fù)荷相比比例大，這樣在低負(fù)荷減溫調(diào)節(jié)幅度相對(duì)大，超過(guò)了減溫水常規(guī)跟蹤設(shè)定的調(diào)節(jié)幅度，從而產(chǎn)生減溫水滯后的問(wèn)題，無(wú)法平衡的熱量增加，導(dǎo)致低負(fù)荷高爐煤氣鍋爐汽溫汽壓波動(dòng)甚至超過(guò)許用情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為低負(fù)荷減溫水難調(diào)整是主要因素。

（2）從鍋爐150～170 t/h中、高負(fù)荷燃料擾動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果可知，對(duì)比鍋爐低負(fù)荷抗煤氣擾動(dòng)能力明顯提高了，主要原因是減溫水調(diào)門(mén)線(xiàn)性進(jìn)入平穩(wěn)區(qū)域，且在同樣燃料波動(dòng)的情況下擾動(dòng)負(fù)荷占比降低、自動(dòng)跟蹤幅度降低，但是當(dāng)擾動(dòng)超過(guò)1.25萬(wàn)～1.5萬(wàn)m3/h時(shí)同樣存在減溫水需求量超過(guò)自動(dòng)跟蹤幅度，發(fā)生熱量輸出和吸收的短暫不平衡，出現(xiàn)受熱面壁溫瞬間接近和微超的情況，同時(shí)在中、高負(fù)荷試驗(yàn)中明顯看出3種鍋爐過(guò)熱器布置性能的優(yōu)劣。

（3）從鍋爐190 t/h高負(fù)荷燃料擾動(dòng)試驗(yàn)情況可知，對(duì)比鍋爐中、低負(fù)荷抗煤氣擾動(dòng)能力提高了，同時(shí)3種鍋爐過(guò)熱器布置抗煤氣擾動(dòng)特征更加明顯。

{1}試驗(yàn)例1：在任何幅度的燃料擾動(dòng)中，低溫過(guò)熱器壁溫始終未超，明顯易超溫部位的高溫過(guò)熱器的壁溫，特別是燃料擾動(dòng)量大時(shí)，高過(guò)壁溫升速更快，終止試驗(yàn)的原因是高溫過(guò)熱器壁溫接近或瞬間超過(guò)材質(zhì)許用壁溫。分析認(rèn)為，試驗(yàn)例1相比較例2、例3的布置，屏過(guò)吸熱量/吸熱比為59.33 kcal/Nm3/7.4%和高過(guò)冷段/吸熱比為42.33 kcal/Nm3/5.29%，布置量稍大，受熱面管道的熱容量大，加大燃料擾動(dòng)時(shí)減溫水需求幅度，從而出現(xiàn)高溫過(guò)熱器較容易超溫的情況。{2}試驗(yàn)例2：終止試驗(yàn)的原因是擾動(dòng)幅度大過(guò)減溫水調(diào)節(jié)的跟蹤幅度，相比較試驗(yàn)例1、例3，抗燃料擾動(dòng)能力更強(qiáng)，從試驗(yàn)例2布置情況分析，適當(dāng)提高低溫過(guò)熱器受熱面，降低高溫過(guò)熱器受熱面的方法有助于提高對(duì)燃料的抗擾動(dòng)能力，但低溫過(guò)熱器受熱面布置量吸熱低于10.3%的吸熱比，同樣高溫過(guò)熱器熱段受熱面吸熱比為4.6%比較合理。{3}試驗(yàn)例3：屏過(guò)、高溫過(guò)熱器低溫段和高溫段，在1.5萬(wàn)m3/h以下的煤氣擾動(dòng)前，基本不發(fā)生超溫的問(wèn)題，減溫水平衡了燃料擾動(dòng)量所增加的熱量，終止試驗(yàn)原因是低溫過(guò)熱器壁溫接近或瞬間超過(guò)材質(zhì)許用壁溫。分析認(rèn)為，該試驗(yàn)例相比較例1、例2的布置，低溫過(guò)熱器吸熱量/吸熱比為82.93 kcal/Nm3/10.3%，布置量稍大，出現(xiàn)鍋爐負(fù)荷高、燃料擾動(dòng)幅度大時(shí)，低溫過(guò)熱器吸熱量過(guò)大的情況。

（4）對(duì)上述3例試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果分析可知，全燒高爐煤氣鍋爐在1 min內(nèi)，高爐煤氣燃料變化擾動(dòng)量不能超過(guò)1.75萬(wàn)m3/h，否則無(wú)法保證鍋爐過(guò)熱器的安全性和可靠性。

（5）在高爐煤氣燃料陡增的情況下，減溫設(shè)計(jì)量均無(wú)法滿(mǎn)足需要，實(shí)際使用時(shí)合理用量如下：一減兩側(cè)減溫水總流量>16（2×8）t/h；二減兩側(cè)減溫水總流量>10（2×5）t/h。

（6）高爐煤氣燃燒至煙氣對(duì)過(guò)熱器的影響速度遠(yuǎn)大于煤粉燃燒，因此對(duì)煤粉鍋爐改燒全燒高爐煤氣鍋爐時(shí)，需考慮高爐煤氣燃料的燃燒特征，具體如下：{1}對(duì)比煤粉鍋爐，因煤氣燃燒速度快，致使蒸汽、減溫水滯后反應(yīng)更明顯。{2}對(duì)比煤粉鍋爐過(guò)熱器各部件內(nèi)蒸汽焓增50 kcal/kg，全燒高爐煤氣鍋爐過(guò)熱器內(nèi)蒸汽的焓增：屏式過(guò)熱器基本一致，低溫過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器冷、熱段布置蒸汽焓增要低。{3}對(duì)比煤粉鍋爐，全燒高煤鍋爐的過(guò)熱器的減溫水實(shí)際使用量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)量。

5 試驗(yàn)結(jié)論

（1）從試驗(yàn)結(jié)果可以得出造成全燒煤氣鍋爐過(guò)熱器超溫的主要原因是高爐煤氣壓力波動(dòng)引起的負(fù)荷波動(dòng)、減溫水自動(dòng)跟不上所致，解決該問(wèn)題根本的措施不但要從調(diào)整過(guò)熱器受熱面著手，而且要增加高爐煤氣供氣系統(tǒng)壓力調(diào)壓設(shè)施，保證供氣壓力的穩(wěn)定。

（2）高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐過(guò)熱器合理的布置量如下：一減前低溫過(guò)熱器吸熱量/吸熱比為70.18 kcal/Nm3/8.77%，一減后屏式過(guò)熱器吸熱量/吸熱比為49.66 kcal/Nm3/6.2%；二減后過(guò)熱器高溫過(guò)熱器熱段吸熱量/吸熱比為36.83 kcal/Nm3/4.6%。

（3）全燒煤氣鍋爐減溫水量選擇要考慮高爐煤氣供氣壓力波動(dòng)的因素，同時(shí)按照高爐煤氣燃燒特點(diǎn)調(diào)整鍋爐過(guò)熱器各部件的布置量。

（4）針對(duì)高爐煤氣壓力波動(dòng)的情況，鍋爐操作人員有必要提前做好量調(diào)整和手動(dòng)干預(yù)減溫用量等準(zhǔn)備工作。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]