吳松林，鄧先錄

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽 421001）

引言

衡陽華菱鋼管有限公司（以下簡稱華菱衡鋼）有一臺(tái)SHS25-1.27/270-Q型以高爐煤氣為燃料的燃?xì)忮仩t，為江西江聯(lián)能源環(huán)保股份有限公司制造，負(fù)責(zé)華菱衡鋼煉鋼分廠VD爐以及其他用戶的蒸汽供應(yīng)，該鍋爐運(yùn)行的正常與否直接影響著煉鋼分廠的生產(chǎn)狀況。

華菱衡鋼因單臺(tái)高爐需大修2個(gè)月，全司高爐煤氣供給中斷，該燃?xì)忮仩t將因無燃料而被迫停爐，煉鋼分廠VD爐精煉的高效鋼種將因沒有蒸汽無法生產(chǎn)。咨詢相關(guān)鍋爐廠商關(guān)于該燃?xì)忮仩t改燒天然氣改造事項(xiàng)，答復(fù)配件加工及改造工期一起需要半個(gè)月以上，其費(fèi)用高達(dá)近百萬元，且燃燒器改造成燒天然氣后，當(dāng)高爐正常時(shí)燒高爐煤氣時(shí)，熱效率會(huì)降低。

1 燃?xì)忮仩t主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

1.1 鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）本鍋爐采用雙鍋筒橫置式自然循環(huán)結(jié)構(gòu)形式，爐前部為爐膛，爐膛四周布滿水冷壁管，爐膛出口水平煙道設(shè)置過熱器、對(duì)流管束，尾部豎井煙道中布置兩級(jí)省煤器、空氣預(yù)熱器，爐膛中部布置蓄熱穩(wěn)燃器；

（2）本鍋爐共設(shè)置八個(gè)高爐煤氣燃燒器，為整體式燃燒器，控制方式為機(jī)械比例調(diào)節(jié)。采用四角布置，上下布局（見圖1），下層燃燒器設(shè)有天然氣點(diǎn)火裝置。

圖1 原燃燒器實(shí)物圖

1.2 鍋爐的技術(shù)參數(shù)

型號(hào)：SHS25-1.27/270-Q型燃?xì)忮仩t;

設(shè)計(jì)燃料：高爐煤氣;

額定蒸發(fā)量：25 t/h;

過熱蒸汽壓力：1.27 MPa;

過熱蒸汽溫度：270℃;

給水溫度：104℃。

2 改造實(shí)施

2.1 改造方案的特點(diǎn)

（1）原高爐煤氣燃燒器結(jié)構(gòu)不改變

高爐煤氣為華菱衡鋼高爐煉鐵的副產(chǎn)品，天然氣需外購，高爐大修完成后，該鍋爐將恢復(fù)使用高爐煤氣作為燃料。

（2）鍋爐的受壓元件不改變

鍋爐為特種設(shè)備，其受壓元件均經(jīng)相關(guān)安全監(jiān)督部門檢測合格后才能投入使用。

（3）爐膛的主體結(jié)構(gòu)不改變

爐膛的主體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變可能會(huì)影響鍋爐的安全性和運(yùn)行的穩(wěn)定性，給生產(chǎn)帶來較大的隱患。

3 改造主要技術(shù)內(nèi)容

3.1 燃燒器的改造

3.1.1 燃燒器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該燃燒器為環(huán)縫旋流燃燒器（如圖2），分內(nèi)外兩層，內(nèi)側(cè)走高爐煤氣，外側(cè)走空氣，出口端設(shè)置了混合器和混合段，在燃燒器中間布置了一根φ60天然氣管，該管作點(diǎn)火時(shí)用。正常運(yùn)行時(shí)，高爐煤氣從煤氣管和中心天然氣管之間的環(huán)縫中流出，與蝸殼配風(fēng)器產(chǎn)生的旋流空氣在混合段強(qiáng)烈混合，混合器以22 m/s左右的速度噴進(jìn)爐膛，卷吸爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔庋杆偃紵?/p>

圖2 環(huán)縫旋流燃燒器

3.1.2 額定負(fù)荷下熱負(fù)荷計(jì)算

鍋爐設(shè)計(jì)燃料成分（純高爐煤氣）如下：

CO2：17.5%;CO:24.5%;H2:1.5%;CH4:0.5%;N2:56%;Qydw:3265.7kJ/m3;灰＜10 mg/m3。

根據(jù)設(shè)計(jì)燃料：

單個(gè)燃燒器的出力為：2810.6 m3/h；

空氣出口速度為：23 m/s；

高爐煤氣出口速度：32 m/s；

混合氣后部速度：22 m/s；

鍋爐燃料消耗量：22485 m3/h。

華菱衡鋼高爐煤氣CO的實(shí)際含量基本穩(wěn)定在23%左右，以及鍋爐隨著使用年限的增長，熱效率的衰減，該鍋爐在達(dá)到額定蒸發(fā)量時(shí)的實(shí)際高爐煤氣消耗量接近24000 m3/h。華菱衡鋼高爐煤氣的熱值約為700 kcal，則鍋爐達(dá)到額定蒸發(fā)量所需的熱量為：

天然氣的熱值約為8000 kcal，則根據(jù)能量平衡，理論所需天然氣的量為：

每個(gè)燃燒器的平均流量約為：

3.1.3 管道流速計(jì)算

該鍋爐每個(gè)燃燒器點(diǎn)火用天然氣管道內(nèi)徑為φ60，天然氣壓力為 0.3 MPa（即為 3 bar），由公式（3）可知，管道流量525 m3/h，則由公式:

流量（Q）=截面積(S)×流速（v）×絕對(duì)壓力（P）（4）

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50156-2006，中壓天然氣管道（0.2～0.4 MPa）最高流速為20 m/s，則φ60管道能滿足燃燒器所需的天然氣輸送要求。

3.1.4 天然氣燃燒器設(shè)計(jì)

現(xiàn)用天然氣燃燒器直徑為60 mm，由12個(gè)4 mm的噴射孔組成，根據(jù)現(xiàn)場測試，現(xiàn)天然氣燃燒器正常使用時(shí)的流量約為150 m3/h；如天然氣消耗量增加至525 m3/h，則噴射孔的面積需增加3.5倍以上才能滿足需求。

通過重新加工天然氣燃燒器（如圖3），直徑為60 mm，4 mm噴射孔由原來的10個(gè)增加到50個(gè)，并通過焊接安裝到原燃燒器上。

式中Q-525 m3/h=0.146 m3/s；

D-60 mm；

P-4 bar；

圖3 改造前后燃燒器

3.2 調(diào)節(jié)閥的改造

3.2.1 調(diào)節(jié)閥選型

燃燒器控制方式為機(jī)械比例調(diào)節(jié)，每個(gè)燃燒器天然氣管道上僅安裝調(diào)壓閥（或稱減壓閥），無流量調(diào)節(jié)閥。鍋爐的負(fù)荷是根據(jù)煉鋼分廠等用戶的需求變化的，則需在天然氣管道上加裝帶切斷功能的調(diào)節(jié)閥以能及時(shí)調(diào)整鍋爐的負(fù)荷。通過對(duì)管道管徑、氣體壓力等級(jí)、閥門結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)有高爐煤氣調(diào)節(jié)閥控制方式等進(jìn)行分析，最終選擇通徑DN60、壓力等級(jí)PN6、結(jié)構(gòu)形式為蝶閥、控制方式氣動(dòng)且?guī)袛喙δ艿恼{(diào)節(jié)閥。并將原高爐煤氣調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)接入到新安裝的天然氣流量調(diào)節(jié)切斷閥上，同時(shí)將火焰檢測器、鍋爐系統(tǒng)壓力、水位等信號(hào)與調(diào)節(jié)切斷閥聯(lián)鎖，確保異常情況下能及時(shí)切斷天然氣。

3.2.2 調(diào)節(jié)閥調(diào)試

天然氣調(diào)節(jié)閥改造完成，以及其他相關(guān)改造完成后，系統(tǒng)點(diǎn)火試運(yùn)行，逐步將天然氣調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)至100%，同時(shí)觀察各天然氣通道的流量（每根天然氣管道裝有流量計(jì)），通過調(diào)節(jié)減壓閥，確保各通道在的流量在525 m3/h左右。在調(diào)試完成后，各通道天然氣的減壓閥后的壓力基本穩(wěn)定在50 kPa。

3.3 空燃比的計(jì)算

3.3.1 理論空燃比的計(jì)算

天然氣的主要成分為CH4，燃燒時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，并產(chǎn)生大量的煙氣，其燃燒的化學(xué)方程式為：

高爐煤氣的主要可燃成分為CO，其燃燒的化學(xué)方程式為：

由公式（7）和公式（8）對(duì)比可知，天然氣與高爐煤氣的空燃比不同?？諝庵械难鹾考s為21%，則天然氣燃燒理論空燃比為：

3.3.2 實(shí)際空燃比的計(jì)算

天然氣燃燒后煙氣中的氧含量對(duì)燃料燃燒的影響較大。煙氣中氧含量過高存在以下害處：

(1)過量的空氣會(huì)帶走大量的物理熱，造成不必要的浪費(fèi)；

(2)過量的冷空氣進(jìn)入爐膛，將降低了爐膛溫度，增加燃料的消耗同時(shí)；

(3)增加鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的電耗和機(jī)械磨損。

煙氣中的氧氣含量偏低，會(huì)引起燃料不充分燃燒，造成燃料的浪費(fèi)，增加燃料成本。通常規(guī)定鍋爐煙氣中氧氣含量在3%～6%為宜，煙氣中氧含量按4%設(shè)計(jì)。

則實(shí)際空燃比為：

3.4 爐膛壓力的控制

根據(jù)鍋爐《煙風(fēng)阻力計(jì)算表》得知，以高爐煤氣為燃料時(shí)，額定負(fù)荷下煙氣的體積為65529.9 m3/h；以天然氣作為燃料時(shí)，由公式（7）得知天然氣燃燒后的體積為發(fā)生變化，額定負(fù)荷下煙氣的理論體積為2187×（1+12.8）=30180.6 m3/h。因此，鍋爐燃料由高爐煤氣改為天然氣后，煙氣量大幅減少。

根據(jù)《煙風(fēng)阻力計(jì)算表》得知，該鍋爐爐膛出口設(shè)計(jì)負(fù)壓20 Pa，引風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為110 kW，采用變頻控制。爐膛煙氣出口安裝有壓力傳感器，引風(fēng)機(jī)根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，確保爐膛負(fù)壓。

4 效果驗(yàn)證

4.1 安全性驗(yàn)證

此改造鍋爐的受壓元件未發(fā)生改變，爐膛的結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，則鍋爐本體的結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變；在天然氣管道上加裝了切斷調(diào)節(jié)閥，并與火焰檢測器、鍋爐系統(tǒng)壓力和水位等信號(hào)聯(lián)鎖，確保在鍋爐在出現(xiàn)異常時(shí)能及時(shí)切斷天然氣；天然氣管道上安裝有減壓閥，確保天然氣的壓力穩(wěn)定，由公式（10）計(jì)算出了合理的空燃比，為防止脫火和回火提供了保證。

4.2 蒸發(fā)量驗(yàn)證

在完成燃燒器改造、流量調(diào)節(jié)閥安裝、空燃比設(shè)定等工序后，按鍋爐開爐操作規(guī)程做好準(zhǔn)備后，進(jìn)行點(diǎn)火調(diào)試；逐步調(diào)試好各個(gè)通道的壓力和流量；設(shè)定爐膛負(fù)壓為20 Pa；通過調(diào)整天然氣調(diào)節(jié)閥開度，即調(diào)節(jié)天然氣流量，來調(diào)整鍋爐的蒸發(fā)量已適應(yīng)用戶負(fù)荷的變化，經(jīng)長時(shí)間跟蹤和測試，當(dāng)四個(gè)天然氣調(diào)節(jié)閥開度全開時(shí)，天然氣總流量為2110 m3/h，鍋爐的蒸發(fā)量為23 t/h，基本達(dá)到了改造的目的，滿足了用戶的需求。