【正文】 s in China. The 4th International Symposium on Coal Combustion, Beijing, 1999.,曹子棟,1986.,1990., 陳聽寬,1982.,1991.，李衛(wèi)東，惠世恩，2002.，1991(2)：43.9奚士光，吳味隆，1995.10家騄，余福曉，2004..，1998.13郭立君，2004.14 Clear Blue Sky: China’s Environment in the New Century. Washington (DC): The World Bank, 1997.15徐幫學(xué)，燃油、燃?xì)忮仩t選型、安裝及運(yùn)行維護(hù)與燃煤鍋爐燃油、2004.,2001附錄A附圖1 鍋爐外部冷卻損失圖2 四角布置燃燒器固體排渣煤粉爐的值附圖3 水冷壁的角系數(shù)附圖4 決定橫向沖刷錯(cuò)列管簇的對(duì)流放熱系數(shù)線算圖附圖5 決定橫向沖刷錯(cuò)列管簇的對(duì)流放熱系數(shù)線算圖附圖6 決定煙氣橫流沖刷順列管簇對(duì)流放熱系數(shù)線算圖附圖6 決定煙氣橫流沖刷順列管簇對(duì)流放熱系數(shù)線算圖（續(xù)）附圖7 交叉溫壓修正系數(shù) 附圖8 切向燃燒直流燃燒器的和的關(guān)系附錄B淺談高爐煤氣鍋爐設(shè)計(jì)要點(diǎn)杭州鍋爐集團(tuán)有限公司 趙 劍 云 杜 斌 摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了杭州鍋爐集團(tuán)有限公司開發(fā)各類參數(shù) 高爐煤氣鍋爐的經(jīng) 驗(yàn)，就高爐煤氣燃燒特性、受熱面布置和提高鍋爐效率等問題 ，闡述 了高爐煤氣鍋 爐的設(shè) 計(jì)要 點(diǎn)。 杭州鍋爐集團(tuán)有限公司自從開發(fā)出國(guó)內(nèi)最大的220t／h全燃高爐煤氣鍋爐后，又相繼開發(fā) 了35t／h、45t／h、75t／h、135t／h和150t／h等不同參數(shù)和容量的全燃高爐煤氣的鍋爐 ，形成了系列化產(chǎn)品，滿足了不同用戶的需求 。在開發(fā)這些鍋爐的過程中，我們積累了許多經(jīng)驗(yàn)。本文旨就高爐煤氣鍋爐的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)談些體會(huì)，以供參考。 由于高爐煤氣本身的特點(diǎn)決定了高爐煤氣鍋爐不同于其它燃料的鍋爐。高爐煤氣是CO，H2的含量很小。高爐煤氣的其它主要特點(diǎn)如下： ( 1 )每標(biāo)米立方高爐煤氣燃燒所需理論空氣量?jī)H為0．6標(biāo)米立方米，總的空氣量約為同類型燃煤鍋爐的70％， ； ( 2 )高爐煤氣著火點(diǎn)在530 C 一660C之間 ； ( 3 )高爐煤氣理論燃燒溫度約1 3 0 0 C； ( 4 )高爐煤氣在空氣中的爆炸極限濃度為 3 5 ％ 一7 1 ％。 表1 根據(jù)高爐煤氣的這些特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)高爐煤氣鍋爐時(shí)，應(yīng)主要考慮高爐煤氣安全穩(wěn)定的完全燃燒 ，不同參數(shù)、容量的高爐煤氣鍋爐爐型的選擇和受熱面的合理布置 ，以及如何提高鍋爐熱效率。 1 高爐煤氣安全穩(wěn)定完全燃燒 高爐煤氣鍋爐首先要解決的就是高爐煤氣的燃燒問題。根據(jù)燃燒理論，燃料的燃燒取決于溫、時(shí)間和混合紊流度，稱為燃燒三要素。由于高爐煤氣組成中不可燃成分占了絕大部分，其理論燃燒溫度僅 1 3 0 0 C左右 ，遠(yuǎn)低于煤和油的理論燃燒溫度。其著火溫度也比較高，而且高爐煤氣燃燒屬于空間燃燒，燃燒非常迅速。因此高爐煤氣燃燒要解決的關(guān)鍵問題在于如何提高燃燒室溫度和如何與空氣充分混合 。最終歸結(jié)為燃燒室和燃燒器的合理設(shè)計(jì)。燃燒器主要是保證煤氣與空氣的均勻混合 ，燃燒室設(shè)計(jì)要能維持 比較高的溫度，以保證安全燃燒。 1 ．1 燃燒器的設(shè)計(jì) 高爐煤氣燃燒器主要采用多管式和旋流式兩種。在以往的小容量高爐煤氣鍋爐設(shè)計(jì)中，多采用多管式煤氣燃燒器，煤氣在管內(nèi)流動(dòng)，空氣在管外流動(dòng)，在燃燒器出口{ 昆合 。有時(shí)為了增強(qiáng)混合 ，在管子出口設(shè)置旋流子。這種燃燒器火焰比較長(zhǎng)，且單個(gè)燃燒器容量較低，適合四角布置?，F(xiàn)在則多采用旋流式燃燒器 ，煤氣和空氣經(jīng)各自的通道流經(jīng)噴嘴導(dǎo)向葉片后產(chǎn)生旋流 ，在燃燒器出口產(chǎn)生強(qiáng)烈混合。其特點(diǎn)是負(fù)荷調(diào)節(jié) 比較大，低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒性能好，不會(huì)發(fā)生回火。由于混合好，燃燒充分，火焰長(zhǎng)度較短 ，且單個(gè)燃燒器容量大 ，尤其適用 于大容量鍋爐 ，宜前后墻布置。兩種燃燒器的比較見表 2 。 在各種容量高爐煤氣鍋爐設(shè)計(jì) 中，均應(yīng)優(yōu)先選用旋流式高爐煤氣燃燒器 ，只是在與煤混燒的四角布置的情況下才選用多管式燃燒器。 1．2 燃燒室的設(shè)計(jì) 高爐煤氣鍋爐燃燒室也就是鍋爐爐膛，為了維持高爐煤氣的穩(wěn)定燃燒就需要爐膛保持一定的溫度。在鍋爐高負(fù)荷時(shí)，爐膛溫度通常可以維持高爐煤氣燃燒。但在鍋爐低負(fù)荷時(shí)，特別是大容量鍋爐，就需要采取一些措施，使得燃燒室維持較高的溫度。對(duì)于150 t／h以下高爐煤氣鍋爐 ，可采取在燃燒區(qū)涂耐火材料的方式，見圖l 。對(duì)于220 t／h 以上高爐煤氣鍋爐，在燃燒區(qū)涂耐火材料的同時(shí)，爐膛設(shè)計(jì)成縮腰形式，見圖2 ，使?fàn)t膛下部有較高的熱容量，從而保證了高爐煤氣的安全穩(wěn)定燃燒。 2 高爐煤氣鍋爐受熱面布置 2．1 爐膛的設(shè)計(jì) 高爐煤氣鍋爐受熱面布置涉及到鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)時(shí)合理選擇爐膛大小是至關(guān)重要的，它決定了鍋爐的尺寸 ，從而決定了鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于一臺(tái)參數(shù)已定的鍋爐來(lái)說，其加熱吸熱量 、蒸發(fā)吸熱量和過熱吸熱量的比例也就確定了，見表3 。由于高爐煤氣理論燃燒溫度只有1 3 0 0 左右，因此爐膛的吸熱有限，爐膛吸熱比例隨爐膛出口溫度的變化見表4 。由此可見即使?fàn)t膛出口溫度降到 9 0 0 * ( ，爐膛吸熱比例也只有3 6 ％。反過來(lái)說，高爐煤氣的燃燒生成物為不發(fā)光氣體，輻射能力較差，如出口溫度要降到 9 0 0 1 2，爐膛就要做得很大，這很不經(jīng)濟(jì)。因此從經(jīng)濟(jì)方面考慮 ，一般爐膛的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮出口溫度在 1 0 0 0 C左右為宜 。爐膛不必設(shè)計(jì)很大。 2 ．2 省煤器及蒸發(fā)受熱面的設(shè)計(jì) 鍋爐爐膛主要完成蒸發(fā)吸熱。從表 3可以看出高壓鍋爐的蒸發(fā)吸熱約4 9 ％，中低壓鍋爐的蒸發(fā)吸熱更高，超過了6 0％顯然高爐煤氣鍋爐爐膛不能吸收蒸發(fā)所需全部熱量，需要其它受熱面來(lái)吸收不足部分 。對(duì)于高壓鍋爐 ，選擇爐膛出口煙溫在 1 0 0 0 ℃ 左右，這樣可采用沸騰式省煤器，控制省煤器出口沸騰度在 2 0 ％左右。對(duì)于小容量的中低壓鍋爐，只采用省煤器來(lái)吸收不足部分的蒸發(fā)熱量顯然行不通，這樣會(huì)使省煤器出口沸騰度超過 3 0 ％，導(dǎo)致省煤器阻力增加，受熱不均勻增加，甚至引發(fā)省煤器爆管事故 。因此對(duì)于小容量 的中低壓鍋爐 可采用上下鍋筒的對(duì)流管束來(lái)吸收不足部分的蒸發(fā)熱量，見圖 3 。而對(duì)于容量比較大的中壓鍋爐 ，采用上下鍋筒的對(duì)流管束，工藝復(fù)雜，檢修也很困難，為了吸收部分蒸發(fā)熱量，使省煤器出口沸騰度在 2 0 ％左右 ，可以采用獨(dú)立的蒸發(fā)管屏，布置在對(duì)流過熱器后面，見圖 1 ，這樣可以有效解決這一問題 。 從吸熱比例來(lái)看，高爐煤氣鍋爐主要是以對(duì)流吸熱為主，爐膛輻射吸熱所占比例較小。因此對(duì)流熱面的布置很重要，考慮到高爐煤氣是一種 比較干凈的燃料，故在設(shè)計(jì)時(shí)可采用較高的煙氣流速，受熱面應(yīng)布置緊湊 ，蒸發(fā)管屏和省煤器可以采用螺旋鰭片管，這樣既節(jié)省空間，又降低成本。 3 提高高爐煤氣鍋爐效率 高爐煤氣鍋爐的熱損失主要是排煙熱損失q 2 ，因?yàn)闄C(jī)械熱損失q 4為0 ，化學(xué)熱損失q 3也很小，只要燃燒完全 ， ％，散熱熱損失q 5 也很小 ，與鍋爐大小有關(guān)。而排煙熱損失主要取決于鍋爐的排煙溫度，q 2 隨排煙溫度變化見表5 。 可見排煙溫度每上升 1 0 ℃。鍋爐排煙熱損失增加 1 ％左右，因此降低排煙溫度是提高高爐煤氣鍋爐熱效率的唯一有效途徑。與燃用 其它燃料 的鍋爐一樣 ，采用空氣預(yù)熱器是降低排煙溫度的一種有效辦法。用空氣來(lái)吸收部分排煙熱量 ，送入爐膛 ，既回收了熱量，又提高了爐膛溫度 ，有利于爐膛吸熱。但應(yīng)指出，高爐煤氣燃燒所需要的空氣量有限；前面提到每標(biāo)米立方高爐煤氣燃燒只需0．6標(biāo)米立方的空氣。而煙氣量又非常大，從能量平衡來(lái)說 ，煙氣每降低 1 ℃放出的熱量可使 空氣溫度 升高 2. 8 5 ℃左 右。 作一 簡(jiǎn) 單 比 較，把 空 氣 加 熱 溫 度 提 高 3 0 0 * ( 2，煙溫 才降低 1 0 5 因此加熱空氣所需熱量非常有限，全靠空氣預(yù)熱器來(lái)降低排煙溫度是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，必須針 對(duì)不同參數(shù)的鍋 爐采取更加有效的措施 。 3 ．1 中低參數(shù)鍋爐尾部受熱面的布置 對(duì)于中低參數(shù)的鍋爐 ，由于給水溫度相對(duì)較低，為150 ( 2或 1 0 4 ( 2，通過省煤器與 空氣預(yù)熱器的交叉布置等優(yōu)化設(shè)計(jì)(見圖3 ) ，可以使排煙溫度降到 l 5 0 ℃ ～l 6 0 ℃左右。我廠在設(shè)計(jì)此類鍋爐時(shí)，均采用這種方式，已在實(shí)際運(yùn)行中得到了充分驗(yàn)證。 3 ．2 高參數(shù)鍋爐尾部受熱面的布置 對(duì)于高參數(shù)鍋爐 ，由于給水溫度在2 15 ℃左右 ，光靠省煤器與空氣預(yù)熱器的交叉布置來(lái)降低排煙溫度是不可能的。若無(wú)其它措施 ，排煙溫度 的極限也高于1 8 0 ℃ ，而此時(shí)受熱面會(huì)布置得非常大，很不經(jīng)濟(jì)，因此必須采用其它方法來(lái)降低排煙溫度。 一個(gè)有效的辦法就是采用熱管煤氣加熱器。通過加熱器，煙氣每降低1℃放出的熱量能使煤氣溫度升高1．6 ℃左右 ，由于煤氣量比空氣量大 ，使用煤氣加熱器降低排煙溫度比較明顯，可以使排煙溫度降到 1 5 0 ℃左右，同時(shí)使煤氣溫度加熱到 1 8 0 ℃左右 ，并改善了爐膛燃燒條件。我廠設(shè)計(jì)的 2 2 0 t／h 高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐采用了煤氣加熱器 ，使鍋爐排煙溫度降到了1 5 0 ℃左右，保證了鍋爐熱效率 ，得到了用戶的好評(píng)。 另一個(gè)有效方法是采用低溫低壓省煤器 ，即在空氣預(yù)熱器后布置一級(jí)低溫低壓省煤器 ，用來(lái)加熱凝結(jié)水 ，同樣可以降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率 ，且投資較小。但必須與汽機(jī)島配合，系統(tǒng)較復(fù)雜。我廠最近設(shè)計(jì)的 2 2 0 t ／ h高溫高壓 全燒高爐煤氣鍋 爐采用了低溫低壓省煤器 ，不久將投入運(yùn)行。 4 小 結(jié) 高爐煤氣鍋爐的設(shè)計(jì)不同于其它燃料鍋爐 ，有其 自身 的特殊性 。在設(shè)計(jì)此類鍋爐時(shí)，應(yīng)根據(jù)不 同參數(shù)和容量來(lái)選擇爐膛形式 、燃燒 器形式、不同的受熱面結(jié)構(gòu)及是否采用附加其它吸熱形式。對(duì)于高參數(shù)大容量高爐煤氣鍋爐 ，采用附加的其它吸熱裝置是十分必要的，如熱管煤氣加熱器 ，或是低溫低壓省煤器。對(duì)于中壓參數(shù)大容量高爐煤氣鍋爐應(yīng)采用蒸發(fā)管屏 ，以彌補(bǔ)爐膛蒸發(fā)吸熱量的不足 ，降低省煤器出口沸騰度。對(duì)于中低壓參數(shù)小容量高爐煤氣鍋爐采用上下鍋筒的對(duì)流管束提高蒸發(fā)吸熱量。推薦使用旋流式高爐煤氣燃燒器，在混燒且四角布置燃燒器的鍋爐上則推薦使用多管式燃燒器。 220t/h高溫、高壓、純?nèi)几郀t煤氣鍋爐設(shè)計(jì)黃毅新 趙劍云 (杭州)摘要：隨著高爐 的大型 化使 高爐謀氣的產(chǎn)全成倍增加,原有的中、低參數(shù)燃 用高爐煤氣的鍋爐已不能適應(yīng)煤氣產(chǎn)蚤增加 的需要。因此,開發(fā) 高溫、高壓、純?nèi)几郀t煤氣鍋爐已成必然。該文作者就杭州鍋爐 廠 在設(shè)計(jì)、制造2 2 Ot / h 高溫、高壓鍋 爐 中遇到 的 高爐煤氣的燃燒特性、燃用高爐煤氣對(duì)鍋爐整體布呈的影響等問題作了介紹,并提出了解決問題的措施和方法。主題詞: 鍋爐 設(shè)計(jì) 高溫、離壓 、純?nèi)几郀t煤氣前言：我國(guó)是世界鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)之一,據(jù)粗略估算,我國(guó)高爐的年煉鐵能力在1億t 左右。按每生產(chǎn) I t 生鐵產(chǎn)高爐煤氣為3 x1 0m 3計(jì),則高爐 煤 氣 年 產(chǎn) 量 高 達(dá) 3 x10 1 2m 3 。而目前鋼鐵企業(yè)用在冶金工藝內(nèi)部流程中的高爐煤氣約占5 4 % ,其余均需轉(zhuǎn)換加以利用。高爐煤氣由于其超低的發(fā)熱,氣源壓力又不穩(wěn)定,主要在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部就地轉(zhuǎn)換加以利用。高爐煤氣用作動(dòng)力鍋爐燃料 已有不短的歷史,且在國(guó)內(nèi)中小容量中低參數(shù)鍋爐燃燒應(yīng)用中,也積累了不少單燒或摻燒的經(jīng)驗(yàn)。但隨著高爐的大型化使高爐煤氣的產(chǎn)量成倍增加,中、低參數(shù)燃 用高爐煤氣的鍋爐在容量和能源利用等方面已不能適應(yīng)煤氣產(chǎn)量增加的需要 。因此開發(fā)高溫、高壓、純?nèi)几郀t煤氣鍋爐勢(shì)在必行。在1992 年12月,首鋼總公司下屬北京鋼鐵公司,為節(jié)約能源,充分回收高爐煤氣中的能量,保護(hù)環(huán)境,決定在公司電力廠建造1 臺(tái)純?nèi)几郀t煤氣的2 2 0t / h 高溫、高 壓 鍋爐。其鍋爐由西安交通大學(xué)提供方案設(shè)計(jì),杭州鍋爐廠承擔(dān)施工設(shè)計(jì)和制造。1 高爐煤氣的燃燒特性按首鋼提供的高爐煤氣資料,其化學(xué)組成熱值及物理參數(shù)如下:( 1 )高爐煤氣的主要化學(xué)組成:C O 、C O :、N :和其它含量很少的C H 。和H : ,主要可燃介質(zhì)CO本身含量不高,約 占2 0 % ~3 0 % ,其發(fā)熱值較低約1 2 6 3 6 k J/ m 3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。因此,高爐煤氣是一種超低發(fā)熱量的氣體燃料,其發(fā)熱量約為 3 3 0 0~ 3 8 0 0 k J/ m “,含塵量在 1 0 9 / m ”(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) 以下。這種燃料不需要 固體燃料所必須的燃料制備、除渣除灰 系統(tǒng) ,純?nèi)几郀t煤氣的鍋爐可不考慮爐內(nèi)結(jié)渣、受熱面磨損等問題。因而爐膛熱負(fù)荷強(qiáng)度、對(duì)流受熱面煙速等允許值比燃煤鍋爐高。 (2 )在一定的濃度下能著火,從其化學(xué)組成可知,高爐煤氣中的可燃成份主要是C O ,其它可燃成份微不足道。所以高爐煤氣的著火溫度的高低主要取決于C O 含量及著火環(huán)境。實(shí)驗(yàn)條件不同,著火溫度的差別可達(dá)10 0oC 以上 (5 3 0 ~ 6 6 0oC ),即使取高值,仍比煙煤的著火溫度(約7 9少C )為低。( 3 )由于高爐煤氣中含有大量 的惰性氣體,每1 m 3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) m “(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) ) 左右 ,所 以組織燃燒時(shí)要求更有效的混合措施才能確保煤氣中的C O等可燃成份完全燃燒。（4 )高爐煤氣中不含硫,加上 C二H 。及玩含量極少,燃燒產(chǎn)生的水蒸汽少,因而煙氣露點(diǎn)低,即使在鍋爐啟動(dòng)負(fù)荷下運(yùn)行也不易結(jié)露沾灰,更無(wú)需考慮防止低溫腐蝕問題。( 5 )高爐煤氣雖然發(fā)熱量低,理論燃燒溫度低,著火、穩(wěn)定燃燒困難。但一旦具備了著火和穩(wěn)燃條件,燃燒相 當(dāng)迅速 ,火矩很短 。所以爐膛容積熱負(fù)荷可取得比煤粉爐大,即爐膛可設(shè)計(jì)得較小。( 6 )燃燒煙氣量大 。與普通燃煤爐相比,(雖然理論空氣量比普通燃煤爐減少約低1 0