急求焦爐、高爐煤氣全分析技師論文5000字

【專家解說】：">　　摘要： 高爐煤氣的利用方式很多，目前我國最主要的利用方式是高爐煤氣發(fā)電項目（包括燃燒高爐煤氣和高爐煤氣、煤粉混燒）。分析燃煤鍋爐摻燒高爐煤氣和全燒高爐煤氣后的工況變化，并提出改造措施，對鋼鐵行業(yè)的燃煤鍋爐改造具有借鑒意見。 更多高爐煤氣論文請進：教育大論文下載中心
　　關(guān)鍵詞：高爐煤氣；燃煤鍋爐；摻燒 　　
　　在鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程中，消耗大量的煤炭、燃油和電力能源的同時，還產(chǎn)生諸如高爐煤氣、焦爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣等二次能源，所產(chǎn)生的這類能源，除了滿足鋼鐵生產(chǎn)自身的消耗外，剩余部分用于其他行業(yè)或民用。
　　高爐煤氣是煉鐵的副產(chǎn)品，是高爐中焦炭部分燃燒和鐵礦石部分還原作用產(chǎn)生的一種煤氣，無色無味、可燃，其主要可燃成分為CO，還有少量的H2，不可燃成分是惰性氣體、CO2及N2。CO的體積分數(shù)一般在21%-26%，發(fā)熱量不高，一般低位發(fā)熱值為2760-3720kJ/m3。高爐煤氣著火溫度為600℃左右，其理論燃燒溫度約為1150℃，比煤的理論燃燒溫度低很多。燃燒溫度低，使得高爐煤氣難以完全燃燒，且燃燒的穩(wěn)定性差。由于高爐煤氣內(nèi)含有大量氮氣和二氧化碳，燃燒溫度低、速度慢，燃用困難，使得許多鋼鐵企業(yè)高爐煤氣的放散率偏高。利用高爐煤氣發(fā)電，由于燃料成本低，系統(tǒng)簡單，減少了燃料運輸成本及基建費用，可以緩解企業(yè)用電緊張局面，減少CO對環(huán)境的污染，取得節(jié)能、增電、改善環(huán)境的雙重效果，既能為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益，又能創(chuàng)造綜合社會效益。
　　根據(jù)現(xiàn)在鋼鐵行業(yè)中高爐煤氣的主要利用方式，本文對燃煤鍋爐摻燒高爐煤氣和燃煤鍋爐改造為全燃高爐煤氣鍋爐做了理論分析和相應(yīng)的改造措施。
　　1 摻燒高爐煤氣對鍋爐性能的影響
　　1.1 對爐膛內(nèi)燃燒特性的影響
　　燃煤鍋爐中摻燒高爐煤氣時，由于高爐煤氣的低位發(fā)熱量很低（2760
　　-3720kJ/m3），而一般的煙煤的低位發(fā)熱量約為18000kJ/kg，因此，爐膛中的理論燃燒溫度必定下降，導致煤粉燃燒的穩(wěn)定性變差，煤粉顆粒的不完全燃燒量增多，從而增加飛灰含碳量，機械不完全燃燒損失增加，鍋爐效率降低。另一方面，摻燒高爐煤氣后，送入爐膛內(nèi)的吸熱性介質(zhì)增多，煙氣的熱容量增大，火焰中心的溫度水平下降，火焰中心位置上移，導致煤粉在爐膛內(nèi)的停留時間縮短，也造成煤粉的不完全燃燒，飛灰含碳量增加。第三，摻燒高爐煤氣后，爐膛內(nèi)煙氣量增加（表1），爐膛內(nèi)的煙氣流速增加，從而縮短了煤粉顆粒在爐膛內(nèi)的停留時間，也造成了煤粉的不完全燃燒。第四，摻燒高爐煤氣后，高爐煤氣中存在的氮氣等大量的惰性氣體阻礙可燃成分與空氣的充分混合，減少發(fā)生燃燒反應(yīng)的分子間發(fā)生碰撞的幾率，導致燃燒不穩(wěn)定，煤粉顆粒燃燒不完全，增加了飛灰含碳量?？梢?，摻燒高爐煤氣后，飛灰的含碳量增加，鍋爐效率降低。試驗證明[1]，從飛灰含碳量的角度來看，如果不提高爐膛的溫度水平，高爐煤氣的最佳摻燒率應(yīng)該在25%以內(nèi)。
　　表1燃料產(chǎn)生1MJ燃燒熱的煙氣量
　　眾所周知，固體的輻射能力遠遠大于氣體，燃高爐煤氣產(chǎn)生的煙氣中所含有的具有輻射能力的三原子氣體所占的份額遠遠低于燃煤，在燃氣中占很大一部分的N2等雙原子氣體不具備輻射能力，而且，高爐煤氣燃燒產(chǎn)生煙氣中三原子氣體主要是CO2和少量的H2O，CO2的輻射能力要低于H2O，因此，摻燒高爐煤氣后，爐膛內(nèi)火焰輻射能力減弱，更多的熱量流往后面的過熱器和尾部煙道。摻燒鍋爐煤氣后，爐膛內(nèi)的熱交換能力下降，對于以爐膛水冷壁為主要蒸發(fā)受熱面的鍋爐，如果鍋爐結(jié)構(gòu)不做調(diào)整，則鍋爐的蒸發(fā)量下降。
　　1.2 對爐膛后煙道的傳熱特性影響
　　以對流換熱為主的過熱器系統(tǒng)，吸收煙氣熱量主要取決于傳熱溫壓和傳熱系數(shù)。對于燃煤和摻燒高爐煤氣的鍋爐來說，兩者的爐膛出口煙溫相差不大[2]，因而其傳熱溫壓也相差不大。但是摻燒高爐煤氣鍋爐的煙氣體積流量要比燃煤鍋爐大，對流受熱面的煙氣流速增加，因此提高了傳熱系數(shù)，使得過熱器吸熱量增加，導致過熱器出口溫度過熱。同樣，煙氣量增加，如果爐膛后的受熱面不改變，則布置在爐膛后煙道中的過熱器，省煤器，空氣預熱器吸熱量增多，但是不足以使得排煙溫度降低到以前的溫度水平，因而排煙溫度升高，排煙熱損失增加。
　　2 全燒高爐煤氣對鍋爐性能的影響
　　2.1 對爐膛內(nèi)燃燒特性的影響
　　高爐煤氣中大量的惰性氣體N2、CO2等在燃燒時不參與燃燒反應(yīng)，相反，還吸收大量可燃氣體燃燒過程中釋放的熱量，使得高爐煤氣的燃燒溫度偏低。雖然高爐煤氣是氣體燃料，理論燃燒溫度（-1150℃）要遠低于煤粉顆粒（1800℃-2000℃），但是高爐煤氣中含有的大量惰性氣體會阻礙火焰?zhèn)鞑?，使火焰的傳播速度變慢（例如層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葍H為0.3-1.2m/s），因此，要保證燃燒的穩(wěn)定性，必須提高燃燒溫度。高爐煤氣中幾乎不含灰分，燃燒時，火焰基本上不產(chǎn)生輻射能量，只有燃燒產(chǎn)生的煙氣中的三原子氣體具有輻射能力，高爐煤氣中大量的氮氣不具備輻射能力，所以燃高爐煤氣的鍋爐，爐膛中的煙氣輻射傳熱能力要低于燃煤鍋爐。因此，爐膛內(nèi)水冷壁的吸熱量降低，導致鍋爐蒸發(fā)量減少。
　　2.2 對爐膛后煙道的傳熱特性的影響
　　由于高爐煤氣中幾乎不含有灰塵，所以，燃燒高爐煤氣產(chǎn)生的煙氣中的飛灰可以忽略不計，因此，對流受熱面的污染系數(shù)ξ很低，只有0.0043，而對于燃煤鍋爐，當煙氣流速為10m/s時，污染系數(shù)ξ為0.019[3]，可見，燃燒高爐煤氣后，對流受熱面的熱有效系數(shù)增大，使得對流受熱面的吸熱量增多。
　　高爐煤氣中含有大量的惰性氣體，產(chǎn)生相同燃燒能量的高爐煤氣生成的煙氣量要大于純?nèi)济簳r產(chǎn)生的煙氣量，因此流經(jīng)對流受熱面的煙氣量增大，煙氣流速增加，導致對流傳熱的傳熱系數(shù)變大，對流吸熱量增大，因此，吸收對流受熱面熱量的過熱蒸汽溫度升高。同樣，煙氣量增加，如果爐膛后的受熱面不改變，則布置在爐膛后煙道中的過熱器，省煤器，空氣預熱器吸熱量增多，但是還不足以使得排煙溫度降低到以前的溫度水平，排煙溫度升高，排煙熱損失增加。
　　3 摻燒高爐煤氣后的改造措施
　　由以上的分析，為了解決摻燒高爐煤氣后出現(xiàn)的一系列問題：爐膛溫度下降；過熱蒸汽溫度升高；飛灰含碳量增加；排煙溫度變大等，提出下面的解決方案。
　　3.1 改造燃燒器
　　高爐煤氣燃燒器一般布置在煤粉燃燒器的下部，當高爐煤氣燃燒器具有充當鍋爐啟動燃燒器的功能時，這種布置可以獲得燃燒和氣溫調(diào)節(jié)兩方面的好處。如果以高爐煤氣借助煤的燃燒來穩(wěn)燃的話，則只對氣溫調(diào)節(jié)有利。由于混燒高爐煤氣后，爐膛中火焰的中心位置上移，造成煤粉燃燒不完全，排煙溫度升高等問題，因此，可以采取讓燃燒器位置盡量下移，燃燒器噴嘴向下傾斜等方法，降低火焰中心位置，增加燃料在爐膛內(nèi)的停留時間。選用能強化煤粉燃燒的燃燒器，如穩(wěn)燃腔煤粉燃燒器[4]，加強煤粉顆粒的燃燒，減少飛灰含碳量，提高鍋爐效率。
　　3.2 改造過熱器
　　摻燒高爐煤氣后，爐膛內(nèi)輻射吸熱量減少，對流吸熱量增加，因此在實際允許的情況下，增加較多的屏式過熱器，相應(yīng)的減少對流過熱器受熱面，這樣，可以照顧到全燒煤和摻燒高爐煤氣工況下過熱器的調(diào)溫性能，避免過大的增加減溫水量。
　　3.3 改造省煤器
　　摻燒高爐煤氣后，爐膛內(nèi)的輻射吸熱量減少，直接影響了鍋爐蒸發(fā)量下降，導致鍋爐出力降低，另外，摻燒高爐煤氣后，煙氣量變大，排煙溫度升高，因此，在爐后煙道內(nèi)增加省煤器換熱面積，采用沸騰式省煤器，要保證其沸騰度不超過20%，否則因省煤器內(nèi)工質(zhì)容積和流速增大，使省煤器的流動阻力大幅增大，影響鍋爐經(jīng)濟性。增加省煤器換熱面積，提高了省煤器的吸熱量，降低了過高的排煙溫度，減小了排煙損失，提高了鍋爐效率。
　　4 全燒高爐煤氣后的改造措施
　　4.1 爐膛改造
　　燃煤鍋爐的爐膛內(nèi)輻射傳熱能量很大，爐膛內(nèi)配置了相應(yīng)的大量的水冷壁吸收輻射熱，改燃高爐煤氣后，爐膛內(nèi)輻射能量減少，過多的水冷壁吸收大量的輻射熱能會使得爐內(nèi)的溫度進一步下降，加劇了高爐煤氣燃燒的不穩(wěn)定，因此，敷設(shè)衛(wèi)燃帶，降低燃燒區(qū)下部爐膛的吸熱量，進一步提高燃燒區(qū)爐膛溫度，改善高爐煤氣燃燒的穩(wěn)定性。增加了衛(wèi)燃帶后，減少了水冷壁的面積，鍋爐蒸發(fā)量減少，為了保證鍋爐的蒸發(fā)量，就必然要提高高爐煤氣量，提高爐膛的熱負荷，但是，高的爐膛熱負荷也提高了煙氣量和爐膛出口溫度，導致過熱蒸汽超溫和排煙溫度升高，鍋爐效率下降，因此不可能通過無限制的提高爐膛熱負荷來提高鍋爐的蒸發(fā)量。鍋爐改燒高爐煤氣后，爐膛內(nèi)的熱交換能力顯著下降，對于以爐膛水冷壁作為其全部蒸發(fā)受熱面的鍋爐，如果鍋爐的結(jié)構(gòu)不允許做較大的改動，蒸發(fā)量必定下降。
　　4.2 燃燒器改造
　　對于高爐煤氣來講，動力燃燒即無焰燃燒其火焰長度短、燃燒速度快、強度大、溫度高，是一種比較合適的燃燒方式，但因其體積大、以回火、噪音高、負荷調(diào)節(jié)不靈活，且流道復雜，成本高，實際中采用很少。而采用擴散燃燒不但火焰太長，而且混合不好，燃燒不完全，不適合高爐煤氣。實際中大多數(shù)采用預混部分空氣的燃燒方式，這種形式的燃燒器結(jié)構(gòu)簡單、不易回火、負荷調(diào)節(jié)靈敏，在煤氣的熱值和空氣的預熱溫度波動的情況下能保持穩(wěn)定的工作，調(diào)節(jié)范圍寬廣，在鍋爐最低負荷至最高負荷時，燃燒器都能穩(wěn)定工作。
　　燃燒器的布置主要考慮以下幾點：火焰應(yīng)處于爐膛幾何中心區(qū)域，使火焰盡可能充滿爐膛，使爐膛內(nèi)熱量得以均勻分配，受熱面的負荷均勻，不會形成局部受熱引起內(nèi)應(yīng)力增大，防止受熱不均勻。對于布置高度，在不影響火焰擴散角的情況下，燃燒器低位布置，有利于增加煤氣燃燒時間，保持爐溫均勻。
　　4.3 過熱器的改造
　　改燃高爐煤氣后，煙氣量增大引起過熱蒸汽超溫，可以通過適當減少過熱器的面積來控制過熱蒸汽的溫度在規(guī)定范圍之內(nèi)。也可以通過增加減溫器的調(diào)溫能力，來控制過熱蒸汽的溫度。
　　4.4 增加煤氣預熱裝置
　　加裝煤氣預熱器一方面可以進一步降低排煙溫度，提高鍋爐效率，另外一方面，可以增加入爐能量，提高燃燒溫度，增強火焰的輻射能力，改善高爐煤氣的著火和燃盡條件。研究證明[5]，高爐煤氣溫度每提高10℃，理論燃燒溫度可以高4℃。但是由于高爐煤氣的易燃性和有毒性，要求與煙氣之間的換熱過程嚴密而不泄露，理論上只能采用分離式熱管換熱器。
　　4.5 省煤器的改造
　　改燒高爐煤氣后，排煙溫度升高，鍋爐蒸發(fā)量下降，因此，增加省煤器面積，采用沸騰式省煤器可以提高省煤器的吸熱量，降低過高的排煙溫度，減小排煙損失，提高鍋爐效率。另一方面，高爐煤氣鍋爐爐內(nèi)火焰黑度和爐內(nèi)溫度低，故不宜單純以增加敷設(shè)受熱面的面積來提高鍋爐蒸發(fā)量，而采用沸騰式省煤器來彌補鍋爐蒸發(fā)量的減少，這是提高鍋爐出力的有效措施。
　　4.6 尾部煙道的改造
　　由于高爐煤氣發(fā)熱量低，惰性氣體含量高，因此燃用高爐煤氣時，鍋爐的煙氣量及阻力都講增加，為此，一般須考慮擴大尾部煙道流通面積降低流動阻力及增加引風機的引風能力。
　　4.7 燃氣安全防爆措施
　　從安全方面考慮，有必要建立燃氣鍋爐燃燒系統(tǒng)，包括自動點火、熄火保護、燃燒自動調(diào)節(jié)、必要的連鎖保護方面的自動化控制。同時為了減輕爐膛和煙道在發(fā)生爆炸時的破壞程度，燃氣鍋爐的爐膛和煙道上應(yīng)設(shè)置防爆裝置。此外燃氣系統(tǒng)應(yīng)裝設(shè)放散管，在鍋爐房燃氣引入口總切斷閥入口側(cè)、母管末端、管道和設(shè)備的最高點、燃燒器前等處應(yīng)布置放散點。采取了以上安全措施后，可以確保鍋爐處在安全運行之中。

　　參考文獻：
　　[1]湛志鋼，煤粉、高爐煤氣混燒對煤粉燃盡性影響的研究[D].[碩士學位論文].武漢：華中科技大學，2004.
　　[2]姜湘山，燃油燃氣鍋爐及鍋爐房設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.
　　[3]范從振，鍋爐原理[M].北京：中國電力出版社，1986.
　　[4]陳剛、張志國等，穩(wěn)燃腔煤粉燃燒器試驗研究及應(yīng)用[J].動力工程，1994（12）.
　　[5]劉景生、王子兵，全燃高爐煤氣鍋爐的優(yōu)化設(shè)計[J].河北理工學院學報.