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江联高炉煤气锅炉技术介绍

        我国是世界钢铁生产的大国,产钢量在1亿多吨,钢铁企业是我国国民经济坚强的支柱,同时也是耗能大户,在冶炼一吨生铁时就会产生3000m3左右的副产品——高炉煤气,这样年产高炉煤气就高达3000亿m3。人们一提起高炉煤气,多少有点畏惧情绪,对它的利用当然重视不够,甚至点“天灯”白白烧掉,据不完全统计,全国主要钢铁企业每年高炉煤气的放散损失在十多亿元人民币。随着技术的不断进步,加之唐钢和其他钢铁企业的宝贵实践,对高炉煤气的燃烧特性认识逐渐透彻,各钢铁企业对高炉煤气的综合利用较为重视,除在冶金工艺的各工段──如热风炉、转炉等中消耗50~60%外,余下的均需要利用锅炉把能源转换利用,尽量减少直接放散。对于各钢铁企业,其规模各有大小,燃烧高炉煤气所需的锅炉也各有大小,有些企业需要中小型纯烧高炉煤气锅炉,有的则需要大型、高温、高压纯烧高炉煤气锅炉,对各种锅炉其设计也不尽相同,但其主要机理相同。

        1.高炉煤气的特性

        高炉煤气其组成成分中惰性气体(N2、CO2等)占大部分,且可燃成分主要为CO;因而它的低位发热值极低,一般情况下,其发热值仅为2930KJ/Nm3~3550KJ/Nm3。
   
        由于高炉煤气中含有大量的惰性气体,可燃成份少,每立方米煤气燃烧时参与燃烧的空气也少,但要产生一定量的热量,所需要的煤气量就要大,每吨蒸汽产生的烟气为燃煤锅炉烟气量的1.7倍;煤气中极少含硫,加上CnHm含量也极少,烟气的露点较高,即使在点火初期也不会结露,无需考虑低温腐蚀等问题。

        高炉煤气中的可燃成分主要为CO,混合气中的CO浓度及着火环境是决定高炉煤气的着火温度的两要素;实验证实高炉煤气于空气的混合气中高炉煤气的着火浓度为35%~71%,着火温度为530℃~660℃,这种着火条件要求较高,但因其燃烧为气气单相化学反应,只要技术措施组织正确,燃烧效率也能达到满意程度。高炉煤气的特性决定了其理论(绝热)燃烧温度低(理论燃烧温度仅为1250℃~1300℃),这个温度仅为燃煤的理论燃烧温度的60%左右,在运行的物理特性是火焰的中心温度较低、化学反应速度也低。设计时就要考虑给予煤气足够的燃烬时间,同时要解决燃烧火焰不易稳定、易产生脉动现象、易脱火等问题,保证燃烧安全。

        2 江联高炉煤气锅炉技术简介

        高炉煤气锅炉有其燃气锅炉的属性,亦有其燃料热值低的特性。对于高炉煤气锅炉,其设计要点有:

        (1)要组织好煤气与空气的良好混合,使混合气体中高炉煤气达到燃烧环境着火浓度,混合气在环境内的温度升高到着火温度。
        (2)高炉煤气燃烧不易回火,且易脱火,在燃烧区域尽量提高其温度场温度,保证火焰稳定和燃烧安全。
        (3)合理分配各受热面的吸热比,科学地布置锅炉的结构。
        结合唐钢130t/h(含75t/h)中温、中压、纯烧高炉煤气锅炉对此类技术作简要介绍?

        2.1合适的热风温度

        由于煤气的着火温度较高,有关研究表明,当煤气与空气的混合气从室温升高到着火温度所吸的热量占煤气总放出的热量的37%左右,因而提高入口混合气的温度,使混合气的温度及早地升高到着火温度,能使煤气及早地着火。提高混合气的温度有两种方法:一是采用较高的高炉煤气温度;二是采用较高的空气的温度。较高的高炉煤气温度,因其体积量大效果最明显,其加热方式多采用热管换热器,但热管换热器易堵灰(即使灰份很少)、腐蚀后安全性不好、造价较高、检修不方便,考虑到这些因素,一般不用这种方法。采用较高的空气的温度,虽然因其体积量小,效果差一些,温度高也可使混合气达到较高的温度,且这种方法最为方便、安全,造价也低。设计时空气预热器出口空气温度一般定为370℃左右。另外提高了混合气的入炉温度,同时也提高了炉膛的吸热量比,把尾部的热量移至炉膛内,降低了尾部省煤器的吸热量比,降低了省煤器出口的沸腾度,省煤器运行更安全,锅炉有更足的出力。

        2.2燃烧器强烈的气气混合

        高炉煤气的燃烧为扩散燃烧。前面已讨论了每立方米煤气完全燃烧所消耗的空气量少,量少的空气要在短时间内穿透量大的煤气,及早地使混合气体达到着火浓度是比较困难的,因而在燃烧器的预混段加强煤气与空气的混合有着现实的意义。在燃烧器的出口设置一旋流度不算大的旋流叶轮,配合空气侧的旋流叶片,使煤气和空气在出口处强烈混合,实践证明在燃烧器出口70mm的距离内煤气就可混合好,同时火焰在后期又有一定强度的刚性,加强了火焰后期的扰动,后期也能混合较好。这种设计先进,使气气及时达到着火浓度,且不易堵灰,即使堵了,其清理也较容易。

        2.3优越的稳焰器

        混合气从常温升高到着火温度要吸大量的热,混合气所获得的热量除从热空气来外,主要要来自高温的烟气。由气流从小积面突扩至大积面,在气流的根部会形成一回流区,利用这点,在燃烧器出口设置突扩的内衬的圆筒形稳焰器,它既形成了回流区,又有高温辐射层,起到点火板的作用。这种稳焰器结构简单,但其性能优越。

        2.4独特的《高炉煤气锅炉炉内蓄热稳燃装置》

        煤气的燃烧速度随温度的升高而大大升高,在燃烧区域内形成高温,一可大大缩短煤气的燃尽时间,做到在燃烧器区域内使煤气完全燃烧干净,把热量完全放出来,二可使燃烧强烈、火焰刚性好、燃烧稳定、不脱火。为了在燃烧区域稳定一高温区域,设置了独特的专利产品《高炉煤气锅炉炉内蓄热稳燃器》,同时在此区域内水冷壁全部暴露出来;其结构为圆塔形,由高强、高热震稳定性耐热材料组成,设置在燃烧器区域炉膛中心位置,烧烧器布置为四角切圆形式。运行时,该装置的温度一般在1000℃以上;它的存在提高了燃烧器区域的温度场的温度,加快了煤气燃烧速度,使燃烧更完全、更稳定,在较小的区域内放出的热量更多,使温度进一步升高,直到达到热平衡;在高温度场下,水冷壁吸收的热量更多;火焰的假想切圆与稳燃器相切,没燃尽的煤气掠过稳燃器外表面,高温进一步加热了煤气,使之燃烧干净,实践证明设有稳燃器,燃烧效率高达99.5%;另外大切圆燃烧,一是四角火焰的头部可喷至另一火焰的根部,起互相支持促进稳定的作用,二是火焰的高温部位更接近于水冷壁,传热更强烈。

        2.5科学选择合适的炉型

        对于中温中压锅炉,蒸发吸热量占总吸热量的58%左右,如保证炉膛出口温度在850℃左右,则炉膛的吸热量占总吸热量的46.4%,如采用单汽包形式,尾部省煤器的出口沸腾率为11.2%,远远低于推荐值20%。且采用炉膛来吸热比采用对流受热面来吸热相比,炉膛吸热要省面积。

        如果采用双汽包形式,省煤器出口没有沸腾度,但会带来以下问题:①过热器设计在对流管束的前面,如过热器不设计在炉前上部,整个锅炉占地将大25%左右;如过热器设计在炉膛的前上部,则后墙的水冷壁管会有一很小的倾角,加之采用了对流管,汽包内的汽水分离元件简单将影响蒸汽品质和水循环安全;②上下汽包之间为密排的对流管,安装工作量大,对流管与汽包的连接一般采用焊接或胀接,管与管的间距较小且数量多,如采用焊接,则焊接工作量大且不方便;如采用胀接,一般要几次才能达到水压合格,使用寿命短;③检修工作量大且困难,在运行中密排对流管间如发现有问题,检修位置很小,检修困难,一般采用堵管形式来处理;④对于75T/H容量以上锅炉,锅炉如采用双锅筒形式,则整体布置不美观,炉墙较厚(一般在400mm以上)。

        故设计时,采用单汽包形式,炉型结构科学。

        科学的炉型、科学的炉膛既可保证炉膛温度、保证煤气的燃烧完全、更有利于缓和火焰脉动的影响,避免煤气在过热器等受热面范围内燃烧、又可使炉膛吸热量较大,保证锅炉有比较足的出力。

        2.6高温、高压锅炉中省煤器的设计

        高温、高压、纯烧高炉煤气锅炉的设计与中温中压纯烧高炉煤气锅炉设计不一致,220t/h纯烧高炉煤气锅炉简图
        在中温中压锅炉中,蒸汽不需要进行清洗,省煤器的汽水全部进入锅筒。但对于高温高压锅炉,除要布置沸腾式省煤器外,还要布置部分非沸腾式省煤器,这部分非沸腾给水进入汽包作清洗用水。

        3 结束语

        (1)高炉煤气是完全可以有效利用的,其技术的成熟程度实践已证明。
        (2)预热空气是最安全、最经济的一种强化燃烧的方法。
        (3)在燃烧器出口设置稳焰器可使火焰稳定。
        (4)纯烧高炉煤气锅炉由于煤气的特性,决定了其着火、稳定燃烧、炉膛蒸发吸热量偏低等特性,在炉膛的下部燃烧区域设置炉内蓄热稳燃器,很好地解决了高炉煤气的着火和稳定燃烧问题,适当增加炉膛受热面、降低炉膛出口温度、保证省煤器出口的沸腾度在安全范围内来提高锅炉的蒸发量。
        (5)在高温高压锅炉中省煤器设计成一组非沸腾式省煤器,而另一组设计成沸腾式省煤器,既保证了汽包清洗用水,又弥补了炉膛蒸发吸热的不足。
        (6)在较大型纯烧高炉煤气锅炉采用单汽包炉型经济性要好于双汽包炉型。
 

 

 
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