高爐煤粉爐燃燒的穩(wěn)燃技術(shù)

高爐煤粉爐燃燒的穩(wěn)燃技術(shù)

高爐煤氣的綜合利用隨著各國工業(yè)化程度的提高，社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是近年來國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對鋼鐵的需求日益增加。2004年，鋼鐵年流量為290億噸，2008年預(yù)計(jì)可達(dá)到4500億元。在冶煉生鐵時(shí),焦碳、煤粉與鐵礦石進(jìn)行燃燒反應(yīng),其過程副產(chǎn)品即為高爐煤氣。鋼鐵企業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)中的耗能大戶,冶煉1t生鐵約耗焦碳650kg及其他燃料,同時(shí)燃燒反應(yīng)后生成的尾部廢氣就是高爐煤氣,每冶煉1t生鐵就會產(chǎn)生約3000Nm3的高爐煤氣,此量是相當(dāng)大的。充分利用高爐煤氣這種副產(chǎn)品,對降低大氣污染、噸鋼耗能和節(jié)約能源有著重大意義。高爐煤氣為多種氣體的混合氣體,氣體成分主要有N2、CO2、CO、H2、CH4等,表1列有高爐煤氣的成分和發(fā)熱值的數(shù)據(jù),同時(shí)因高爐煤氣的除塵不可能100%,含有少量的灰塵,一般為10mgNm3以下。高爐煤氣中的CO對人體及動(dòng)物是有毒的,當(dāng)空氣中CO體積分?jǐn)?shù)>150×10-6時(shí),短時(shí)間內(nèi)就會使人及動(dòng)物因缺氧引起頭疼、眩暈,甚至窒息死亡等中毒現(xiàn)象。另外,高爐煤氣與空氣在一定比例下會形成爆炸氣體其爆炸極限為35%~71%。因此高爐煤氣為一種劇毒危險(xiǎn)氣體。因高爐煤氣利用價(jià)值少,且利用有一定的困難,以往人們基本上不將其作為燃料使用而是將其放散(即排入大氣),這樣一方面造成大氣污染,另一方面浪費(fèi)能源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全國主要鋼鐵企業(yè)高爐煤氣的放散率在10%/a左右,直接損失就多達(dá)10多億元。近年來,隨著人們對環(huán)境保護(hù)的意識加強(qiáng),對能源利用的自覺性不斷提高,因而各鋼鐵企業(yè)對高爐煤氣的綜合利用越來越重視,相關(guān)企業(yè)也在探索解決其對大氣的污染及回收資源的方法,但其所含氣體成分主要為小分子氣體,不能用于除燃燒外的其他化學(xué)工業(yè)。高爐煤氣燃燒后,有效地消除了CO對環(huán)境的污染,但由于其燃燒時(shí)的火焰溫度較低,且氣體中的高濃度惰性氣體使其火焰的傳播速度小,容易脫火,燃燒火焰極不穩(wěn)定。所以只在冶金工藝的某些特定工段使用,用于動(dòng)力鍋爐則必須采取一定的穩(wěn)燃措施。1煤粉鍋爐摻燒方式高爐煤氣鍋爐的發(fā)展隨著鍋爐燃燒技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了鏈條鍋爐摻燒高爐煤氣、煤粉鍋爐摻燒高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣高爐煤氣混燒鍋爐、純燒高爐煤氣鍋爐、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)等階段。1.1煤渣層的燃燒在高爐容量較小的早期,為摸索燃燒高爐煤氣的技術(shù),在原有的鏈條鍋爐中設(shè)計(jì)改裝上預(yù)混式燃燒器,就可燒高爐煤氣。采用這種方法簡單方便,但在運(yùn)行時(shí),鏈條也要運(yùn)行,煤仍然要給入,鏈條上有一層紅熱的煤渣層,此渣層對對進(jìn)入的混合氣體有加熱作用,對煤氣的燃燒有幫助作用。這種鍋爐因爐排還要運(yùn)行而不能全燒高爐煤氣,過熱器一般為了保證在沒有高爐煤氣時(shí)的運(yùn)行按全燒煤設(shè)計(jì),也會因摻燒高爐煤氣煙氣量大而超溫,同時(shí)受鏈條鍋爐容量的限制,單臺鍋爐消耗高爐煤氣的量不大,要消耗大量的煤氣就要很多臺鍋爐,這樣運(yùn)行管理也不便,只在一些年產(chǎn)量低于50萬t的小型鋼廠采用這種爐型。1.2要保證鍋爐燃燒的效率煤粉鍋爐的燃燒為懸浮燃燒,這種燃燒方式與高爐煤氣的燃燒很相似,只要在煤粉燃燒器的下部裝設(shè)煤氣燃燒器即可成為摻燒高爐煤氣鍋爐。這種鍋爐的本體結(jié)構(gòu)與煤粉鍋爐相比變化不大,但鍋爐的額定工況設(shè)計(jì)還是要以燒煤為主,否則就不能保證鍋爐在鍋爐啟動(dòng)時(shí)因此時(shí)沒有高爐煤氣的過熱蒸汽參數(shù)的正常。同時(shí)要配備2套燃料制備輸送系統(tǒng),工程造價(jià)很高。由于高爐煤氣燃燒速度要大大快于煤粉的雙相燃燒速度,燃盡時(shí)間短于煤粉的燃盡時(shí)間,在燃燒時(shí)就要做到高爐煤氣與空氣的混合比例最佳,在煤粉燃燒器的下部就有足夠的氧氣,使高爐煤氣在此區(qū)段內(nèi)就獲得足夠的氧氣,否則高爐煤氣燃燒時(shí)會與煤粉爭奪氧氣,使煤粉燃燒區(qū)域缺氧,煤粉燃燒不完全,鍋爐效率大大降低。高爐煤氣的燃燒為擴(kuò)散燃燒,要做到煤氣與煤粉不爭氧,工程上往往較難。此種鍋爐在各鋼廠使用較少,一般用在新建鋼廠且無其他氣源又要使用汽輪鼓風(fēng)機(jī)(一種給高爐送風(fēng)的由汽輪機(jī)帶動(dòng)的高壓頭大型風(fēng)機(jī))的項(xiàng)目中。1.3使燃燒溫度高低熱值煤氣,其完全燃燒的條件高,完全燃燒放出的熱量也不高,燃燒就不完全、燃燒不安全,人為提高其熱值就可以使其燃燒放出的熱量多,燃燒溫度高,燃燒完全且安全。一般鋼鐵廠也有焦?fàn)t,有一定量的焦?fàn)t煤氣,但焦?fàn)t煤氣是城市管道煤氣的主要?dú)庠?在鋼廠的各工段,如煉鋼、軋鋼、燒結(jié)也在用此氣體,能給鍋爐使用的量少,這也給鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行也帶來嚴(yán)重的威脅。同時(shí)焦?fàn)t煤氣的價(jià)值高,用于動(dòng)力鍋爐其經(jīng)濟(jì)性也不好,這種鍋爐也較少。1.4鍋爐的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用,以提高投資的最佳化隨著各鋼鐵企業(yè)對高爐煤氣的綜合利用較為重視,對高爐煤氣的燃燒特性認(rèn)識更加透徹及技術(shù)的進(jìn)步,純燒高爐煤氣的鍋爐也進(jìn)一步開發(fā)成功,它的成功運(yùn)行,減少了燒高爐煤氣時(shí)對其他燃料的依賴,同時(shí)又減化了鍋爐的輔助系統(tǒng),減少了系統(tǒng)的投資,做到了投資的最佳化。1.5作為鋼鐵行業(yè)使用燃料,利用作為低能耗干產(chǎn)品,發(fā)電效率高過去由于燃?xì)廨啓C(jī)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蒸汽輪機(jī),可靠性也不夠高,但是,20世紀(jì)80年代以來,燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)得到迅速發(fā)展,單機(jī)功率已達(dá)200MW,單機(jī)供電效率達(dá)40%左右,因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)的排氣溫度高、流量大,排氣的能量還很高,尾部配有余熱鍋爐,產(chǎn)生高溫高壓蒸汽到汽輪機(jī)做功,提高了能量的轉(zhuǎn)化效率,一般燃?xì)廨啓C(jī)使用的燃料為天然氣或液體燃料,近年來開發(fā)了使用高爐煤氣摻燒焦?fàn)t煤氣的燃?xì)廨啓C(jī),把燃?xì)廨啓C(jī)的使用領(lǐng)域擴(kuò)大到鋼鐵行業(yè);目前燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)有3種基本方案,即:不補(bǔ)燃的余熱鍋爐型方案、有補(bǔ)燃的余熱鍋爐型方案和增壓鍋爐型方案。2純燒高氣和非補(bǔ)燃剩余爐的方案2.1高爐煤氣燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)與低熱值回收利用的對比純高爐煤氣鍋爐發(fā)電,即僅為單個(gè)“朗肯循環(huán)”,其發(fā)電效率受多種因素的限制,其能料轉(zhuǎn)換率最高僅為32%(即供電效率),且因?yàn)槠錈嶂档瓦€不能用于超高壓再熱機(jī)組,而燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的熱效率45%以上,但高爐煤氣的燃?xì)廨啓C(jī)在把高爐煤氣壓縮到進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的高壓(一般為2.8MPa)需要消耗8%的效率,其供電效率一般為37%左右。因而在效率上燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)是有優(yōu)勢的。2.2壓氣系統(tǒng)的清潔在美國基于純高爐煤氣發(fā)電的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)其投資費(fèi)用與蒸汽輪機(jī)費(fèi)用相當(dāng),但我國燃?xì)廨啓C(jī)、壓氣系統(tǒng)主機(jī)均要國外進(jìn)口,同時(shí)高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣過多的灰含量會導(dǎo)致燃料系統(tǒng)和汽輪機(jī)葉片的結(jié)垢而導(dǎo)致不可忽視的燃?xì)廨啓C(jī)的性能的降低。顆粒直徑>5~10μm的會導(dǎo)致汽輪機(jī)的腐蝕損傷。如果≥5μm,則必須安裝清潔設(shè)備和裝置。其總體投資要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高爐煤氣蒸汽輪機(jī)循環(huán),大約為1.5倍。2.3維修工時(shí)長以進(jìn)口雖然燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)都簡單,但其所需的配件比蒸汽輪機(jī)多,且這些配件均要進(jìn)口,維修工時(shí)較少,但費(fèi)用卻相當(dāng)高。再加上高爐煤氣焦?fàn)t煤氣含雜質(zhì),損壞率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蒸汽輪機(jī)。總體來講高爐煤氣燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的運(yùn)行管理費(fèi)要高于常規(guī)蒸汽輪機(jī)。2.4燃?xì)怏w燃料的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站見表3機(jī)組的運(yùn)行可用率對于機(jī)組的發(fā)電成本有著重大的影響,因?yàn)閷τ谝粋€(gè)投資來說,不論是否有產(chǎn)出,設(shè)備是要承擔(dān)投資的折舊費(fèi)的。根據(jù)統(tǒng)計(jì),設(shè)計(jì)和維護(hù)良好的機(jī)組,其運(yùn)行可用率的典型數(shù)據(jù)有:(1)燃天然氣體燃料的燃?xì)廨啓C(jī)電站可用率為88%~95%;(2)燃?xì)怏w燃料的蒸汽輪機(jī)電站可用率為85%~90%;(3)燃天然氣體燃料的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站可用率為85%~90%。可見對于燃天然氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的可用率與燃高爐煤氣的蒸汽輪機(jī)電站的可用率還僅是相當(dāng),但高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣均有含灰塵、含雜質(zhì),壓力波動(dòng)大的不可變特點(diǎn),過多的灰含量會導(dǎo)致燃料系統(tǒng)和汽輪機(jī)葉片的結(jié)垢而導(dǎo)致不可忽視的燃?xì)廨啓C(jī)的性能的降低。焦?fàn)t煤氣中的H2S會腐蝕壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。燃高爐煤氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站其可用率實(shí)際上是要大大低于燃高爐煤氣的蒸汽輪機(jī)電站的。2.5燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站drt對于燃高爐煤氣的蒸汽輪機(jī)電站,其建設(shè)周期一般為燃煤蒸汽輪機(jī)電站的1/2,一般1~1.5a即可發(fā)電,對于燃高爐煤氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站建設(shè)周期是較短的。但機(jī)組需要進(jìn)口,受到多種不定因素的制約,實(shí)際投運(yùn)時(shí)間可能比燃高爐煤氣的蒸汽輪機(jī)電站的還要長。2.6燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站就燃料量而言,燃高爐煤氣的蒸汽輪機(jī)電站因效率較低,量較大,但燃高爐煤氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站需要摻入不低于5%的焦?fàn)t煤氣,相比起來,兩者費(fèi)用相當(dāng)。2.7輪機(jī)電站的污染物排放量大,排放不高通過以往的比較,燃高爐煤氣的蒸汽輪機(jī)電站的污染物排放不比燃高爐煤氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的高,因?yàn)樾实偷木壒?CO2的排放量是大的。2.8蒸汽輪機(jī)現(xiàn)有技術(shù)為黨的高爐煤氣蒸汽輪機(jī)電燃高爐煤氣的蒸汽輪機(jī)電站其余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量小,且壓力、溫度較低,一般使用在特殊的蒸汽輪機(jī);煉鐵系統(tǒng)中還有向高爐鼓風(fēng)的高壓風(fēng)機(jī),而現(xiàn)有技術(shù)多用汽動(dòng)風(fēng)機(jī)這種節(jié)能方式,而燃高爐煤氣的蒸汽輪機(jī)電站剛好可提供這種蒸汽,且燃高爐煤氣的蒸汽輪機(jī)電站能很好地適應(yīng)過多的灰含量燃料、較快速的壓力波動(dòng)燃料——高爐煤氣。通過以上幾種特性的比較,燃高爐煤氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站僅在能源轉(zhuǎn)化率方面有著較大的優(yōu)越性,而在其他方面沒有優(yōu)勢,在建設(shè)燃高爐煤氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站時(shí)就要綜合考慮。3燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站全燃型燃高爐煤氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)實(shí)際上還是把燃?xì)廨啓C(jī)的“白雷登循環(huán)”與蒸汽輪機(jī)的“朗肯循環(huán)”結(jié)合在一起,其基本流程為:燃?xì)廨啓C(jī)出來的高溫含較高氧量的尾氣參與高爐煤氣鍋爐的燃燒(此時(shí)鍋爐的送風(fēng)機(jī)是停運(yùn)的),此時(shí)高爐煤氣鍋爐不僅作為燃燒鍋爐,還是燃?xì)廨啓C(jī)的余熱鍋爐,在這個(gè)系統(tǒng)中,燃?xì)廨啓C(jī)停運(yùn)時(shí),整個(gè)熱力循環(huán)即是朗肯循環(huán)。燃?xì)廨啓C(jī)可以是燃用單焦?fàn)t煤氣也可是燃用高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣的混合氣。全燃型燃高爐煤氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站有如下優(yōu)點(diǎn):1)既有燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的較高能源轉(zhuǎn)換率,又有朗肯循環(huán)的靈活性。這種循環(huán)中鍋爐的參數(shù)為高溫高壓,朗肯循環(huán)的效率要高于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站中的朗肯循環(huán)的效率,總送電效率可達(dá)36%以上。而鍋爐可以獨(dú)立于系統(tǒng)外單獨(dú)運(yùn)行,在燃?xì)廨啓C(jī)停運(yùn)時(shí)可以消耗高爐煤氣,把燃?xì)廨啓C(jī)消耗的高爐煤氣轉(zhuǎn)移至鍋爐來,降低了高爐煤氣的放散率。2)投資成本低、運(yùn)行可用率高、系統(tǒng)簡單。此種聯(lián)合循環(huán)電站中鍋爐為帶專利技術(shù)的成熟鍋爐,相同發(fā)電量時(shí)進(jìn)口件少,成本低,因而綜合成本低。高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣中的灰、雜質(zhì)對鍋爐無任何影響,運(yùn)行可用率高;同時(shí)純?nèi)几郀t煤氣鍋爐所使用的高爐煤氣的含塵、雜質(zhì)要求比燃?xì)廨啓C(jī)的低,簡化了這些燃料的前處理系統(tǒng),因而系統(tǒng)簡單。3)送電效率高。燃?xì)廨啓C(jī)可以為單