吳松林,鄧先錄
(衡陽華菱鋼管有限公司,湖南衡陽 421001)
衡陽華菱鋼管有限公司(以下簡稱華菱衡鋼)有一臺SHS25-1.27/270-Q型以高爐煤氣為燃料的燃氣鍋爐,為江西江聯(lián)能源環(huán)保股份有限公司制造,負責華菱衡鋼煉鋼分廠VD爐以及其他用戶的蒸汽供應,該鍋爐運行的正常與否直接影響著煉鋼分廠的生產(chǎn)狀況。
華菱衡鋼因單臺高爐需大修2個月,全司高爐煤氣供給中斷,該燃氣鍋爐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)。咨詢相關鍋爐廠商關于該燃氣鍋爐改燒天然氣改造事項,答復配件加工及改造工期一起需要半個月以上,其費用高達近百萬元,且燃燒器改造成燒天然氣后,當高爐正常時燒高爐煤氣時,熱效率會降低。
(1)本鍋爐采用雙鍋筒橫置式自然循環(huán)結構形式,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置過熱器、對流管束,尾部豎井煙道中布置兩級省煤器、空氣預熱器,爐膛中部布置蓄熱穩(wěn)燃器;
(2)本鍋爐共設置八個高爐煤氣燃燒器,為整體式燃燒器,控制方式為機械比例調節(jié)。采用四角布置,上下布局(見圖1),下層燃燒器設有天然氣點火裝置。
圖1 原燃燒器實物圖
型號:SHS25-1.27/270-Q型燃氣鍋爐;
設計燃料: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℃。
(1)原高爐煤氣燃燒器結構不改變
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
鍋爐為特種設備,其受壓元件均經(jīng)相關安全監(jiān)督部門檢測合格后才能投入使用。
(3)爐膛的主體結構不改變
爐膛的主體結構發(fā)生改變可能會影響鍋爐的安全性和運行的穩(wěn)定性,給生產(chǎn)帶來較大的隱患。
3.1.1 燃燒器的結構特點
該燃燒器為環(huán)縫旋流燃燒器(如圖2),分內外兩層,內側走高爐煤氣,外側走空氣,出口端設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,該管作點火時用。正常運行時,高爐煤氣從煤氣管和中心天然氣管之間的環(huán)縫中流出,與蝸殼配風器產(chǎn)生的旋流空氣在混合段強烈混合,混合器以22 m/s左右的速度噴進爐膛,卷吸爐膛內的高溫煙氣迅速燃燒。
圖2 環(huán)縫旋流燃燒器
3.1.2 額定負荷下熱負荷計算
鍋爐設計燃料成分(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)設計燃料:
單個燃燒器的出力為: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,該鍋爐在達到額定蒸發(fā)量時的實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:
每個燃燒器的平均流量約為:
3.1.3 管道流速計算
該鍋爐每個燃燒器點火用天然氣管道內徑為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)×絕對壓力(P)(4)
根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設計規(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 天然氣燃燒器設計
現(xiàn)用天然氣燃燒器直徑為60 mm,由12個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個增加到50個,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
3.2.1 調節(jié)閥選型
燃燒器控制方式為機械比例調節(jié),每個燃燒器天然氣管道上僅安裝調壓閥(或稱減壓閥),無流量調節(jié)閥。鍋爐的負荷是根據(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節(jié)閥以能及時調整鍋爐的負荷。通過對管道管徑、氣體壓力等級、閥門結構形式和現(xiàn)有高爐煤氣調節(jié)閥控制方式等進行分析,最終選擇通徑DN60、壓力等級PN6、結構形式為蝶閥、控制方式氣動且?guī)袛喙δ艿恼{節(jié)閥。并將原高爐煤氣調節(jié)閥的控制系統(tǒng)接入到新安裝的天然氣流量調節(jié)切斷閥上,同時將火焰檢測器、鍋爐系統(tǒng)壓力、水位等信號與調節(jié)切斷閥聯(lián)鎖,確保異常情況下能及時切斷天然氣。
3.2.2 調節(jié)閥調試
天然氣調節(jié)閥改造完成,以及其他相關改造完成后,系統(tǒng)點火試運行,逐步將天然氣調節(jié)閥的開度調至100%,同時觀察各天然氣通道的流量(每根天然氣管道裝有流量計),通過調節(jié)減壓閥,確保各通道在的流量在525 m3/h左右。在調試完成后,各通道天然氣的減壓閥后的壓力基本穩(wěn)定在50 kPa。
3.3.1 理論空燃比的計算
天然氣的主要成分為CH4,燃燒時將化學能轉化為熱能,并產(chǎn)生大量的煙氣,其燃燒的化學方程式為:
高爐煤氣的主要可燃成分為CO,其燃燒的化學方程式為:
由公式(7)和公式(8)對比可知,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 實際空燃比的計算
天然氣燃燒后煙氣中的氧含量對燃料燃燒的影響較大。煙氣中氧含量過高存在以下害處:
(1)過量的空氣會帶走大量的物理熱,造成不必要的浪費;
(2)過量的冷空氣進入爐膛,將降低了爐膛溫度,增加燃料的消耗同時;
(3)增加鼓風機和引風機的電耗和機械磨損。
煙氣中的氧氣含量偏低,會引起燃料不充分燃燒,造成燃料的浪費,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%設計。
則實際空燃比為:
根據(jù)鍋爐《煙風阻力計算表》得知,以高爐煤氣為燃料時,額定負荷下煙氣的體積為65529.9 m3/h;以天然氣作為燃料時,由公式(7)得知天然氣燃燒后的體積為發(fā)生變化,額定負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)《煙風阻力計算表》得知,該鍋爐爐膛出口設計負壓20 Pa,引風機電機功率為110 kW,采用變頻控制。爐膛煙氣出口安裝有壓力傳感器,引風機根據(jù)壓力信號自動調節(jié)轉速,確保爐膛負壓。
此改造鍋爐的受壓元件未發(fā)生改變,爐膛的結構未發(fā)生改變,則鍋爐本體的結構未發(fā)生改變;在天然氣管道上加裝了切斷調節(jié)閥,并與火焰檢測器、鍋爐系統(tǒng)壓力和水位等信號聯(lián)鎖,確保在鍋爐在出現(xiàn)異常時能及時切斷天然氣;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)計算出了合理的空燃比,為防止脫火和回火提供了保證。
在完成燃燒器改造、流量調節(jié)閥安裝、空燃比設定等工序后,按鍋爐開爐操作規(guī)程做好準備后,進行點火調試;逐步調試好各個通道的壓力和流量;設定爐膛負壓為20 Pa;通過調整天然氣調節(jié)閥開度,即調節(jié)天然氣流量,來調整鍋爐的蒸發(fā)量已適應用戶負荷的變化,經(jīng)長時間跟蹤和測試,當四個天然氣調節(jié)閥開度全開時,天然氣總流量為2110 m3/h,鍋爐的蒸發(fā)量為23 t/h,基本達到了改造的目的,滿足了用戶的需求。