掺烧高炉煤气的300 MW发电机组燃煤锅炉特点及其节能效果

韩光磊

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司,河北唐山063200)

首钢京唐钢铁公司炼铁厂拥有两台5500 m3高炉,在高炉的生产过程中每台高炉产生高炉煤气约80万m3/h,过去由于这些高炉煤气发热量低不能得到有效利用,只能大规模放散,严重污染了环境同时浪费大量能源。为此首钢京唐钢铁公司在新建公司自备电厂时,2台300 MW机组配套的100%燃烧煤粉锅炉,采用了掺烧20万m3/h高炉煤气同时掺烧0～35000 m3/h焦炉煤气的装置,目的是使大量外排的高炉煤气得到有效利用。本文将对该炉的结构和运行特点进行分析和介绍,并对锅炉运行的效果进行总结。

1 锅炉特点

掺烧高炉煤气的煤粉锅炉采用了单汽包自然循环,膜式水冷壁,中速磨正压直吹式制粉系统,配备了固态排渣系统,以及布袋除尘系统、海水脱硫系统等配套辅助设备;为了掺烧高炉煤气,锅炉的燃烧系统、受热面结构和汽温调节方式等不同于一般的煤粉锅炉,并且还设有针对掺烧高炉煤气的保护装置。

1.1 燃烧系统

(1)燃烧器的布置 锅炉采用四角布置的切向摆动式燃烧器,燃烧出口射流中心线和水冷壁中心线的夹角分别为38°和44°,在炉膛中心形成逆时针旋向的两个直径稍有不同的假想切园。为了削弱炉膛出口烟气的旋转而引起的炉膛出口烟温偏差,燃尽风室被设计成反切。为了控制NOx的排放量燃烧系统选取了较大的燃尽风率,同时燃烧器分组拉开式布置及合理配风形式;锅炉配套煤粉燃烧器采用水平浓淡煤粉燃烧器,有利于保证及时着火及燃烧稳定和及时燃尽,在保证锅炉效率的基础上也能有效抑制NO x排放。燃烧器采用的大风箱结构,被隔板分隔成若干风室,在各风室的出口处布置数量不等的燃烧器喷嘴,其中顶部的燃尽风室可作水平±10°摆动,一次风喷嘴和中间焦炉煤气喷嘴可上下摆动各20°,其余二次风喷嘴可作上下各 30°的摆动,以此来改变燃烧中心区的位置,调节炉膛内各辐射受热面的吸热量,从而调节再热汽温。每角燃烧器共有19个喷嘴(分为上下两组),其中顶部燃烬风室4个,上端部空气风室2个,中间焦炉煤气风室3个,煤粉风室5个,下部焦炉煤气风室1个,高炉煤气风室2个,下端部空气风室2个,空风室1个。两层八只高炉气燃烧设备由高炉煤气喷口和高炉煤气气枪两部分组成,按掺烧热量20%BMCR高炉煤气设计,最大掺烧量为热量30%BMCR,安装在燃烧器的最下部。高炉煤气点火设备采用多管平流式点火枪,每只高炉煤气喷口中布置有13行9列共117只高炉煤气气枪,高炉煤气气枪前端采用耐热不锈钢材料。

(2)点火设备 锅炉采用两级点火,即由高能电火花点燃焦炉煤气,焦炉煤气点燃高炉煤气及煤粉,点火所需的最大焦炉煤气量为35000 m3/h,系统入口焦炉煤气压力为5.5 kPa。单只点火枪耗气量约为50 m3/h,煤气喷嘴最大耗气量3000m3/h。四层(16支)焦炉气点火设备用来点火、暖炉、升压并可引燃和稳燃相邻煤粉(高炉煤气)喷嘴;点火设备由焦炉煤气喷口、焦炉煤气气枪、焦炉煤气点火器三部分组成,最下层焦炉气喷口采用固定喷嘴形式,用于高炉煤气的点火,其余三层均位于煤粉风室之间,采用摆动式喷嘴形式,用于点燃相邻煤粉。16只焦炉焦炉煤气点火枪都为扁嘴式多孔点火枪煤气气枪,单只最大容量3000 m3/h,产生的火焰可在0.5～1.1m的范围内调节,可保证有较好的点火火炬特性,可以及时点燃焦炉煤气气枪,形成稳定着火燃烧的火炬。为了吸收锅炉热态膨胀量,焦炉煤气点火器同管道采用金属软管连接;点火器内部为密封通道,可以杜绝点火器和燃烧器的爆燃或自燃。单只焦炉气点火器容量50 m3/h。

1.2 受热面

该锅炉采用了14048mm×12468 mm准正方形炉膛,炉本体高54600 mm,炉膛比同类型高15 m左右,由于燃尽高度较高加之采用水平浓淡煤粉燃烧器和燃烧器分级布置等措施,可以保证该锅炉全烧煤粉及掺烧煤气时及时着火和充分燃尽。炉膛上方布置有低温再热器、分隔屏过热器、屏式再热器和后屏过热器,水平烟道布置有高温再热器、高温过热器,尾部竖井烟道布置有低温过热器,省煤器、各级过热器、再热器之间采用单根或数量很少的大直径连接管相连接,蒸汽可以得到较充分的混合。各级过热器和再热器最大限度地采用蒸汽冷却的定位管和吊挂管,以保证运行的可靠性,防止运行中的晃动。掺烧大量高炉煤气时由于烟气量增加,各受热面壁温随之升高,设计在精确计算壁温、阻力和流量分配的基础上,选用高强度高压无缝钢管作为省煤器、过热器、再热器材质;所有大口径集箱和连接管在保证性能的基础上也选用高强度高压无缝钢管。

1.3 汽温调节方式

该锅炉的设计不仅考虑了完全燃煤的工况,还重点兼顾了掺烧高炉煤气的工况,所以过热器系统比同类型的300MW锅炉增设了一级喷水减温器。过热器采用三级五点喷水,减温器采用笛管式,第一级喷水减温器设于低温过热器到分隔屏的大直径连接管上,第二级喷水减温器设于分隔屏与后屏过热器之间的大直径连接管上(分左右布置),第三级喷水减温器设于后屏过热器与末级过热器之间的大直径连接管上(分左右布置)。机组的设计喷水量为主蒸汽流量的10%,其中一级减温器设计喷水量为总喷水量的2/3,二级和三级减温器设计喷水量各为总喷水量的1/6。再热器的调温主要靠燃烧器的摆动,过量空气系数的改变对过热器和再热器的调温也有一定的作用。再热器设有二级喷水减温器,分别位于再热器进口导管及再热器前屏与末级再热器之间的大直径连接管上,共四点布置。减温器采用机械雾化喷嘴,在完全燃用设计煤种时,喷水减温器只作为事故喷水减温器;在掺烧煤气时,再热器喷水减温器参与调节再热器系统蒸汽温度。

1.4 煤气保护

为保证在掺烧煤气时锅炉安全,防止因脱火、回火、出现爆炸而引起主设备损坏,FSSS(锅炉安全保护)系统中设立了24个红外线煤气火焰检测探头,监视所对应的8个高炉煤气和16个焦炉煤气火嘴情况,运行中一旦失去火焰,FSSS将迅速切断煤气,并自动投入N2吹扫。为保证煤气关断时的严密性及切断及时性,在每台炉的高炉煤气母管上装有快切阀、盲板阀和调节阀,连接各个煤气火嘴支管除安装电动调节阀外还装有与FSSS相连的煤气快关阀,确保在接到关断指令后,可以在3s内快速切断煤气。高炉煤气系统见图1。

在投运高炉煤气时,当角阀打开后8 s内,火检检测无火,即高炉煤气火嘴在8 s内未燃,则自动关闭该角快切阀。煤气正常投运后,如火检检测无火,并且延时3 s后检测仍然无火,该角快切阀就会自动关闭进行N2吹扫。在点火及煤气运行中,为防止回火,还设置了炉前失压保护,高炉煤气母管压力一旦低于6.5 kPa可以自动切断高炉煤气的供应。

图1 高炉煤气系统

2 掺烧高炉煤气对锅炉的影响

2.1 锅炉点火时的注意事项

京唐公司炼铁厂的高炉煤气成分见表1,可以看到,高炉煤气大部分为不可燃的惰性气体,可燃物主要是CO和H 2,仅占少量,因此发热量很低,与焦炉煤气和转炉煤气相比燃烧更困难,特别是所含的大量惰性气体导致火焰传播速度较慢,比较容易发生脱火等燃烧不稳定现象。

表1 京唐钢铁公司高炉煤气成分

首钢京唐钢铁公司热电分厂1号锅炉2009年9月投产,但是由于经验不足,投产初期在启动最下层焦炉煤气的点火程序后就马上投入高炉煤气进行暖炉,高炉煤气的脱火现象严重,尾部烟道出口处CO浓度最高达到为2036 mg/m3,点火初期高炉煤气掺烧量与尾部烟道CO浓度对比见图2。

经过摸索发现,为了防止脱火现象,高炉煤气的投运必须做好以下几项工作:①检查煤气系统无泄漏且做好机组启动前的联锁保护试验,确保安全;②高炉煤气送至燃烧器之前,必须用N2对管道进行严格吹扫,之后方可引气,且爆破试验应合格;③锅炉点火前必须对炉膛及尾部烟道保持至少30%全负荷空气流量进行通风5 min以上,防止点火时因煤气泄漏在炉内聚集而引起爆炸;④严格按点火程序进行点火,在锅炉启动运行正常,炉膛燃烧基本稳定且负荷高于30%情况方可投入高炉煤气,投入时按先投下层火嘴然后再投上层火嘴的原则进行,防止脱火。

图2 点火初期高炉煤气掺烧量与尾部烟道CO浓度

2.2 高炉煤气掺烧情况

运行在发现,在纯烧煤额定工况下,热电分厂1号锅炉的主再热蒸汽明显偏低,但是掺烧高炉煤气后该参数得到明显提高,主要原因是该锅炉布置的对流受热面比例较大,在纯燃煤时对流换热量偏小,导致主、再热汽的温度明显偏低。为了提高再热汽的温度虽然也可以增加燃烧量,但是这样一来容易出现屏式过热器超温现象。掺烧高炉煤气后,由于高炉煤气内含有大量不可燃气体,造成煤粉燃烧的不完全和火焰中心的上移,炉膛上部还可能会有部分煤粉在燃烧,同时由于烟气量的增加进入对流过热器烟气流量也增加,热量只能通过过热器和再热器回收,由于过热器和再热器温度居高不下,必须投用大量的减温水,炉膛的热效率也可能减小。因此,燃烧器的布置要尽量下移,增加向下的倾斜角。燃烧器的摆角、减温水量与排烟温度的对应关系,可以参见表2。

表2 燃烧器摆角、减温水量与排烟温度的对应关系

由于炉膛的辐射受热面较小并且对流受热面较大,在纯燃煤时火焰燃烧中心偏低,过热器和再热器的受热面吸热相对较少,主、再热气温均偏低,可通过减少炉膛吹灰的班次,提高火焰中心高度,推迟燃烧等方法来提高炉膛出口烟温,满增加对流换热的吸热量,从而满足各参数要求,但掺烧高炉煤气后,排烟温度突然升至150～160℃,减温水量也急剧增加,见表3。这是因为炉膛高度相对偏低,炉膛容积相对偏小、烟气量大,其次是所燃煤种易使炉膛受热面结焦,导致辐射换热差,使热负荷后移,因此应尽量采取投底层煤气火嘴和下层煤粉火嘴,降低火焰燃烧中心的办法,也可采用增加炉膛吹灰频率的方法,减少结焦,提高水冷壁吸热量,降低炉膛出口烟温,减少减温水量。在锅炉设计上,炉膛吹灰器数量及布置充分考虑了此特点,该锅炉共设计有56支短吹灰器,前墙、后墙各4排、每排4支,两侧墙各4排、每排3支,通过运行调整和吹灰,目前排烟温度比最初投运时平均降低10～15℃,过热器减温水量由吹灰前的90 t/h降低到吹灰后30 t/h,再热器减温水量由35 t/h降低到10 t/h。此外,在检修和运行巡检中,应尽量保证锅炉各人孔门、看火孔、打焦孔等关闭严密来减少漏风量,也可有效降低排烟温度。

表3 满负荷掺烧高炉煤气前后各参数变化

3 效果

该锅炉在纯烧煤工况下,不投煤气最低稳燃负荷为30%(在实际运行中因许多因素干扰最低稳燃负荷将高于此值),由于京唐钢铁公司调峰频繁,机组在150～250 MW运行工况较多,正常运行中不时要投焦炉煤气稳燃,又因次煤较多,煤质变化较大,在变负荷情况下,也不时出现DEB波动频繁,波动范围较大,例如2010年4月15日1号锅炉最大耗煤量波动为90～150 t/h,DEB协调不稳,机组自动解除DEB,但投入焦炉煤气并且加大高炉煤气的投入量后,由于焦炉煤气火嘴使相邻煤层的燃烧稳定,而且高炉煤气的燃烧增加了炉膛底部温度,有效地解决了燃烧不稳问题,杜绝了由此而频繁发生DEB解除的问题,实现了机组长期稳定运行。

通过半年多的掺烧实践,煤气掺烧量逐月增加,取得了显著经济效益,仅2010年第一季度1号机组共掺烧高炉煤气32616万m3,平均掺烧比高达15.94%,折成标煤35611 t,节约燃煤成本达2327万元。随着2号机组168试运的成功,高炉煤气投入正常及燃烧稳定,使高炉煤气掺烧量也逐步提高,两台炉基本均已实现20%的掺烧比,降低了炼铁厂高炉煤气排放,提高了首钢京唐公司高炉煤气回收利用率、同时也降低了首钢京唐热电分厂的能源消耗,保证了机组的安全性和稳定性。

4 结论

通过掺烧实践,首次成功地实现了在国产的1025 t/h锅炉燃用多煤种情况下掺烧低热值高炉煤气,并且掺烧量逐步提升,为以后同类锅炉掺烧高炉煤气提供了宝贵经验。掺烧高炉煤气,尽管排烟温度有所升高,降低了锅炉效率,但因主、再热蒸汽参数升高,提高了机组整体效率,又降低了高炉煤气排放,提高了高炉煤气回收利效率,代替了大量燃煤,创造了可观的经济效益,同时保护了环境,具有较好的社会效益。