高炉煤气补燃装置在烧结余热发电中的应用

2022-03-13张帆胡奇

科技创新导报 2022年19期

张帆胡奇

（安钢工程管理有限公司河南安阳 455000）

现阶段，我国对节能减排工作日益重视，一部分钢铁厂家开始研究如何在发电环节对烧结烟气余热进行应用，目前已在经济、社会层面取得了较大的收益。但我国在烧结余热发电的技术环节起步相对较晚，与发达国家相比差距相对较大。由此，在烧结余热的发电环节，对高炉煤气补燃装置的实际应用进行研究，就目前现状而言，拥有极其重要的现实意义。

1 高炉煤气的补燃装置中应用的补燃技术概述

1.1 高炉煤气在燃烧环节的特征

高炉炼铁环节会形成体量庞大的高炉煤气，高炉煤气中存在的可燃成分大多数为CO，但仅占据高炉煤气的20%～25%，其他大多数为惰性气体。高炉煤气主要存在如下特征。

1.1.1 着火性能差

在高炉煤气中，可燃气体的含量相对不高，着火温度在550～650℃的范围内，着火开始时，对热量需求相对较大。另外，高炉煤气在着火层面的浓度下限数值相对较高，为35%左右，着火比较困难。

1.1.2 不易稳燃

高炉煤气在燃烧层面的理论温度相对不高，只有1200～1340℃，仅占据燃煤温度的60%左右，所以，炉膛内部的温度相对不高，导致燃烧期间火焰不稳定，极容易出现脱火和脉动的现象。

1.1.3 稳燃性能不高

因为存在较多惰性气体，阻碍了O2与可燃成分的混合接触，加之燃烧温度相对不高，导致化学反应速度相对较慢，因此需要停留较长的时间，并经过剧烈的搅动，才可以让高炉煤气实现完全燃烧。

1.2 应用补燃技术的必要性

目前，我国在烧结余热发电环节存在诸多问题，主要如下。

1.2.1 烟气温度相对较低

在具体运行环节，由于热量损失及漏风，导致高温段、中温段的烟气温度尚未切合设计数值就直接流入到余热锅炉中，温度通常情况下都会比设计数值低出30～50℃，从而导致锅炉出力被极大限度地降低，也影响了汽轮发电机组正常的发电数量，导致余热发电机组在投资层面的回收期被迫延长，而且，致使主蒸气的过热度减少，汽轮机末级的蒸气湿度又太大，情节严重时极有可能发生水击的状况。

1.2.2 锅炉频繁出现启动、停止

具体生产环节，烧结工况的波动相对较大，设备在具体运行期间通常会发生一些不稳定状况，而且还会在短期内出现解列的现象，这种状况一旦发生，就会导致余热锅炉中的烟气温度出现较大的波动。为了对汽轮机进行有效的保护，就不得不对余热锅炉采取停止操作。生产环节趋于稳定之后，又需要重新启动锅炉，由此重复不断地启动、停止，不仅会导致电力、余热的大量浪费，除去盐水等一些资源之外，对于锅炉的应用寿命也会造成不利影响［1］。

2 补燃技术对于烧结余热发电的影响

2.1 烧结余热发电环节中的补燃系统

要想针对纯低温余热发电的烟气温度中出现的不可控因素进行有效解决，就需要设计烟温调控系统，烟气补燃自身属于一种控制简便、技术比较成熟的计划。现阶段，我国在烧结余热发电层面所应用的补燃系统一共有4种。

2.1.1 烟道外部直燃补燃式的锅炉

某个烧结余热的发电项目中，应用了在烟道外设置补燃燃烧器的方式，对于空气进行直接加热，然后，将加热完成之后的空气掺杂在余热锅炉的烟道内部，让中温热空气、高温热空气二者在烟道内部出现强烈的混合之后，再进入到汽轮机中，从而实现发电。此计划主要是对空气进行直接加热，能够让总烟气量、烟气温度全部管控在指定的数值区间内，让机组在运行期间的稳定性得到有效保证，系统架构相对比较简单，同时，也可以让机组在热效率层面管控在有效区间内，而且可以让燃烧期间的稳定性得到有效保障，另外，燃烧不会轻易出现熄火的现象，整个燃烧环节效率安全性都相对较高。

2.1.2 烟道内部直燃式的补燃锅炉

一部分研究人员研发出了一种可以对高炉煤气进行应用，从而实现补燃方式的一种烧结余热的计划。此计划主要是将点火装备、燃烧器的喷嘴直接布设在烧结余热锅炉的进口烟道内部，高炉煤气可以对烟道内部的高温热风进行有效应用，从而实现燃烧，之后起到放热的作用，让烟气的温度得到有效提升。此规划可以对烟气进行直接加热，能够让烟气温度、总烟气量维持在设定数值标准内，让机组在运行期间的稳定性得到有效保证，也可以让机组在热效率层面维持在标准范围内。

2.1.3 蓄热式的补燃锅炉

使用钢铁单位在炼钢环节应用的副产品——高炉煤气对其直接进行加热，由此，烧结余热锅炉会形成饱和蒸气，然后对饱和蒸气进行加热，要求温度数值为450℃、2.2MPA。加热期间，所采用的锅炉为切换式的蓄热补燃锅炉，此锅炉可以对煤气量进行有效调节，并降低温水量，让进入汽轮机中的蒸气温度维持一个平稳数值，就整体角度而言热效率相对较高［2］。

2.1.4 补燃锅炉

在余热锅炉前方设置补燃锅炉，通常情况下，是将烧结余热锅炉所生成的饱和水、饱和蒸气全部引进到燃煤锅炉中，之后将饱和蒸气、饱和水进行加热，温度达到设计标准数值截止。此计划的主要优势就是形成的蒸气温度数值稳定性相对较高、数值参数较高。

2.2 现存补燃系统的现状

2.2.1 烟道外部直燃补燃式的锅炉

此锅炉应用直接对空气进行加热的方式，虽然相对而言比较简单，但是由于高炉煤气自身具有燃烧点极高的特征，导致高炉煤气在具体燃烧环节极其容易出现熄火的现象，由此，就需要布设乙炔长明灯来让此问题得到有效解决。对冷空气进行加热时，必须加热到所需要的温度，而此环节也会相比较于烟道内部直燃补燃式的锅炉在燃烧期间会消耗更多的高炉煤气。

2.2.2 烟道内部直燃补燃式的锅炉

环冷机的补燃系统即使由于无风机等一些供风装置相对而言比较经济且简单，但是由于余热锅炉在补燃环节所需要应用的高炉煤气通常情况下数量不多，在烟道内部直接布设用于燃烧的装备，煤气所产生的火焰将会被大量的烟气、烟气较高的流速迅速熄灭，由此会在安全和操控层面带来一系列的难度及问题。

2.2.3 蓄热式的补燃锅炉

此锅炉计划与补燃锅炉比较相似，主要就是比较依赖余热锅炉所形成的饱和蒸气量，锅炉内部的产气量会伴随环冷机中烟气量的波动从而出现波动，很难让汽轮机中的热效率在设计值层面实现长时间的稳定运行。而且，此方案对于钢厂中所应用到的高炉煤气依赖程度相对较高，一旦钢厂不再供应高炉煤气，发电机组的工作就会被迫停止。蓄热形式的燃烧器极其容易出现压力场波动、燃烧、爆燃、断火、结焦、堵塞等诸多问题，在安全层面存在极大的隐患。

2.2.4 补燃锅炉

此种类型的锅炉通常情况下容量不大，属于型号较小的锅炉，所以，在热效率层面相对不高，会过度依赖余热锅炉所形成的饱和蒸气量、饱和水，导致补燃锅炉中的热负荷会出现较大的波动，锅炉内部的燃烧热效率通常情况下比常规锅炉要低出很多，很容易出现结焦的现象。而且，由于经济层面的利益，有关单位通常情况下为将补燃锅炉当作燃煤锅炉进行应用，致使燃料在利用期间的效率不高，并形成二次污染现象，严重违背了节能减排目标，所以，目前此种方法在我国已经被严禁应用［3］。

3 烧结余热发电环节高炉煤气补燃装置的应用案例

3.1 烧结余热发电环节应用的动态补燃技术

对于燃烧结余热发电系统所出现的一些问题，某公司提出了一种动态形式的补燃技术。

3.1.1 动态补燃技术的原理

某公司应用外置形式的烟道，补燃装备与余热锅炉的母烟道进行有效相连。通过现场所供给的燃气燃料，自主研发出一种低氮燃烧器，可以进入到补燃装置的焚烧室中，对其进行燃烧，从而形成高温烟气，然后将其运输到锅炉的母烟道中，此高温烟气与烧结余热的烟气二者进行混合之后，可以一同进入到余热锅炉中。按照余热锅炉在运行中的具体状况，动态地对于燃料的量进行有效调控，调控的范围主要为余热锅炉出力的0～100%。烧结生产线出现状况时，会出现短暂的临时停车现象，余热资源不会进入到锅炉中，为了确保锅炉不会出现解列的现象，补燃装备会对负荷进行有效调节，范围大概在锅炉出力的30%，从而让锅炉在运行期间的稳定性得到有效保证。当余热锅炉无法达到指定出力时，运行期间补燃装备会按照余热锅炉中的余热资源，针对燃料进行有效调控，从而让余热锅炉的输出得到保证，最终让汽轮发电机组在发电量层面可以符合设计数值［4］。

3.1.2 动态补燃技术的特征

（1）智能化控制。此系统中的控制系统应用某公司研发出的NBMS 燃烧控制系统，让补燃系统的动态性、稳定性得到有效保证，对于烧结余热在烟气供给层面的范围要求相对不高，可以在0～100%的范围内对其进行动态化的调控。而且，此系统拥有检修维护便利、投资较低、可靠性高、简洁性强、系统性能高、占地面积小等特征。

（2）低氮燃烧技术。此系统应用了某公司研发的低氮NOx燃烧器，此系统主要是由多个喷嘴进行布设，应用双层的配风口，内层应用旋流装备，外层应用直流配风，此燃烧系统中安装了低氮燃烧装备，具体实现形式如下。

燃烧器可以应用分级配方的方式，在火焰区域形成还原性的气氛，对于氮氧化物的形成起到抑制性的作用。

燃烧器的内层配风采取旋流的方式，强化燃料和空气之间出现的混合气体，加大温度在分布期间的均匀程度，消除局部区域的高温现象，减少热力型NOx的形成。

旋流配方所形成的涡流形状的混合气体在加热炉的中心区域会形成低压，导致一部分烟气被抽回，从而减少燃烧中心的含氧数量，最终有效阻止NOx的生成。

燃烧器应用多喷嘴的形式，减少每个火孔燃烧期间的负荷，细股燃气射流可以对空气进行自动吸收，强化预混效果，加大温度在分布期间的均匀程度，除去局部出现的高温区域，减少热力型NOx的形成［5］。

3.1.3 动态性新型补燃项目的分析

目前，国内的烧结余热发电大多数都采取环冷机前两段中的高温废气，温度在300℃左右，舍弃了第3段250℃左右的废弃资源。

常规余热发电，一般情况下，选取前两段的烟气余热，匹配一台双烟道的双压余热锅炉，最终装机计算数值为13.2MW。

应用南京博纳制作的补燃系统之后，高炉煤气的消耗量每小时可以达到4782m³，尤其第3 段的烟气浓度可以提高到300℃左右之后，一起进入余热锅炉中，装机此时计算的数值为16.1MW，相较于以往的装机规模，在数值层面高出2.9MW。

3.2 烧结余热发电环节应用的循环燃烧补燃技术

现阶段，有关人员针对烧结余热发电在技术环节出现的问题进行创新，提出了一种新型的燃烧补燃技术，即循环燃烧补燃形式的新型烧结余热发电系统。

此系统主要是通过变频风机，从余热锅炉的进口烟道中牵引出一部分热烟气，与钢厂中多余的高炉煤气进行混合，然后对其进行燃烧，形成的高温烟气、烟道内部的低温热烟二者之间进行混合，之后再进入到锅炉中，对其进行换热操作，换热完成之后，烟气会被锅炉尾部的循环风机牵引，再次进入烧结环冷机底部区域的冷却烧结矿料，在经过冷却之后，中温烟气会再次进入到锅炉的进口烟道中。系统布设了补风口用来弥补漏风及烟气消耗，而且额外设置了排烟的烟囱，避免CO在烟气循环期间出现大量积聚现象。

此系统在应用期间有较为显著的优势，原因是此方案可以对汽轮机进口处的3 个参数进行有效管控，让其与设计参数接近，不会再由于环冷风机中的烟气参数出现波动，从而对锅炉产气量造成不必要的影响，相比较于现存的烧结余热形式的发电补燃技术而言，让稳定性得到了显著的提升，即使是在春、冬寒冷季节对其进行应用，也能够让余热发电系统在运行期间的稳定性得到有效保证。因为烟气属于循环应用的方式，而且降低了冷源的损失，所需的高炉煤气量远远低于直燃形式的系统，让发电效率得到了极大程度的提升。而且，因为应用到了烟气再循环技术，所以烟气中的含氧量会低于空气中的含氧量，有利于抑制燃烧环节氮氧化物的形成，最终起到环保、节能的作用［6］。