鋼鐵企業(yè)是能源消耗非常大的企業(yè)，在鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程中,消耗大量的煤炭、燃油和電力等能源的同時(shí),還產(chǎn)生了大量的高爐煤氣。但是，高爐煤氣中不可燃燒的惰性氣體(N2和CO等)約占75%,可燃成分(CO和H2)僅為25%左右,低位發(fā)熱值極低(3 050～3 470kJ/Nm3),相當(dāng)于一般發(fā)生爐煤氣的60%、轉(zhuǎn)爐煤氣的44%、焦?fàn)t煤氣的17%、天然氣的9%、液化石油氣的3%。由于熱值低、可燃范圍窄、燃燒溫度低，且壓力和燃燒不穩(wěn)定,火焰易產(chǎn)生脈動(dòng)和脫火,長期以來,對(duì)高爐煤氣的利用處于“食之無味棄之可惜”的尷尬境地。?
我國早期的高爐煤氣除了在高爐熱風(fēng)爐作燃料,絕大部分白白地?zé)袅?煤氣放散率達(dá)40%～60%。全國主要鋼鐵企業(yè)放散率在10%以上,每年的能耗損失達(dá)數(shù)十億元。80年代以后,人們對(duì)高爐煤氣有了新的認(rèn)識(shí),如開始將高爐煤氣用于與煤、焦?fàn)t煤氣混燒生產(chǎn)蒸汽,與焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣混合用于軋鋼加熱爐作燃料等,雖然大部分高爐煤氣得到了利用,但并未能取得突破性進(jìn)展。混燒,高爐煤氣會(huì)與固體煤粉和分子鏈較長的焦?fàn)t煤氣爭(zhēng)氧,使煤粉不能很好地燃盡,焦?fàn)t煤氣直到爐頂或煙道口還在燃燒，這種燃燒方式要消耗優(yōu)質(zhì)燃料成本較高,同時(shí)還造成了能源的變相浪費(fèi)。而且,隨著煉鐵高爐的大型化和近幾年國內(nèi)煉鐵形勢(shì)發(fā)展,高爐煤氣的產(chǎn)生量成倍增加,小型摻燒高爐煤氣鍋爐在容量和能源利用等方面已遠(yuǎn)不能適應(yīng)國內(nèi)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展形勢(shì)。近年來，同時(shí)國內(nèi)開始自主開發(fā)并引進(jìn)國外全燒高爐煤氣發(fā)電技術(shù),如首鋼的全燒高爐煤氣50MW發(fā)電機(jī)組于1993年建設(shè)、1996年底建成投產(chǎn)；寶鋼145MW全燒高爐煤氣發(fā)電機(jī)組于1997年11月底建成投產(chǎn)(當(dāng)時(shí)是世界上規(guī)模最大和最先進(jìn)的高爐煤氣發(fā)電技術(shù))；同時(shí)由于國家對(duì)于節(jié)能減排技術(shù)的大力支持，而且對(duì)于污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)制定更為嚴(yán)格，所以有多家鋼鐵企業(yè)進(jìn)行了燃煤鍋爐改燒高爐煤氣的改造，如：包鋼熱電廠4號(hào)鍋爐改燒高爐煤氣、湘鋼熱電廠75t/h煤粉鍋爐改燒高爐煤氣的改造。至此,高爐煤氣的有效、高效利用取得了突破性的進(jìn)展。?
在燃煤鍋爐改燒高爐煤氣的改造過程中，由于鍋爐燃料由固體的煤變成了氣體的高爐煤氣，熱值大幅減小，且氣體中CO2，N2含量大，不參與產(chǎn)生熱量，也不能助燃，反而吸收大量的熱量，所以大量的熱量轉(zhuǎn)移到煙氣中，從而使得燃高爐煤氣產(chǎn)生的煙氣量遠(yuǎn)大于燃煤時(shí)產(chǎn)生的煙氣量；一般氣體的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為0.3～0.8m/s,而高爐煤氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低,火焰穩(wěn)定范圍狹窄,且其理論燃燒溫度低,約1 149℃,點(diǎn)火困難，如果進(jìn)入鍋爐的高爐煤氣不能被迅速點(diǎn)燃,將有可能引起鍋爐爆炸,非常危險(xiǎn)。因此，在改造過程中，一方面為了保證鍋爐的出力，另一方面保證燃燒的穩(wěn)定。除爐膛、受熱面改造的計(jì)算及選擇之外，燃燒器的選擇與改造也是一個(gè)很重要的部分。?
而我國目前常用的燃燒器改造技術(shù)有以下幾種：?
1 采用帶預(yù)燃燒室的鈍體燃燒器?
高爐煤氣燃燒器改用帶預(yù)燃室的開縫鈍體燃燒器,以使低熱值的高爐煤氣快速穩(wěn)定著火、高效燃燒，煤氣燃燒器采用了比原設(shè)計(jì)假想切圓大得多的切圓布置。大切圓布置可進(jìn)一步強(qiáng)化煙氣對(duì)水冷壁管的直接沖刷,增加水冷壁的對(duì)流吸熱量。采用這種方式有湘鋼熱電廠改造的75t/h鍋爐。?
2 采用絕熱式爐膛，配合旋流燃燒器前后墻布置?
本技術(shù)采用無錫鍋爐廠首創(chuàng)的全國最大型絕熱室爐膛,旋流式燃燒器前后墻布置。在改造的過程中為保證高爐煤氣能夠穩(wěn)定燃燒，在原冷灰斗的位置增加了蓄熱穩(wěn)燃室（采用耐火材料，不鋪設(shè)水冷壁），減少了原爐膛的蒸發(fā)受熱面。同時(shí)為了使每個(gè)燃燒器的高爐煤氣壓力一致，在條件具備的基礎(chǔ)上，在燃燒器上加裝自動(dòng)調(diào)節(jié)閥或在煤氣管道上加裝調(diào)節(jié)閥。采用這種方式有包鋼熱電廠改造的130t/h中溫中壓鍋爐［2］。?
3 爐膛穩(wěn)燃柱技術(shù)?
這種改造技術(shù)通過把原鍋爐的冷灰斗去掉，水冷壁拉直的方法大大增加了爐膛受熱面積。為使高爐煤氣在爐膛內(nèi)能夠穩(wěn)定燃燒，在爐膛中央砌一座類似煙囪形狀，高鋁耐火磚材料構(gòu)成的穩(wěn)燃柱，燃燒器布置為四角切圓燃燒，并用耐火材料在水冷壁上敷上衛(wèi)燃帶。在點(diǎn)火時(shí)要慢慢地吸熱，使穩(wěn)燃柱溫度升高。要求在運(yùn)行時(shí)，其溫度達(dá)到1 000℃以上。穩(wěn)燃柱的存在提高了燃燒器區(qū)域的溫度場(chǎng)的水平，使煤氣燃燒速度更快、更完全，在較小的區(qū)域內(nèi)放出的熱量更多，溫度也進(jìn)一步升高，直到平衡在高溫度場(chǎng)下。同時(shí)水冷壁吸收的熱量更多，火焰的假想切圓與蓄熱穩(wěn)燃裝置相切，沒燃盡的煤氣掠過穩(wěn)燃裝置外表面，高溫進(jìn)一步加熱了煤氣使之燃燒干凈。另外大切圓燃燒增加了水冷壁的吸熱量。采用這種方式有包鋼改造的220t/h高溫高壓鍋爐［3］。?
4 無焰燃燒器?
為了進(jìn)一步縮小燃燒設(shè)備的體積和增大爐膛的容積熱負(fù)荷，同時(shí)考慮操作方便及燃燒器數(shù)目不能過多這兩個(gè)因素，開發(fā)了預(yù)混型無焰燃燒器，就是在一般的預(yù)混可燃?xì)饬鞯念A(yù)混型燃燒器的出口處加裝一段容積熱負(fù)荷很大的多孔耐火填料層。預(yù)混氣體在填料層的孔隙中穿過時(shí)，被分成很多股并發(fā)生燃燒，使得耐火材料保持高溫，而能可靠的將預(yù)混氣體快速點(diǎn)著，用這種燃燒器是時(shí)，在填料層外基本上看不到火焰，或只能看到不長的火苗，因此成為“無焰燃燒器”采用此種燃燒器可以使得燃燒高爐煤氣時(shí)的火焰長度縮短，同時(shí)可以在預(yù)混管的出口處加裝冷卻水套，使得鋼管的溫度保持在較低的值，同時(shí)可以減少回火的發(fā)生。?
由此可以看出，在進(jìn)行燃煤鍋爐改燒高爐煤氣的改造過程中，燃燒器的選擇可以是多種多樣的。而在實(shí)際中具體采用哪一種方式，要考慮包括燃燒器與受熱面的配合，原有爐型的限制等諸多因素后，并對(duì)鍋爐及改造后的爐型進(jìn)行熱力校核計(jì)算后再作出選擇，有條件的通過數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)改造后的流場(chǎng)進(jìn)行分析，對(duì)改造設(shè)計(jì)更有幫助。
