烧结环冷机余热锅炉补燃装置设计方案

摘要：钢铁行业是高能耗行业，同时也是对环境污染较严重的行业。随着经济社会的发展以及对生存环境日益提高的要求，国家对钢铁行业提出越来越严格的资源、能源与环保要求。本文针对钢铁厂烧结工序的连续性和稳定性对余热发电的影响，设计了一套余热锅炉补燃装置系统，并对该系统的设计条件、思路、原理和工艺作用等方面进行了分析。

关键词： 烧结环冷机；余热锅炉；补燃装置；高炉煤气；设计方案

一、项目概况

烧结环冷机余热发电是通过环冷烟气低温余热锅炉回收烟气的低品味余热能源，结合低温余热发电，用余热锅炉的过热蒸汽来推动低参数的汽轮发电机组做功发电的最新成套技术。

由于烧结工况经常变动，环冷机烟气温度不稳定，对烧结环冷机余热锅炉的运行影响很大。当烧结负荷较低时，烟气温度偏低，余热锅炉无法达到核定负荷，效率降低，甚至无法正常运行。为了提高烧结环冷机余热锅炉的利用效率，使余热锅炉在烟气温度较低时也能正常运行，有必要在余热发电系统中增设补燃装置，提高锅炉入口烟气温度，增加发电能力。本方案在锅炉进口烟道中增设补燃装置，采用高炉煤气作为补燃燃料，并采用焦炉煤气点火和稳燃。

二、基本资料

烧结余热发电系统（以360m2烧结机为例）使用了环冷机两股高温段余热烟气，分两个通道进入余热锅炉。烟道内气体主要成分是空气和粉尘，温度为300～400 ℃，流速约为18 m/s，负压-700～-1100 Pa。

本方案设计的补燃装置采用高炉煤气为主要燃料，压力5000 Pa，主要成分：CO=23%、H2=3%、CO2=23%、N2=51%，低位热值=3302 kJ/Nm3。点火及稳燃采用焦炉煤气，主要成分：CO=6%、H2=58%、CO2=3%、CH4=27%、N2=6%，低位热值=17920 kJ/Nm3。

三、 设计方案

1、总体方案。对原有烟道进行适当改动，在余热锅炉入口烟道里增设补燃装置，采用高炉煤气作为主要燃料、焦炉煤气作为点火和稳燃燃料，如图1所示。燃烧产生的高温烟气与烟道中的热空气混合，使余热锅炉入口烟气温度升高。每个烟道中的补燃装置设计总燃料量为25000 Nm3/h，共采用4台燃烧器，单台燃烧器设计高炉煤气燃料量为13000 Nm3/h，单台燃烧器的焦炉煤气设计使用量为200 Nm3/h。

2、补燃炉布置。为保证热烟气与进口烟道中余热废气充分混合，补燃炉出口需要一段足够长的混合段，为防止高温烟气直径冲刷烟道壁，将烟道截面积进行加大，如图1所示。

烟道内原有十字形支撑架，为防止高温烟气对支撑架的损坏，拆除燃烧器后10 m范围内的支撑架，改为"回"形支撑架，并在烟道外增设加强肋。为方便安装施工，本方案提供的补燃炉自带支撑底座。

图1 余热锅炉补燃装置示意图

3、燃烧器设计。高炉煤气热值低，仅为焦炉煤气的1/5，天然气的1/10。高炉煤气中的可燃气体含量很低，主要是CO，此外是大量的CO2和N2等惰性气体。因此，高炉煤气的具有以下燃烧特性：

（1） 着火性能很差，不易稳燃。高炉煤气的理论燃烧温度较低，仅为1200～1300 ℃，只有燃煤的60%，故炉膛温度低，燃烧火焰不稳定、易产生脉动和脱火。

（2） 燃尽性能很差。大量惰性气体的存在，阻碍可燃成分与氧气混合接触，加上燃烧温度较低，化学反应速度慢，需要更长的燃烧时间和更剧烈的扰动才能使高炉煤气燃烧完全。

（3） 理论空气量少，仅为0.62 Nm3/Nm3，总空气量约为同类型燃煤锅炉的70%；烟气量大，是同类型燃煤锅炉的1.7倍左右。

为了保证高炉煤气的稳定燃烧和燃尽，需要采用必要的强化燃烧措施，否则可能发生炉膛爆炸、熄火等事故，未燃尽的CO也会造成很大的安全隐患。强化燃烧的措施主要包括：燃料和空气预热、部分预混、加强后期扰动、增加燃料在高温区的停留时间、炉膛绝热、采用蓄热材料、采用稳焰器或钝体等稳燃装置，等等。

本方案采用双旋流燃烧器，其中空气和高炉煤气都采用旋流方式，以加强混合和后期扰动，中心管为焦炉煤气，用于点火和稳燃，头部设有稳焰器，高炉煤气管道缩进喷口一段距离，作为预混段。该燃烧器具有以下特点：

（1） 高炉煤气和空气均采用旋流，对混合物充分扰动，使燃料和空气的混合程度增强，燃尽度高。

（2） 燃烧器有一段预混段，使空气和高炉煤气部分混合，促进高炉煤气燃尽。

（3） 稳焰器既能够形成高温烟气回流区，又有高温辐射层，起到点火板的作用，具有稳燃功能。

（4） 采用绝热炉膛，炉膛内温度达到1100度以上，燃料在高温区的停留时间超过0.5 s，保证高炉煤气充分燃尽。

（5） 采用焦炉煤气作为点火和稳燃，在燃烧器出口处形成"值班火焰"，确保不熄火。

4、混合装置及数值验证。补燃炉产生的烟气温度可达到1000℃左右，如果不能有效与烧结废气混合，则会使烟道弯头、阀门和余热锅炉换热器等部位超温。为保证安全，必须确保高温烟气与烧结废气有效混合，消除局部高温。

本方案中的补燃炉出口处采用了特殊设计的混合装置，添加了多块扰动挡板，见图2所示。该装置增加了高温烟气与烧结废气的接触面积，同时增强炉膛出口高温烟气的湍流度，提高混合强度。另外，扰动挡板使高温烟气向烧结废气侧卷动，更有利于两者混合。

图2 补燃炉出口截面混合装置示意图

为了验证本方案设计的混合装置效果，我们进行了CFD数值模拟，考察混合效果。几何模型如图3所示。

图3 烟气混合数值计算的几何模型

为提高计算精度和效率，采用结构化的六面体网格对几何模型进行网格划分，并在出口处进行网格局部加密，如图4所示，网格总数为63万。

图4 烟气混合数值计算网格划分

在计算中，湍流模型采用精度较高的RNG k-e模型，辐射换热采用P1模型，速度场和压力场耦合采用SIMPLER算法。收敛标准为所有项目残差小于10-6。

图5为计算得到的温度场分布，可见在扰动档块的作用下，补燃炉出口的高温烟气迅速与低温的烧结废气混合。离补燃炉出口5m后的区域内，温度场分布趋于均匀，5m处混合烟气的峰值温度为505 ℃。

图5 温度场分布示意图

图6为距离补燃炉出口不同距离处，混合烟气的径向温度分布情况。数值模拟结果表明，在距离补燃炉出口1.5m、2m处，烟气管道的温度分布很不均匀，中心温度达到900℃以上。随着距离的增加，混合逐渐加强，距离出口5m处时，温度分布已趋向于均匀，中心峰值温度降为500℃左右。5m和6m处管道内烟气温度分布相差不大。可见，5m的混合长度对于本方案已足够。

图6 距离补燃炉出口不同距离处的径向温度分布

值得注意的是，本方案的数值模拟工况选取较保守，计算时补燃炉出口烟气温度为1050℃，超过了补燃炉在最大负荷下能够达到的极限温度，高温烟气流量也采用了最大负荷时的数值。另外，数值模拟时，假设高温烟气与低温烧结废气在进口处速度分布均匀，而实际上会有波动和不均匀，对混合是有帮助的。因此，综合以上几个因素，本方案计算得到的所需混合长度肯定大于实际值，有较大余量，能够确保安全。

5、性能保证。本方案中设计的补燃装置能够保证达到以下性能指标：

（1） 燃烧器能够在50%～100%负荷范围内正常运行。

（2） 燃尽度高，补燃炉尾部出口CO低于1%，保证人身安全。

（3） 燃烧稳定，不脱火、不回火、不熄火，炉膛不结渣，运行可靠。

（4） 补燃炉高温烟气与原烧结废气能够有效混合，废气烟道、除尘器、阀门和余热锅炉换热器不发生超温危险。

四、结束语

在本方案中，对烧结余热发电系统进行改造，在余热锅炉进口的两个烟道中增设补燃装置，以克服烧结工况不稳定引起的进口烟气温度过低的问题。

本方案设计的补燃装置具有燃烧稳定，不脱火、不回火、不熄火，炉膛不结渣特点，能保证进入余热锅炉的烟气中CO浓度在安全范围内，并保证高温烟气与烧结废气充分均匀混合，安全可靠。

本方案设计的补燃装置在补燃后进入余热锅炉的烟气量和温度都升高，补燃装置单台燃烧器设计燃料量为13000 Nm3/h时，烟温升高30 ℃至100 ℃，计算可提高发电量2.25MW，效果显著。

参考文献

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