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摘要：随着经济全球化的发展和高炉煤气的产量成倍增加，原有的中、低参数燃用高炉煤气的锅炉已不能适应煤气产量增加的需要，因此开发高温、高压的高炉煤气锅炉已成大势所趋。本文简约介绍了220t/h高炉煤气锅炉的燃烧特性及燃用高炉煤气锅炉的设计及整体布置。
关键词：高炉煤气；锅炉；设计
1前言
我国是一个能源缺乏的国家，又是一个世界钢铁生产大国，据粗略估计，我国高炉的年炼铁能力在1亿吨左右。按每生产1吨生铁产高炉煤气为3x103m3计，则高炉煤气年产量高达3x1012m3，而目前钢铁企业在冶金工艺内部流程中的高炉煤气约占54%，其余均需转换加以利用。高炉煤气由于其超低的发热量且气源压力又不稳定，主要在钢铁企业内部就地转换加以利用。高炉煤气用作动力锅炉燃料已有不短的历史，且在国内中小容量中低参数锅炉燃烧应用中，也积累了不少单烧或掺烧的经验，但随着高炉的大型化使高炉煤气的产量成倍增加，中、低参数燃用高炉煤气的锅炉在容量和能源利用等方面已不能适应煤气产量增加的需要。因此，为了节约能源，充分回收高炉煤气中的能量，保护环境，开发高温、高压燃烧高炉煤气锅炉成为当前节能减排任务中的重中之重。
2燃用高炉煤气对锅炉整体布置的影响
高炉煤气属于气体燃料，高炉煤气锅炉在一定程度上带有燃气锅炉的属性，但也有因其热值特别低（约为天然气的十分之一和焦炉煤气的五分之一）所带来的特殊性，因此，提高高炉煤气燃烧的稳定性和燃烧设备的安全可靠性，以及燃烧高炉煤气锅炉受热面本身特性差异是设计的首要任务和需优先考虑的问题。
对于高炉煤气锅炉，提高燃烧稳定性的措施有：
1）提高炉前煤气的温度；
2）减少或取消燃烧区域的冷却吸热面以提高燃烧区域的温度；
3）选用适合于高炉煤气燃烧的喷燃器。
3高炉煤气锅炉
下面就220t/h高炉煤气锅炉的设计做一简要的阐述。根据提供的高炉煤气资料，其化学组成热值及物理参数如下：
CO=25.255%CO2=19.572%H2=1.07%CH4=0.1%N2=54%QYdw=3341KJ/m3
炉前压力：6.8646KPa
炉前温度：20℃
含尘量：2g/m3
锅炉为单锅筒、自然循环，集中下降管、“n”型布置的全燃高炉煤气锅炉。锅炉采用露天布置。锅炉前部为半开式结构炉膛，全膜式水冷壁。炉顶，水平烟道及转向室设置顶棚管和包墙管。尾部竖井烟道中布置省煤器和空气预热器。
3.1锅筒及汽水分离装置
锅筒采用单段蒸发系统。锅筒内部装置有旋风分离器，清洗孔板、顶部波形板分离器等设备，它们可充分分离汽水混合物中的水和蒸汽，并清洗蒸汽中的盐份，平衡锅筒蒸汽负荷，以保证蒸汽的品质。从水冷壁和上级省煤器出口来的汽水混合物经旋风分离器分离后，水在筒底经导叶盘平稳的流入水空间。蒸汽进入上部的清洗孔板，经清洗后的蒸汽可降低其携带的盐份和硅酸根含量。清洗后的蒸汽在锅筒上部汽空间又经一次重力分离，然后经顶部百叶窗和多孔板再次分离水滴后，以合格的蒸汽品质被引出锅筒进入过热器。
3.2炉膛
在一般情况下，纯燃高炉煤气以火炬方式燃烧的锅炉炉膛容积热负荷可达8.37x105KJ/m3.h以上，大大超过同容量烟煤锅炉的强度，但本锅炉的容积热强度为5.32x105KJ/m3.h与烟煤相当，炉膛断面为7570mmX7570m。考虑到为了保证燃烧的稳定性，同时布置足够的蒸发受热面，避免使用烟道蒸发器，确保过热器壁温在许可的范围内，且炉膛高度和尾部竖井也能得到协调。炉膛设计成半开式炉膛，在炉膛中部设计一个缩腰，将炉膛分成上下炉膛，膜式壁结构，下炉膛布置燃烧器和敷设卫燃带，上炉膛为冷却室。采用缩腰的目的在于改善下炉膛的火焰充满度，提高燃烧区的热强度，强化燃烧。敷设卫燃带的目的，除减少炉膛的吸热外，还对煤气空气混合物着火前有一定的辐射预热作用。此外，卫燃带的增减可调节炉膛出口温度和过热蒸汽减温幅度。
3.3燃烧设备
本锅炉采用双旋涡流式燃烧器，分三层布置在炉膛下部燃烧室前后墙上，共18只，其中前墙三层9只和后墙二层6只共15只为高炉煤气主燃烧器。后墙最上层共3只为油燃烧器，用于锅炉启动过程中稳定负荷。锅炉采用焦炉煤气作为点火燃料，点火装置采用简单手动型高能点火枪，根据需要共布置9支，其中下排高炉煤气燃烧器前后墙各3支，后墙上排油燃烧器3支。
3.4水冷壁
锅炉的水冷壁采用φ60X5的管子加扁钢焊接成膜式水冷壁，炉膛水冷壁的重量通过上集箱用吊杆悬吊于顶部梁上，后水冷壁由穿过水平烟道的引出管悬吊于顶部梁上。整个炉膛受热后一起向下膨胀。水冷壁外侧四周沿高度方向每隔3m左右设置一圈钢性梁，以增加水冷壁的刚度，同时承受炉内烟气压力的一定波动。后墙水冷壁在炉膛出口处向内凸出形成折焰角，以改善炉膛上部空气动力场。前后墙水冷壁下部内折形成带有15°倾角的平炉底。
3.5煤气加热器及空气预热器
用空气预热器加热空气在动力锅炉中被广泛采用。为了能确保高炉煤气的稳定燃烧。本锅炉配置了立式空气预热器，单级单行程布置。空预器管为φ40X1.5mm的薄壁碳钢管，横向节距为60mm，纵向节距为40mm。烟气为管内纵向冲刷，空气为管外横向冲刷。为防止空气预热器的震动，在管箱中装有防震隔板。本锅炉配置了分体重力式热管煤气加热器，加热燃料能有效地改善着火条件。对高炉煤气锅炉而言，加热燃料的意义更大。高炉煤气的理论空气量仅为0.6m3/m3（标准状态），煤气量是空气的1.6倍，所以加热煤气的效果比空气要好。本锅炉配置了煤气加热器，使煤气温度提高到190℃，且采用分体式加热器密封性好，避免了整体热管冷热段之间隔板的泄露。
3.6混合式省煤器
在尾部竖井中布置沸腾式省煤器是本锅炉不同于常规锅炉的又一特点。省煤器装设在尾部烟道竖井中，双级布置，水与烟气呈逆流。上、下两级省煤器均顺列布置。上级省煤器为单管圈，下级省煤器分两组为双管圈，上下级省煤器均由蛇形管组成。上级省煤器为沸腾式，沸腾度为20%，给水经下级省煤器加热后，进入上级省煤器加热后成汽水混合物引入锅筒后侧的旋风分离器。与相同容量参数的烟煤粉炉相比，高炉煤气由于燃烧理论温度低，即使高炉煤气预热到180℃时其值也只有1300~1500℃。炉膛黑度只有煤粉炉的65%，所以炉内辐射传热相对较弱，虽然炉壁沾污系数是煤粉炉的1.5~1.6倍，但炉内吸热远远低于煤粉炉，仅为煤粉炉的60%左右（尽管炉膛出口烟温比煤粉炉降低了约100℃）。为了弥补蒸发吸热量的不足，除了抬高炉膛，布置对流蒸发受热面外，在高压自然循环锅炉中布置部分沸腾和部分不沸腾的混合式省煤器有较大的经济性和实用性。沸腾部分的汽水混合物进入锅筒中的汽水分离器，非沸腾的热水用作高压锅筒中的清洗水。
参考文献：
[1]赵振宁，张清峰，赵振宙.电站锅炉性能试验原理方法及计算[M].北京：中国电力出版社出版社，2010.
[2]韩昭沧.燃料及燃烧[M].北京：冶金工业出版社，2004.