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1、前言
    貴州某鋼廠動力分廠的75 t/h煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐，存在飛灰可燃物及排煙溫度較高、排粉機磨損嚴重等問題。為改善鍋爐運行狀況，提高鍋爐運行的安全性和經濟性，決定對鍋爐進行技術改造。
    高爐煤氣(BFG)是煉鐵的付產品，主要可燃成分是CO，不可燃成分是惰性氣體、C02及N2。CO的體積成分一般在30%左右，發熱量不高，一般低位發熱量為3 000~4 000 kj/m3。由于高爐煤氣內含有大量氮氣和二氧化碳，燃燒溫度低、速度慢，燃用困難。而生產生活中需要的蒸汽負荷與煉鐵中產出的高爐煤氣隨時間變化的規律不一致，為滿足生產經營的要求，最經濟的方式是實現摻燒高爐煤氣。然而，高爐煤氣和煤粉是兩種性質完全不同的燃料，要想讓兩者都能得到充分的燃燒，需要考慮爐膛熱力參數、燃燒器的結構與爐內空氣動力工況、鍋爐運行參數等諸多因素。
2、燃料及設備簡介
    該鍋爐為B&WB-75/3. 82-MQ型鍋爐，主要設計參數如下：額定蒸發量75t/h，過熱蒸汽壓力3. 82 MPa，鍋爐工作壓力4.22 MPa，過熱蒸汽溫度450℃，給水溫度104℃，排煙溫度180℃．鍋爐設計熱效率87.35%，燃料種類為煤、高爐煤氣混燒；燃消耗量9604 kg/h。鍋爐制粉系統為中間儲倉，乏氣送粉，燃燒器四角布置切向燃燒，分為煤粉燃燒器和高爐煤氣燃燒器，煤粉燃燒器一次風分散布置，高爐煤氣燃燒器為半預混式。
    爐膛斷面尺寸為：5450 mm x5450 mm。假想切圓直徑∮550mm。
表1和表2分別為該鍋爐設計的煤粉和高爐煤氣的成分及有關參數。
富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料。
3、存在問題及原因分析
    該鍋爐長期存在飛灰可燃物較高、排煙溫度較高、排粉風機磨損嚴重等問題。通過改造前的冷態試驗以及長期的運行經驗表明，其主要原因在于高爐煤氣的摻燒量較設計值高了很多，具體原因分析如下：
3.1  高爐煤氣的摻燒量對燃燒的影響
    從表1和表2煤粉和高爐煤氣的成份分析可以看出，高爐煤氣的熱值比煤粉的低位發熱量低得多，這樣，當高爐煤氣的摻燒量增大后，爐內混合燃料的發熱量就會降低，經計算可以得出高爐煤氣的不同摻燒量下，混合燃料的低位發熱量見圖1所示。隨著高爐煤氣的摻燒量不斷增大，混合燃料的低位發熱量下降很快，從而導致爐膛溫度水平的顯著下降，嚴重影響爐內煤粉的燃燒。從圖1中可以看出，當煤氣熱量摻燒比從0%增加到30%時，混合燃料的發熱量就從18.175 MJ/kg下降到7.36MJ/kg。
    另外，高爐煤氣燃燒時的理論燃燒溫度比高熱值的燃料低得多，一般煙煤、油和天然氣的理論燃燒溫度約1 800～2 200℃，而高爐煤氣的理論燃燒溫度為1 149℃。由于高爐煤氣的理論燃燒溫度低，因而爐內火焰的輻射能力較弱，與煙煤相比，相同條件下高爐煤氣的爐內傳熱能力約低59%。因此爐膛的吸熱能力減弱，更多的熱量只能在鍋爐的過熱器和再熱器等部分被吸收，從而容易造成爐尾的煙氣超溫以及排煙溫度較高。
3.2  高爐煤氣的摻燒量對爐膛煙氣的影響
    高爐煤氣量增大以后，送入爐內的吸熱性介質增多，煙氣的熱容量增大，火焰中心的溫度水平下降，火焰中心的位置上移，導致煤粉在爐內的停留時間縮短，從而造成煤粉的不完全燃燒。摻燒比越高則煙氣量越大，熱焓越高流速也越高，但傳熱系數和煙速的0. 64~0.8次方成正比，所以鍋爐排煙溫度隨高爐煤氣的熱量摻燒比的增大而升高，實際的排煙體積增量因為溫度的修正而更大。
3.3高爐煤氣的摻燒量對飛灰可燃物含量的影響
    高爐煤氣的摻燒量增大后，混合燃料的理論燃燒溫度降低，嚴重影響了爐內煤粉的燃盡；高爐煤氣在爐內的燃燒滯后，因此在爐內搶奪與煤粉燃燒的空氣，也造成煤粉的不完全燃燒，從而增大了飛灰可燃物的含量；另外，爐膛煙氣量的增加，導致煙氣在爐膛內的流速增大，煤粉在爐內的停留時間縮短，也影響了煤粉的燃盡。特別是當高爐煤氣的摻燒量較大時，存在的大量惰性氣體阻礙可燃成分與空氣的充分混合，減緩燃燒化學反應速度和火焰傳播速度，使爐內的高爐煤氣“搶風”，導致煤粉燃燒初期的氧量不足，從而增大了飛灰可燃物的含量，如圖2所示。從圖2中可以看出，當高爐煤氣的摻燒量低于22000m3/h時，飛灰可燃物可以控制在10%以內，當高爐煤燒量大于35000m3/h時，飛灰可燃物含量一般都大于20%。
3.4該爐投入運行后，煤粉摻燒發生了較大的變化，導致制粉系統出力不足，以及排粉風機磨損嚴重的問題。
4、改造措施
    通過以上的分析，可以看出，高爐煤氣的摻燒對爐內燃燒產生了很大的影響，因此對該鍋爐的改造應針對高爐煤氣的特點進行。當大量混燒高爐煤氣時，由于高爐煤氣的熱值低，在爐膛底部燃燒釋熱極少，當遇高溫煤粉火焰時，大量高爐煤氣才開始充分燃燒，燃燒放熱集中在爐膛的中上部，造成爐尾煙氣超溫。對鍋爐的安全運行造成威脅。針對這種情況，其改進方法可考慮強化高爐煤氣在鍋爐爐膛底部的燃燒，使鍋爐高溫帶下移。措施是使燃燒器盡量下移，由于實際位置的限制，對于煤粉燃燒器部分，標高相比改前下移180mm，對于煤氣燃燒器部分，標高未能下移，煤氣燃燒器結構、尺寸等未作改動；另外，由于高爐煤氣摻燒量的影響，導致爐膛燃燒溫度下降，造成煤粉的不完全燃燒，飛灰可燃物增大，以及燃燒效率下降，采取的措施是，強化煤粉的燃燒，應用穩燃腔煤粉燃燒器。即在兩個一次風前加裝穩燃腔煤粉燃燒器以強化著火、穩定燃燒。穩燃腔燃燒器是將一個三棱柱鈍體置于一腔體內，腔體與一次風管連接，如圖3所示。穩燃腔燃燒器的原理及特點請參閱參考文獻。
5、改造效果
    對鍋爐進行上述改造后，經運行證明，燃燒很穩定，無論高爐煤氣的摻煤量是多大，都能保持鍋爐的負壓運行。另外，鍋爐帶負荷能力很強，在高爐煤氣的摻燒量較高的情況下，飛灰可燃物及排煙溫度比改造前大大降低。
    (1)鍋爐帶負荷能力
    試驗發現，該爐運行時的帶負荷能力很強，可大大超鍋爐的額定出力，純燒氣時，54 000m3/h的氣量可帶50 t/h，配合4臺給粉機運行可帶80 t/h。從試驗數據分析，每10 000m3/h的氣量可帶約8.5t/h的負荷。
    (2)鍋爐燃燒效率的明顯改善
    對鍋爐改造前和改造后的試驗數據取純燒煤粉和高爐煤氣的熱量摻燒比為25%這兩種工況進行對比分析，見表3示。
    從表3可以看出，鍋爐改造后的燃燒效率比改造前有了明顯的提高。
    (3)運行建議
    當高爐煤氣的摻燒量在10 000~ 20 000m3/h之間（即熱量摻燒比在14%~28%之間）時，鍋爐的飛灰含碳量可以控制在8%以內，燃燒效率最低降到88%。屬于比較理想的混合燃燒。
    當高爐煤氣的摻燒量大于20 000m3/h時，飛灰可燃物明顯增加，鍋爐燃燒效率的顯著下降，建議該鍋爐的高爐煤氣摻燒量控制在10 000~ 20 000m3/h之間，如果有剩余的高爐煤氣，考慮其他鍋爐的摻燒。這樣，既可以保證鍋爐的穩定高效燃燒以及高爐煤氣的合理使用，也可以創造更好的經濟效益。
6、項目經濟效益核算
    該項目總投資574萬元，其中設備費198萬元，儀表、自控系統102萬元，施工（包括主材等）254萬元，其他20萬元。
    創造效益：
    直接經濟效益
    每年減少高爐煤氣放散：
    5.4x24x365 x90%=7 884萬m3/a
    按發熱量折合動力煤：
    1.8 x7 884=14 191 t/a
    1.8為煤氣折合動力寬系數。
    降低鍋爐灰渣含碳量10%（由原來的30%下降到20%）節煤：4.5x30%×33%×24×365×90%=3512t/a
    4.5為鍋爐小時用煤量，30%為原煤含灰量．33%為灰渣含碳量下降百分比，90%為鍋爐運行率。
    創總效益：
    (14 191+3 512)×104.8=185.5萬元/a
    (2)間接經濟效益
    鍋爐改造后燃燒穩定，適應煤種和負荷能力強，滿足生產蒸汽的需要，解決了煤資源相對不足的問題。高爐煤氣使用量達到5萬m3／h（摻燒比例為60%），飛灰含碳量在摻燒比例30%以下時低于20%，便于實現灰渣的綜合利用，有一定的環保效益。同時減少動力煤消耗量，相對提高了噴煤能力，為高爐創造了一定的間接效益。
7、結論
    (1)隨著高爐煤氣的摻燒量增加，混合燃料的低位發熱量、理論燃燒溫度都下降，導致煤粉的不完全燃燒，飛灰可燃物含量上升，鍋爐效率下降；另外，煙氣量增大，煙氣在爐膛內的流速增加，煤粉在爐內的停留時間縮短，也造成煤粉的不完全燃燒，鍋爐的燃燒效率下降。
    (2)正確選擇和布置燃燒器對形成良好的空氣動力場至關重要。
    (3)綜合考慮各種影響爐內燃燒的因素，我們認為高爐煤氣的最佳摻燒量為10 000~ 20000m3/h之間，既可以保證鍋爐的穩定高效燃燒以及高爐煤氣的合理使用，也可以創造更好的經濟效益。