燃油锅炉改烧天然气应用分析

王 潇

（杭钢动力公司紫云 杭州）

一、概述

杭钢电炉公司拥有1台套VD真空精炉，配套1台蒸发量14 t/h，压力2 MPa德国原装进口的燃轻柴油整装锅炉，产生的蒸汽用于VD炉抽射真空，在高质量钢生产中发挥着重要作用。

1.抽真空工艺过程

VD真空精炼采用蒸汽喷射抽真空，5级增压泵串连，另在第四、第五增压泵旁各并联1台辅助增压泵，以提高抽射效果（图1）。

VD炉装好钢水盖上盖子后，如锅炉运行正常，蒸气压力达到1.45 MPa，蒸气温度220℃时，即可启动抽真空流程（表1）。当真空度达到-0.04 MPa时，再选取“standard（标准）”模式（表2）。系统自动停止 E5a、E4a，启动 E5（E4 不变），E3、E2、E1 按所列真空度启动。根据VD工艺要求，自控系统将按模式设定逐一打开蒸汽喷嘴阀门（表3）。

图1 抽真空处理工艺过程简图

表1 各级泵按所列真空度自动启动

表2 standard模式

表3 各阶段蒸汽耗量及工作持续时间

启动快速模式，废气进入管道之后，通过增压泵加压，到1个大气压时E5a启动，此时蒸汽流量达到4 t/h，系统运行3 min。之后真空度到-0.04 MPa时，E4a和E4同时启动，进入快速模式工序2，在这一工序中，蒸汽流量达到8 t/h，系统运行时间2 min；系统真空度逐渐下降到-0.01 MPa时，启动标准模式，此时系统自动停止 E5a、E4a，启动 E3、E5（E4 不变），这一阶段的蒸汽流量为8 t/h，运行2 min。当真空度达到-0.0024 MPa时，启动 E2 泵，此时 E5、E4、E3、E2 同时运行，这一过程的蒸汽流量为10 t/h，运行1 min后，真空度下降到-0.0012 MPa，启动E1，此时 E5、E4、E3、E2、E1 同时工作，蒸汽流量为 12 t/h，系统继续运行到管内真空度为-100 Pa，达到高真空度，这一过程保持15 min，此时整个抽真空过程完成，用时23～25 min。

2.燃油锅炉油消耗情况

根据锅炉的运行情况，在现场实测了负荷变化情况。由于现场没有蒸汽流量表，用轻柴油消耗来表征锅炉的负荷变化情况。实测结果表明，VD炉运行周期为30～40 min（包括VD炉装料时间），由于VD炉装料期间，蒸汽消耗接近零，锅炉就得关闭燃烧器，待下一炉抽真空时再开启，所以停开机较频繁。频繁的停开机以及停开机过程可能出现的误动作易造成事故，所以对机组的控制、安全性能要求较高。

二、燃油锅炉改烧天然气的必要性和可行性

目前，VD炉以轻柴油作为锅炉燃料，根据2010年以来电炉VD钢生产情况及轻柴油消耗量统计，燃油成本在加速上升，目前轻柴油市场上的价格已经达到9000元/t。不断上升的燃料成本，给电炉生产成本带来了很大的压力。现在厂区附近新建的杭钢天然气母站及加气站项目，为锅炉改烧天然气带来机会。

1.从经济角度分析

轻柴油可产生4.3 MJ/kg热量，天然气可产生3.6 MJ/m3的热量，但轻柴油价格9元/kg，而天然气价格4元/m3，折算到同等热值后价格是1∶1.88。从燃料成本考虑，油改气可节省40%～50%的燃料费用。

2.从技术角度分析

天然气与轻柴油同属高热值燃料，燃烧所需的空气量，燃烧后的理论燃烧温度，产生的烟气量及烟气成分等都十分相近，所以锅炉的本体部分，如鼓风机、引风系统无需改动，只需对燃烧器进行设计更换就可以达到目的。

三、燃油锅炉油改气技术方案

VD精炼工艺是电炉一道关键工艺，保证蒸汽锅炉的稳定、安全运行是首先要考虑的问题，所以，油改气技术方案要遵循安全可靠、技术先进、节省投资的原则。关键要加强对燃烧器点火、运行、熄火的检查，自动控制和保护设置，同时要考虑与原锅炉PLC控制系统的搭接。

1.燃烧器改造方案

（1）锅炉参数。锅炉数量1台，用于产生蒸汽，锅炉出力14 t/h，蒸气压力1.6 MPa，锅炉热效率（天然气）≥90%，助燃空气温度20℃，主燃料为天然气，低位热值35 579.74 kJ/m3，点火燃料为天然气，供气压力400 kPa，水平布置方式。

（2）燃烧器性能参数。燃烧器品牌hofamat，型号FTQ15e，每台锅炉配燃烧器1套，燃烧器主燃料和点火燃料均为天然气，燃气阀组前供气压力（配减压阀）≥20 kPa，单台燃烧器最大输出功率12.5 MW，单台燃烧器风机电机功率30 kW，额定耗气量1150 m3/h，燃烧器电源380 V/3/50 Hz，燃烧器为分体式结构、比例调节调节方式，（调节比1∶5），燃烧器水平布置，烟气O2含量≤4%，NOx排放量（烟气O2含量为6%时）天然气时≤100×10-6。

2.燃烧器仿真结果及程序控制功能

（1）燃烧器仿真技术。CFD燃烧仿真技术是利用计算机强大的计算功能结合计算流体动力学模拟出燃烧器及锅炉的运行情况（包括炉膛内的温度场、流场、火焰形状及燃烧产物等）。FTQ型燃烧器部分燃气时的仿真结果（图2、图3）。

图2 炉膛内的温度场图

图3 燃烧火焰形状图

（2）燃烧器运行程序控制。根据西门子程控器中固化的程序，燃烧器可全自动点火启动，启动流程：锅炉运行条件验证→燃气压力验证→燃气阀组检漏→大风门炉膛吹扫→风门运行至点火位→点火变压器工作→点火电磁阀运行→点火火焰验证（点火变压器停止）→主燃气阀打开→主火火焰验证（点火电磁阀停止）→负荷比例调节→正常停机→炉膛后吹扫。

3.燃烧器结构及功能

（1）燃烧器结构。燃烧器为T形分体式结构，此系列燃烧器其助燃空气分为4部分：第一部分从燃烧器风箱由软管引入到中心导管，以降低火焰的中心温度。第二部分被导入内层中心区，由于此区域的助燃空气量小，流速低，又称为中心低速空气区，在此区域助燃空气与燃料混合以达到稳定燃烧的目的。第三部分被分配到中间层的旋流区，此区域的助燃空气在经过一组弧形叶片后，产生了一个较大的切向分速度，故称为旋流区，由于此区域的助燃空气动量大，以达到充分混合的目的。第四部分速度增大并完全沿火焰稳定器的轴向流动。内层中心稳定区配有一个可调节的空气进口，在燃烧器工作时，可以从外部对空气进口进行调节以调节内层中心的空气量。此系列燃烧器的燃气利用3组独立的喷嘴输入。第一组喷嘴位于内层中心管内，确保火焰的稳定性不受燃烧器负荷与总的过量空气条件的影响。第二组喷嘴设置在回流区内。第三组喷嘴设置在高强度的轴流区内，这样布置的目的在于降低氮氧化物及其他污染物的排放。

此系列燃烧器的特点是每个气体喷枪均可以在线单独地调节。通过独立的气枪后部阀门可以调节每根气枪中燃气的流动速率，同时还可进行燃气喷射角度调节以及轴向平移气枪。这些动作均可在不停炉情况下快速调节，以达到燃烧的最优化，从而有效的控制在特定的炉膛结构内NOX和CO的生成。

（2）火焰监测器。火焰监测器为燃烧器的安全部件，采用进口SIEMENS零部件。该型火焰检测器采用紫外线光敏元件，探头前端装有防尘镜片，对入射光不作聚焦，直接检测，火检外用石英玻璃罩进行隔热保护，适用于该型燃气、燃油燃烧器的火焰检测。该型燃烧器装备有2只火焰检测器，1只检测点火火焰，1只检测主火火焰。

（3）控制柜。控制部分为燃烧器的中枢神经系统，该控制箱装有以西门子生产的程控器为核心的控制系统，能对燃烧机实行自动和手动及对锅炉压力实行控制，通过蒸汽传感器，反馈锅炉蒸汽压力信号至控制器，可以实现负荷的连续监测和调节，优化燃烧状况，风机使用原风机，风机控制也使用原控制电路。主电源3相～380 V/50 Hz，控制电源220 V/50 Hz。

面板上装有各种控制开关、按钮以及电源、运行、报警指示灯等。控制箱内部装有程序控制器、继电器、热过载、变压器、接触器及断路器等。通过控制系统，燃烧器可实现控制燃烧器操作。就地控制柜所控设备的所有状态信号以及压力开关、调节阀、火检等信号都可以显示在面板上，并与原控制箱实现对接，将信号通过控制箱传送至集控室。集控室的控制运行人员对现场设备运行情况一目了然（表4）。

表4 控制系统联锁保护功能表

（4）燃气电磁阀及执行器。燃气电磁阀是燃气系统中关键的部件。SIEMENS安全切断阀流量大，压力损失小。通过组合不同的执行器达到不同的控制功能，它不仅能达到完全切断，还能综合调节、气动调节、比例调节等功能。通过阀后的压力反馈，保证阀出口的压力稳定。

四、改造费用及经济分析

1.改造费用

改造费用包括设备、材料、设计、施工等（表 5）。

2.经济分析

设定分析条件：生产电炉钢65万吨，VD比65%，即VD钢生产42.25万吨。轻柴油、天然气价格按现行价格。吨VD钢消耗轻柴油按2.91 kg/t,并按热值换算成天然气消耗，锅炉效率同是90%。锅炉油改气，除去新增加的改造费用，不需要增加其他成本，以此基础测算效益和投资回收期。分析结果见表6。

表5 改造费用

五、小结

燃油锅炉改为燃气锅炉主要是为了节省能源，降低使用费用，减少环境污染。改造过程中，必须要注意燃油锅炉的燃烧器、点火和隔热等方面的设置，确保这些设置的安全性和使用的方便性。燃气锅炉工作过程中需要燃烧发热量高的燃气，这个过程中空气用量大，要使燃气能充分燃烧，需要大量的空气与之混合。燃气的燃烧过程没有燃油的雾化过程与气化过程，所以燃气锅炉的工作必须要确保隔热的控制，避免出现锅炉安全问题。

表6 分析结果