燃气锅炉改烧天然气的尝试

吴松林，邓先录

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南衡阳 421001）

引言

衡阳华菱钢管有限公司（以下简称华菱衡钢）有一台SHS25-1.27/270-Q型以高炉煤气为燃料的燃气锅炉，为江西江联能源环保股份有限公司制造，负责华菱衡钢炼钢分厂VD炉以及其他用户的蒸汽供应，该锅炉运行的正常与否直接影响着炼钢分厂的生产状况。

华菱衡钢因单台高炉需大修2个月，全司高炉煤气供给中断，该燃气锅炉将因无燃料而被迫停炉，炼钢分厂VD炉精炼的高效钢种将因没有蒸汽无法生产。咨询相关锅炉厂商关于该燃气锅炉改烧天然气改造事项，答复配件加工及改造工期一起需要半个月以上，其费用高达近百万元，且燃烧器改造成烧天然气后，当高炉正常时烧高炉煤气时，热效率会降低。

1 燃气锅炉主要结构特点及技术参数

1.1 锅炉的结构特点

（1）本锅炉采用双锅筒横置式自然循环结构形式，炉前部为炉膛，炉膛四周布满水冷壁管，炉膛出口水平烟道设置过热器、对流管束，尾部竖井烟道中布置两级省煤器、空气预热器，炉膛中部布置蓄热稳燃器；

（2）本锅炉共设置八个高炉煤气燃烧器，为整体式燃烧器，控制方式为机械比例调节。采用四角布置，上下布局（见图1），下层燃烧器设有天然气点火装置。

图1 原燃烧器实物图

1.2 锅炉的技术参数

型号：SHS25-1.27/270-Q型燃气锅炉;

设计燃料：高炉煤气;

额定蒸发量：25 t/h;

过热蒸汽压力：1.27 MPa;

过热蒸汽温度：270℃;

给水温度：104℃。

2 改造实施

2.1 改造方案的特点

（1）原高炉煤气燃烧器结构不改变

高炉煤气为华菱衡钢高炉炼铁的副产品，天然气需外购，高炉大修完成后，该锅炉将恢复使用高炉煤气作为燃料。

（2）锅炉的受压元件不改变

锅炉为特种设备，其受压元件均经相关安全监督部门检测合格后才能投入使用。

（3）炉膛的主体结构不改变

炉膛的主体结构发生改变可能会影响锅炉的安全性和运行的稳定性，给生产带来较大的隐患。

3 改造主要技术内容

3.1 燃烧器的改造

3.1.1 燃烧器的结构特点

该燃烧器为环缝旋流燃烧器（如图2），分内外两层，内侧走高炉煤气，外侧走空气，出口端设置了混合器和混合段，在燃烧器中间布置了一根φ60天然气管，该管作点火时用。正常运行时，高炉煤气从煤气管和中心天然气管之间的环缝中流出，与蜗壳配风器产生的旋流空气在混合段强烈混合，混合器以22 m/s左右的速度喷进炉膛，卷吸炉膛内的高温烟气迅速燃烧。

图2 环缝旋流燃烧器

3.1.2 额定负荷下热负荷计算

锅炉设计燃料成分（纯高炉煤气）如下：

CO2：17.5%;CO:24.5%;H2:1.5%;CH4:0.5%;N2:56%;Qydw:3265.7kJ/m3;灰＜10 mg/m3。

根据设计燃料：

单个燃烧器的出力为：2810.6 m3/h；

空气出口速度为：23 m/s；

高炉煤气出口速度：32 m/s；

混合气后部速度：22 m/s；

锅炉燃料消耗量：22485 m3/h。

华菱衡钢高炉煤气CO的实际含量基本稳定在23%左右，以及锅炉随着使用年限的增长，热效率的衰减，该锅炉在达到额定蒸发量时的实际高炉煤气消耗量接近24000 m3/h。华菱衡钢高炉煤气的热值约为700 kcal，则锅炉达到额定蒸发量所需的热量为：

天然气的热值约为8000 kcal，则根据能量平衡，理论所需天然气的量为：

每个燃烧器的平均流量约为：

3.1.3 管道流速计算

该锅炉每个燃烧器点火用天然气管道内径为φ60，天然气压力为 0.3 MPa（即为 3 bar），由公式（3）可知，管道流量525 m3/h，则由公式:

流量（Q）=截面积(S)×流速（v）×绝对压力（P）（4）

根据《城镇燃气设计规范》GB50156-2006，中压天然气管道（0.2～0.4 MPa）最高流速为20 m/s，则φ60管道能满足燃烧器所需的天然气输送要求。

3.1.4 天然气燃烧器设计

现用天然气燃烧器直径为60 mm，由12个4 mm的喷射孔组成，根据现场测试，现天然气燃烧器正常使用时的流量约为150 m3/h；如天然气消耗量增加至525 m3/h，则喷射孔的面积需增加3.5倍以上才能满足需求。

通过重新加工天然气燃烧器（如图3），直径为60 mm，4 mm喷射孔由原来的10个增加到50个，并通过焊接安装到原燃烧器上。

式中Q-525 m3/h=0.146 m3/s；

D-60 mm；

P-4 bar；

图3 改造前后燃烧器

3.2 调节阀的改造

3.2.1 调节阀选型

燃烧器控制方式为机械比例调节，每个燃烧器天然气管道上仅安装调压阀（或称减压阀），无流量调节阀。锅炉的负荷是根据炼钢分厂等用户的需求变化的，则需在天然气管道上加装带切断功能的调节阀以能及时调整锅炉的负荷。通过对管道管径、气体压力等级、阀门结构形式和现有高炉煤气调节阀控制方式等进行分析，最终选择通径DN60、压力等级PN6、结构形式为蝶阀、控制方式气动且带切断功能的调节阀。并将原高炉煤气调节阀的控制系统接入到新安装的天然气流量调节切断阀上，同时将火焰检测器、锅炉系统压力、水位等信号与调节切断阀联锁，确保异常情况下能及时切断天然气。

3.2.2 调节阀调试

天然气调节阀改造完成，以及其他相关改造完成后，系统点火试运行，逐步将天然气调节阀的开度调至100%，同时观察各天然气通道的流量（每根天然气管道装有流量计），通过调节减压阀，确保各通道在的流量在525 m3/h左右。在调试完成后，各通道天然气的减压阀后的压力基本稳定在50 kPa。

3.3 空燃比的计算

3.3.1 理论空燃比的计算

天然气的主要成分为CH4，燃烧时将化学能转化为热能，并产生大量的烟气，其燃烧的化学方程式为：

高炉煤气的主要可燃成分为CO，其燃烧的化学方程式为：

由公式（7）和公式（8）对比可知，天然气与高炉煤气的空燃比不同。空气中的氧含量约为21%，则天然气燃烧理论空燃比为：

3.3.2 实际空燃比的计算

天然气燃烧后烟气中的氧含量对燃料燃烧的影响较大。烟气中氧含量过高存在以下害处：

(1)过量的空气会带走大量的物理热，造成不必要的浪费；

(2)过量的冷空气进入炉膛，将降低了炉膛温度，增加燃料的消耗同时；

(3)增加鼓风机和引风机的电耗和机械磨损。

烟气中的氧气含量偏低，会引起燃料不充分燃烧，造成燃料的浪费，增加燃料成本。通常规定锅炉烟气中氧气含量在3%～6%为宜，烟气中氧含量按4%设计。

则实际空燃比为：

3.4 炉膛压力的控制

根据锅炉《烟风阻力计算表》得知，以高炉煤气为燃料时，额定负荷下烟气的体积为65529.9 m3/h；以天然气作为燃料时，由公式（7）得知天然气燃烧后的体积为发生变化，额定负荷下烟气的理论体积为2187×（1+12.8）=30180.6 m3/h。因此，锅炉燃料由高炉煤气改为天然气后，烟气量大幅减少。

根据《烟风阻力计算表》得知，该锅炉炉膛出口设计负压20 Pa，引风机电机功率为110 kW，采用变频控制。炉膛烟气出口安装有压力传感器，引风机根据压力信号自动调节转速，确保炉膛负压。

4 效果验证

4.1 安全性验证

此改造锅炉的受压元件未发生改变，炉膛的结构未发生改变，则锅炉本体的结构未发生改变；在天然气管道上加装了切断调节阀，并与火焰检测器、锅炉系统压力和水位等信号联锁，确保在锅炉在出现异常时能及时切断天然气；天然气管道上安装有减压阀，确保天然气的压力稳定，由公式（10）计算出了合理的空燃比，为防止脱火和回火提供了保证。

4.2 蒸发量验证

在完成燃烧器改造、流量调节阀安装、空燃比设定等工序后，按锅炉开炉操作规程做好准备后，进行点火调试；逐步调试好各个通道的压力和流量；设定炉膛负压为20 Pa；通过调整天然气调节阀开度，即调节天然气流量，来调整锅炉的蒸发量已适应用户负荷的变化，经长时间跟踪和测试，当四个天然气调节阀开度全开时，天然气总流量为2110 m3/h，锅炉的蒸发量为23 t/h，基本达到了改造的目的，满足了用户的需求。