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淺談高爐煤氣鍋爐設(shè)計(jì)要點(diǎn)

文檔作者：杜斌文檔來(lái)源：杭州鍋爐集團(tuán)有限公司趙劍云		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月11日
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余熱鍋爐2003．2 1
淺談高爐煤氣鍋爐設(shè)計(jì)要點(diǎn)
杭州鍋爐集團(tuán)有限公司趙劍云 杜斌
摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了杭州鍋爐集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)各類(lèi)參數(shù)高爐煤氣鍋爐的經(jīng)
驗(yàn)，就高爐煤氣燃燒特性、受熱面布置和提高鍋爐效率等問(wèn)題，闡述了高爐煤氣鍋
爐的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
杭州鍋爐集團(tuán)有限公司自從開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)
最大的220t／h全燃高爐煤氣鍋爐后，又相
繼開(kāi)發(fā)了35t／h、45t／h、75t／h、135t／h和
150t／h等不同參數(shù)和容量的全燃高爐煤氣
的鍋爐，形成了系列化產(chǎn)品，滿足了不同用
戶的需求。在開(kāi)發(fā)這些鍋爐的過(guò)程中，我們
積累了許多經(jīng)驗(yàn)。本文旨就高爐煤氣鍋爐的
一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)談些體會(huì)，以供參考。
由于高爐煤氣本身的特點(diǎn)決定了高爐煤
氣鍋爐不同于其它燃料的鍋爐。高爐煤氣是
一種低熱值的氣體燃料，體積成分見(jiàn)表1。
從表中可見(jiàn)高爐煤氣的可燃成分主要是
CO，H2的含量很小。高爐煤氣的其它主要
特點(diǎn)如下：
(1)每標(biāo)米立方高爐煤氣燃燒所需理論
空氣量?jī)H為0．6標(biāo)米立方米，總的空氣量約
為同類(lèi)型燃煤鍋爐的70％ ，但煙氣量大，
是同類(lèi)型燃煤鍋爐的1．7倍左右；
(2)高爐煤氣著火點(diǎn)在530"C 一660"C
之間；
(3)高爐煤氣理論燃燒溫度約1300"C；
(4)高爐煤氣在空氣中的爆炸極限濃度
為35％ 一71％。
表1
I CO H2 CO2 N2 低位發(fā)熱值
l 20％ 一26％ 1．5％ 一2％ l6％ 一20％ 5l％ 一56％ 2800—340o14『／m3(標(biāo))
根據(jù)高爐煤氣的這些特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)高爐
煤氣鍋爐時(shí)，應(yīng)主要考慮高爐煤氣安全穩(wěn)定
的完全燃燒，不同參數(shù)、容量的高爐煤氣鍋
爐爐型的選擇和受熱面的合理布置，以及如
何提高鍋爐熱效率。
1 高爐煤氣安全穩(wěn)定完全燃燒
高爐煤氣鍋爐首先要解決的就是高爐煤
氣的燃燒問(wèn)題。根據(jù)燃燒理論，燃料的燃燒
取決于溫度、時(shí)間和混合紊流度，稱為燃燒
三要素。由于高爐煤氣組成中不可燃成分占
了絕大部分，其理論燃燒溫度僅1300"C左
右，遠(yuǎn)低于煤和油的理論燃燒溫度。其著火
溫度也比較高，而且高爐煤氣燃燒屬于空間
燃燒，燃燒非常迅速。因此高爐煤氣燃燒要
解決的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何提高燃燒室溫度和
如何與空氣充分混合。最終歸結(jié)為燃燒室和
燃燒器的合理設(shè)計(jì)。燃燒器主要是保證煤氣
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2 余熱鍋爐2003．2
與空氣的均勻混合，燃燒室設(shè)計(jì)要能維持比
較高的溫度，以保證安全燃燒。
1．1 燃燒器的設(shè)計(jì)
高爐煤氣燃燒器主要采用多管式和旋流
式兩種。在以往的小容量高爐煤氣鍋爐設(shè)計(jì)
中，多采用多管式煤氣燃燒器，煤氣在管內(nèi)
流動(dòng)，空氣在管外流動(dòng)，在燃燒器出口{昆
合。有時(shí)為了增強(qiáng)混合，在管子出口設(shè)置旋
流子。這種燃燒器火焰比較長(zhǎng)，且單個(gè)燃燒
器容量較低，適合四角布置?，F(xiàn)在則多采用
旋流式燃燒器，煤氣和空氣經(jīng)各自的通道流
經(jīng)噴嘴導(dǎo)向葉片后產(chǎn)生旋流，在燃燒器出口
產(chǎn)生強(qiáng)烈混合。其特點(diǎn)是負(fù)荷調(diào)節(jié)比較大，
低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒性能好，不會(huì)發(fā)生回火。由
于混合好，燃燒充分，火焰長(zhǎng)度較短，且單
個(gè)燃燒器容量大，尤其適用于大容量鍋爐，
宜前后墻布置。兩種燃燒器的比較見(jiàn)表2。
在各種容量高爐煤氣鍋爐設(shè)計(jì)中，均應(yīng)
表2
燃燒器形式 燃燒器最大容量 燃燒器體積 火焰長(zhǎng)度 混合情況 負(fù)荷調(diào)節(jié)比 燃燒器阻力
m3(標(biāo))／h
多管式 150O0 較大 長(zhǎng) 一般 較小 較小
旋流式 25000 較小 短 較好 較大 較大
優(yōu)先選用旋流式高爐煤氣燃燒器，只是在與
煤混燒的四角布置的情況下才選用多管式燃
燒器。
1．2 燃燒室的設(shè)計(jì)
高爐煤氣鍋爐燃燒室也就是鍋爐爐膛，
為了維持高爐煤氣的穩(wěn)定燃燒就需要爐膛保
持一定的溫度。在鍋爐高負(fù)荷時(shí)，爐膛溫度
通常可以維持高爐煤氣燃燒。但在鍋爐低負(fù)
荷時(shí)，特別是大容量鍋爐，就需要采取一些
措施，使得燃燒室維持較高的溫度。對(duì)于
150t／h以下高爐煤氣鍋爐，可采取在燃燒
區(qū)涂耐火材料的方式，見(jiàn)圖l。對(duì)于220t／h
以上高爐煤氣鍋爐，在燃燒區(qū)涂耐火材料的
同時(shí)，爐膛設(shè)計(jì)成縮腰形式，見(jiàn)圖2，使?fàn)t
膛下部有較高的熱容量，從而保證了高爐煤
氣的安全穩(wěn)定燃燒。
2 高爐煤氣鍋爐受熱面布置
2．1 爐瞳的設(shè)計(jì)
高爐煤氣鍋爐受熱面布置涉及到鍋爐的
安全性、經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)時(shí)合理選擇爐膛大小
是至關(guān)重要的，它決定了鍋爐的尺寸，從而
決定了鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于一臺(tái)參數(shù)已定的
鍋爐來(lái)說(shuō)，其加熱吸熱量、蒸發(fā)吸熱量和過(guò)
熱吸熱量的比例也就確定了，見(jiàn)表3。由于
高爐煤氣理論燃燒溫度只有1300"(2左右，
因此爐膛的吸熱有限，爐膛吸熱比例隨爐膛
出口溫度的變化見(jiàn)表4。由此可見(jiàn)即使?fàn)t膛
出口溫度降到900*(2，爐膛吸熱比例也只有
36％。反過(guò)來(lái)說(shuō)，高爐煤氣的燃燒生成物為
不發(fā)光氣體，輻射能力較差，如出口溫度要
降到900"12，爐膛就要做得很大，這很不經(jīng)
濟(jì)。因此從經(jīng)濟(jì)方面考慮，一般爐膛的設(shè)計(jì)
應(yīng)考慮出口溫度在1000"C左右為宜。爐膛
不必設(shè)計(jì)很大。
2．2 省煤器及蒸發(fā)受熱面的設(shè)計(jì)
鍋爐爐膛主要完成蒸發(fā)吸熱。從表3可
以看出高壓鍋爐的蒸發(fā)吸熱約49％ ，中低
壓鍋爐的蒸發(fā)吸熱更高，超過(guò)了60％ 顯
然高爐煤氣鍋爐爐膛不能吸收蒸發(fā)所需全部
熱量，需要其它受熱面來(lái)吸收不足部分。對(duì)
于高壓鍋爐，選擇爐膛出口煙溫在1000℃
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余熱鍋爐2003．2 3
圖1 150t／h高爐煤氣鍋爐
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4 余熱鍋爐2003．2
圖2 220t／h高爐煤氣鍋爐
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余熱鍋爐2003．2 5
表3 不同蒸汽參數(shù)吸熱分配比例
蒸汽參數(shù) 過(guò)熱吸熱 蒸發(fā)吸熱 加熱吸熱
高壓540~C，IOMPa，給水2l5℃ 30．3％ 48．75％ 21．17％
中壓450~C，3．8MPa，給水150℃ 19．76％ 62．88％ 17．36％
低壓400~C，2．4MPa，給水104C 15．63％ 64．82％ 19．55％
表4 爐膛吸熱比例隨爐膛出口煙溫變化情況
爐膛出口煙溫，℃ 900 I 1000 ll0o 1200
I 爐膛吸熱比例％ 36 I 28．3 15．5 8．77
左右，這樣可采用沸騰式省煤器，控制省煤
器出口沸騰度在20％左右。對(duì)于小容量的
中低壓鍋爐，只采用省煤器來(lái)吸收不足部分
的蒸發(fā)熱量顯然行不通，這樣會(huì)使省煤器出
口沸騰度超過(guò)30％，導(dǎo)致省煤器阻力增加，
受熱不均勻增加，甚至引發(fā)省煤器爆管事
故。因此對(duì)于小容量的中低壓鍋爐可采用上
下鍋筒的對(duì)流管束來(lái)吸收不足部分的蒸發(fā)熱
量，見(jiàn)圖3。而對(duì)于容量比較大的中壓鍋
爐，采用上下鍋筒的對(duì)流管束，工藝復(fù)雜，
檢修也很困難，為了吸收部分蒸發(fā)熱量，使
省煤器出口沸騰度在20％左右，可以采用
獨(dú)立的蒸發(fā)管屏，布置在對(duì)流過(guò)熱器后面，
見(jiàn)圖1，這樣可以有效解決這一問(wèn)題。
從吸熱比例來(lái)看，高爐煤氣鍋爐主要是
以對(duì)流吸熱為主，爐膛輻射吸熱所占比例較
小。因此對(duì)流熱面的布置很重要，考慮到高
爐煤氣是一種比較干凈的燃料，故在設(shè)計(jì)時(shí)
可采用較高的煙氣流速，受熱面應(yīng)布置緊
湊，蒸發(fā)管屏和省煤器可以采用螺旋鰭片
管，這樣既節(jié)省空間，又降低成本。
3 提高高爐煤氣鍋爐效率
高爐煤氣鍋爐的熱損失主要是排煙熱損
失q2，因?yàn)闄C(jī)械熱損失q4為0，化學(xué)熱損
失q3也很小，只要燃燒完全，一般小于
0．5％，散熱熱損失q5也很小，與鍋爐大小
有關(guān)。而排煙熱損失主要取決于鍋爐的排煙
溫度，q2隨排煙溫度變化見(jiàn)表5。
表5 排煙熱損失q2隨排煙溫度的變化
排煙溫度℃ 200 190 180 170 160 150
I ％ l5 14 13 l2 l1 10．1
可見(jiàn)排煙溫度每上升10℃ 。鍋爐排煙
熱損失增加1％左右，因此降低排煙溫度是
提高高爐煤氣鍋爐熱效率的唯一有效途徑。
與燃用其它燃料的鍋爐一樣，采用空氣
預(yù)熱器是降低排煙溫度的一種有效辦法。用
空氣來(lái)吸收部分排煙熱量，送入爐膛，既回
收了熱量，又提高了爐膛溫度，有利于爐膛
吸熱。但應(yīng)指出，高爐煤氣燃燒所需要的空
氣量有限；前面提到每標(biāo)米立方高爐煤氣燃
燒只需0．6標(biāo)米立方的空氣。而煙氣量又非
常大，從能量平衡來(lái)說(shuō)，煙氣每降低1℃放
出的熱量可使空氣溫度升高2．85℃ 左右。
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6 余熱鍋爐2003．2
作一簡(jiǎn)單比較， 把空氣加熱溫度提高
300*(2，煙溫才降低105"(2。因此加熱空氣
所需熱量非常有限，全靠空氣預(yù)熱器來(lái)降低
排煙溫度是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，必須針對(duì)不同參數(shù)
的鍋爐采取更加有效的措施。
圖3 35t／h高爐煤氣鍋爐
3．1 中低參數(shù)鍋爐尾部受熱面的布置
對(duì)于中低參數(shù)的鍋爐，由于給水溫度相
對(duì)較低，為150"(2或104"(2，通過(guò)省煤器與
空氣預(yù)熱器的交叉布置等優(yōu)化設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖
3)，可以使排煙溫度降到l50℃ ～l60℃ 左
右。我廠在設(shè)計(jì)此類(lèi)鍋爐時(shí)，均采用這種方
式，已在實(shí)際運(yùn)行中得到了充分驗(yàn)證。
(下轉(zhuǎn)第29頁(yè))
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余熱鍋爐2003．2 29
面投影夾角在整個(gè)位移過(guò)程中都>60。；①
和② 球接頭連接配管與水平面的投影夾角在
整個(gè)位移過(guò)程中都<60。。
(3)認(rèn)為步進(jìn)裝置上②和①球接頭同時(shí)
安裝減振裝置(實(shí)際上應(yīng)稱變形約束裝置)
更好。
(4)臥式步進(jìn)裝置的上下聯(lián)箱分別與①
和③ 球接頭的距離應(yīng)盡可能短。
7 實(shí)際應(yīng)用
步進(jìn)梁式加熱爐汽化冷卻步進(jìn)裝置立式
結(jié)構(gòu)首套用于本鋼熱軋廠4號(hào)加熱爐改造工
程，于2001年6月開(kāi)始加工、制造及預(yù)組
裝，同年9月進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工安裝，10月調(diào)
試投產(chǎn)一次成功。改造工程是利用原有預(yù)留
場(chǎng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，原臥式結(jié)構(gòu)的布置十分
緊張，臥式結(jié)構(gòu)的上、下聯(lián)箱間距較小，整
套裝置剛性過(guò)大、柔性不足。立式結(jié)構(gòu)充分
利用爐底的空間布置設(shè)備，其安裝較臥式簡(jiǎn)
單快捷，一次性安裝精度較高，完全能夠滿
足設(shè)計(jì)要求。投產(chǎn)至今，步進(jìn)裝置運(yùn)行平
穩(wěn)、動(dòng)作靈活、導(dǎo)向支架受力均勻、無(wú)卡澀
現(xiàn)象，整套裝置零泄漏，效果良好，操作及
維護(hù)方便。
本文從理論研究、試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用
三方面說(shuō)明了立式結(jié)構(gòu)的可行性，為加熱爐
汽化冷卻系統(tǒng)推廣和大膽采用立式結(jié)構(gòu)奠定
了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。(續(xù)完)
(上接第6頁(yè))
3．2 高參數(shù)鍋爐尾部受熱面的布置
對(duì)于高參數(shù)鍋爐， 由于給水溫度在
215℃左右，光靠省煤器與空氣預(yù)熱器的交
叉布置來(lái)降低排煙溫度是不可能的。若無(wú)其
它措施，排煙溫度的極限也高于180℃ ，而
此時(shí)受熱面會(huì)布置得非常大，很不經(jīng)濟(jì)，因
此必須采用其它方法來(lái)降低排煙溫度。
一個(gè)有效的辦法就是采用熱管煤氣加熱
器。通過(guò)加熱器，煙氣每降低1℃放出的熱
量能使煤氣溫度升高1．6℃左右，由于煤氣
量比空氣量大，使用煤氣加熱器降低排煙溫
度比較明顯，可以使排煙溫度降到150℃ 左
右，同時(shí)使煤氣溫度加熱到180℃左右，并
改善了爐膛燃燒條件。我廠設(shè)計(jì)的220t／h
高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐采用了煤氣加熱
器，使鍋爐排煙溫度降到了150℃ 左右，保
證了鍋爐熱效率，得到了用戶的好評(píng)。
另一個(gè)有效方法是采用低溫低壓省煤
器，即在空氣預(yù)熱器后布置一級(jí)低溫低壓省
煤器，用來(lái)加熱凝結(jié)水，同樣可以降低排煙
溫度，提高鍋爐熱效率，且投資較小。但必
須與汽機(jī)島配合，系統(tǒng)較復(fù)雜。我廠最近設(shè)
計(jì)的220t／h高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐采
用了低溫低壓省煤器，不久將投入運(yùn)行。
4 小結(jié)
高爐煤氣鍋爐的設(shè)計(jì)不同于其它燃料鍋
爐，有其自身的特殊性。在設(shè)計(jì)此類(lèi)鍋爐
時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同參數(shù)和容量來(lái)選擇爐膛形
式、燃燒器形式、不同的受熱面結(jié)構(gòu)及是否
采用附加其它吸熱形式。對(duì)于高參數(shù)大容量
高爐煤氣鍋爐，采用附加的其它吸熱裝置是
十分必要的，如熱管煤氣加熱器，或是低溫
低壓省煤器。對(duì)于中壓參數(shù)大容量高爐煤氣
鍋爐應(yīng)采用蒸發(fā)管屏，以彌補(bǔ)爐膛蒸發(fā)吸熱
量的不足，降低省煤器出口沸騰度。對(duì)于中
低壓參數(shù)小容量高爐煤氣鍋爐采用上下鍋筒
的對(duì)流管束提高蒸發(fā)吸熱量。推薦使用旋流
式高爐煤氣燃燒器，在混燒且四角布置燃燒
器的鍋爐上則推薦使用多管式燃燒器。

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