Research on Key Technology of Large-ratio Blending Blast Furnace Gas Boiler

由于锅炉需要同时满足全烧煤和掺烧高炉煤气的工况，这对锅炉设备提出了特殊的技术要求。该项目是东锅第一台大比例掺烧高炉煤气的大容量亚临界锅炉机组，最大掺烧高炉煤气比例为30% BMCR，属于全新设计，在技术上存在一定难度，设计中主要存在以下困难：

1)锅炉全烧煤工况和掺烧高炉煤气工况时燃料特性差异极大。

锅炉设计时需要综合考虑在全烧煤工况和掺烧高炉煤气工况。由于锅炉炉膛理论燃烧温度差异极大，导致炉膛出口烟温变化很大，需要保证两种极限工况下炉内稳定燃烧和炉膛水冷壁吸热在合理范围以内^[1]。

2)锅炉掺烧高炉煤气量为目前国内最大比例掺烧量。

由于高炉煤气热值较低且成分中含有相当大比例的惰性气体(N₂)，锅炉大量掺烧高炉煤气进入炉膛后，会导致炉膛理论燃烧温度降低，对于煤粉的稳定燃烧不利；同时燃烧后产生的烟气量增大，燃烧所需的空气量减少，导致风、烟比失调，如采用常规布置方案，排烟温度将急剧升高，造成锅炉效率大幅降低^[2,3]。

3)常规受热面匹配难以兼顾。

该项目需要满足全烧煤工况和掺烧高炉煤气工况下的排烟温度均控制在合理范围内，当大量掺烧高炉煤气时，烟气量差别较大，锅炉受热面换热温压发生变化，故常规布置受热面无法同时兼顾两种工况下的传热需要^[4]。

4)锅炉排烟温度要求苛刻。

该项目不仅需要在掺烧高炉煤气工况下尽量降低排烟温度，以提高锅炉效率，同时还要兼顾锅炉全烧煤工况下，排烟温度在酸露点温度以上，以避免低温腐蚀。

经过调研，宝钢集团已投运的引进日本三菱公司同类型掺烧高炉煤气锅炉，在掺烧20%比例的高炉煤气时，锅炉排烟温度均在180 ℃以上。本工程要求最大掺烧30%比例的高炉煤气时，锅炉排烟温度不大于160 ℃。并且锅炉在全烧煤40%BMCR负荷时，锅炉排烟温度不小于100 ℃。

因此对于全烧煤工况以及掺烧高炉煤气工况，锅炉需要布置不同面积的受热面积，才能满足两种不同燃烧工况下的性能要求，即锅炉受热面能够在不同工况下进行调节，以适应掺烧高炉煤气的特殊要求，成为了该项目设计上的最大技术难点。

通过对以上技术难点的研究，本项目锅炉设计较以往常规300 MW等级煤粉炉做了以下创新：

1)采用了东锅目前350 MW等级下的最大炉膛截面(截面尺寸为14.706 6 m×13.743 4 m)。同时考虑到炉膛蒸发吸热量以及燃烧器布置的需要，通过分析和计算，确定炉膛高度约60 m，以适应本项目全烧煤以及掺烧高炉煤气的特殊要求^[5]。

2)为了适应三种不同燃料燃烧，采用了煤粉燃烧器、高炉煤气燃烧器和焦炉煤气燃烧器三种燃烧器混合布置的新型燃烧器布置形式，共布置了5层煤粉燃烧器、3层高炉煤气燃烧器和2层焦炉煤气燃烧器。

3)为保证燃烧稳定，将焦炉煤气燃烧器分别布置在煤粉燃烧器上下两端，高炉煤气燃烧器布置在燃烧器下部。

4)在保证炉内着火和稳燃的前提下，为尽可能降低油耗量，采用了3层常规油枪和1层微油油枪的布置形式。

5)设置有多种汽温、烟温调节手段。除了常规的过热器、再热器喷水减温装置以外，还设有摆动燃烧器、尾部双烟道调温挡板、省煤器旁通烟道，并且考虑了煤气加热器的预留空间和位置，保证锅炉在燃用各种燃料、各种工况下均安全可靠。

6)本项目最独特的设计在于使用了省煤器后的旁路烟道来调整全锅炉燃煤工况和掺烧高炉煤气工况下不同的省煤器受热面积，如图1所示。

Figure 1.  Sketch of the bypass flue duct structure of economizer

相比于全烧煤工况，掺烧高炉煤气时一次风量大量减少，烟气量大幅增加，两种燃烧工况对烟风系统设备的选型存在较大差异。因此，辅机选型是否合理将会影响机组实际运行的稳定性、经济性。

全烧煤工况，送风机根据平衡通风原则，计算出锅炉二次风量、风压，按规程规定留有一定裕量进行风机选型。

根据高炉煤气化学元素成分分析，经过计算掺烧高炉煤气时锅炉的送风机风量稍低于全烧煤工况，因此送风机按全烧煤工况选型，由于风量相差较小在掺烧高炉煤气时送风机的运行效率也不会受到明显的影响。根据风量及风压参数送风机采用动叶可调轴流风机。

全烧煤工况，引风机根据平衡通风原则，计算出锅炉烟气量、风压，按规程规定留有一定裕量进行风机选型。通常300 MW及以上机组在取消脱硫增压风机的情况下，引风机基本都选取了动叶可调轴流风机。掺烧高炉煤气后，锅炉排烟温度升高，烟气量大幅增加，烟气阻力也随之增大，因此引风机选型应以掺烧高炉煤气工况为基准。

在最大掺烧高炉煤气工况下，烟气量是全烧煤工况烟气量的1.25倍，引风机以掺烧高炉煤气工况来进行选型，为避免在全烧煤工况下风机效率过低，风机的裕量选取不应过大。由于烟气量和压头均较高，引风机选用双级动叶可调轴流风机，在全烧煤工况时虽然烟气量大幅减少，但压头也随之减少，风机在全烧煤工况时也不会出现失速喘振现象。

电除尘器的选择需要考虑飞灰的浓度、烟气温度、烟气量和飞灰特性等诸多因素，以确定收尘面积、除尘器断面大小，电场强度、极线型式和各电场的长度。电除尘器最适宜的飞灰比电阻在10⁵ Ω～50 GΩ区间范围内。按目前广东地区环保要求及本工程煤质资料，选用电除尘器需要较多的电场及较大的比集尘面积，相应设备投资和运行成本均很高。

电袋除尘器虽然可以解决除尘器收灰问题，但是电袋除尘器有以下问题：

1)目前国内对电除尘器电场是否会电离臭氧及电离的臭氧是否会对后面的布袋寿命有影响仍无定论，选用存在一定的风险。

2)电袋除尘器的布袋入口气流分布对布袋寿命有影响。如采用电袋一体式，此问题较难解决，如采用分体式，则会增加占地，设备初投资也会增加。

3)电袋除尘器既有电除尘系统也有布袋除尘系统，运行维护、设备管理均较复杂。

布袋除尘器除尘属于过滤式除尘，除尘效率和排放浓度可以得到保证。以往布袋材料不过关频繁更换布袋的情况近年来也得到了有效解决。因此布袋除尘器近年来在国内300 MW机组和600 MW机组均有应用，并积累了一定的成功经验。

综上所述，本工程选用布袋除尘器。

全烧煤工况，除尘器选型主要根据煤种及灰分特性，排烟温度，粉尘排放要求来最终确定除尘器形式、主要设备参数等。掺烧高炉煤气后排烟温度升高、烟气量增大，如还按全烧煤工况选型，粉尘排放浓度将会超标，因此除尘器需按掺烧煤气工况进行选型。

掺烧高炉煤气工况烟气量大，排烟温度高，但烟气含尘浓度较全烧煤工况低，因此除尘器选型既要考虑掺烧煤气工况下的大烟气量、高排烟温度又要考虑全烧煤工况的高含尘量。通过计算除尘器按掺烧高炉煤气工况选型，在满足掺烧煤气工况下的大烟气量、高排烟温度下的除尘效率的同时，在全烧煤工况下由于烟气量大幅减少，烟气温度也大幅降低，除尘器除尘效率将会有所提高，能够满足两种燃料工况下的运行要求，并有较高的除尘效率。

相比于全烧煤工况，掺烧高炉煤气时锅炉排烟温度上升较多，而一次风量也大量减少，相应二次风量变化不大，热一次风温度降低。因此磨煤机及一次风机的选型一定要适应两种燃料工况。

全烧煤工况，磨煤机及一次风机仅需考虑燃煤特性，气象条件，根据机组容量，按照规程规范要求进行选取。根据煤种特性确定制粉系统方式、磨煤机形式、确定煤粉细度、干燥剂温度等。掺烧高炉煤气后燃料特性，燃煤量，一次风量均发生了较大变化，因此设备选型也需考虑掺烧高炉煤气后的影响。

在磨煤机及一次风机选型时，首先要满足全烧煤工况出力要求。由于掺烧高炉煤气后燃煤量减少，一次风量减少，因此在出力上都能满足要求。但由于掺烧高炉煤气后热一次风温低于全烧煤工况，同时一次风量大幅度减少，一次风阻力变化不大，因此可能造成磨煤机干燥出力受到影响，一次风机运行容易失速喘振。

在磨煤机设计选型时需合理的选取煤粉水分，干燥剂出口温度，合理的选择磨煤机入口冷、热风道管径，来兼顾磨煤机在全烧煤和掺烧高炉煤气的情况下均能满足锅炉出力要求。

在一次风机选型时，由于风量小，压头高，首先选择更合适的离心式风机。同时配备了调速型液力耦合器来进行调节，使风机在全烧煤工况及掺烧煤气工况均能处在较高的效率区间运行，同时实现一次风机软启动功能。

全烧煤工况与掺烧煤气工况脱硫入口烟气参数差别较大，掺烧煤气工况烟气量是全烧煤工况的1.25倍；经过布袋除尘器后脱硫入口的烟气粉尘浓度基本一致，在20 mg/Nm³左右；SO₂浓度全烧煤工况比掺烧煤气工况高，因此在脱硫系统设计时既要考虑掺烧工况下的高烟气量，又要考虑全烧煤工况下的高SO₂浓度，同时还要考虑掺烧高炉煤气工况的高排烟温度。

据了解，国内外掺烧高炉煤气的同类机组容量均在300 MW以下，且一般多为高压锅炉和超高压锅炉，同时，掺烧高炉煤气的最大量也小于2×10⁵ Nm³/h。宝钢集团之前引进日本三菱公司的同类型掺烧高炉煤气锅炉在掺烧20%比例的高炉煤气时，锅炉排烟温度均在180 ℃以上，锅炉的经济性较差。因此相比于国内外同类技术，本项目机组容量最大、参数最高、掺烧比例最大，且排烟温度最佳。

本项目于2015年投入运行以来，锅炉运行情况良好；烟风、制粉系统设备性能均优于设计值。在2016年3月进行的锅炉性能考核试验报告中，机组# 1锅炉的各项性能指标均达到甚至超过设计保证值，具体考核主要数据如表1所示：

从表1可以看出，锅炉运行情况良好，各项性能指标均优于设计值，为今后本项目高效经济运行打下了良好的基础，得到了用户的满意和认可。

1)锅炉本体

本项目锅炉最大掺烧高炉煤气量为3.27×10⁵ Nm³/h，占全烧煤时锅炉总输入热量的30%份额，是目前国内掺烧高炉煤气量最大的项目，也是东方锅炉厂的第一台亚临界掺烧高炉煤气的大容量锅炉机组。东方锅炉厂为本项目全新开发了新炉型，采用了东锅350 MW等级下的最大炉膛截面(截面尺寸为14.706 6 m×13.743 4 m)。同时考虑到炉膛蒸发吸热量以及燃烧器布置的需要，通过分析和计算，确定炉膛高度约60 m，以适应本项目全烧煤以及掺烧高炉煤气的特殊要求。

为了适应三种不同燃料燃烧，采用了煤粉燃烧器、高炉煤气燃烧器和焦炉煤气燃烧器三种燃烧器混合布置的新型燃烧器布置形式，共布置了5层煤粉燃烧器、3层高炉煤气燃烧器和2层焦炉煤气燃烧器。为保证燃烧稳定，将焦炉煤气燃烧器分别布置在煤粉燃烧器上下两端，高炉煤气燃烧器布置在燃烧器下部。在保证炉内着火和稳燃的前提下，为尽可能降低油耗量，采用了3层常规油枪和1层微油油枪的布置形式。

本项目还设置有多种汽温、烟温调节手段。除了常规的过热器、再热器喷水减温装置以外，还设有摆动燃烧器、尾部双烟道调温挡板、省煤器旁通烟道，并且考虑了煤气加热器的预留空间和位置，保证锅炉在燃用各种燃料、各种工况下均安全可靠。

本项目最独特的设计在于使用了省煤器后的旁路烟道来调整全锅炉燃煤工况和掺烧高炉煤气工况下不同的省煤器受热面积。既满足锅炉在全烧煤工况下的热风温度和排烟温度，又在锅炉掺烧高炉煤气工况下，降排烟温度控制在160 ℃以下，达到了同类掺烧高炉煤气锅炉的最低排烟温度。

由于锅炉掺烧高炉煤气后，相比锅炉全烧煤工况时烟气量增大了约25%，为尽可能降低排烟温度，全新开发出了东锅350 MW等级下最大的30 #空预器。

综上所述，在掺烧高炉煤气后，锅炉在炉膛、燃烧器、受热面、省煤器、空预器等核心部件均进行了重新设计，较常规300 MW亚临界煤粉锅炉在造价上增加30%，单台炉增加投资约6 700万元。

2)烟风、制粉系统

在烟风、制粉系统方面投资的增加主要体现在锅炉主要附属设备上。

原煤仓、给煤机、磨煤机、一次风机等设备主要按全烧煤工况来选型，因此设备投资较常规煤粉炉工程并没有增加。

送风机、引风机、除尘器、脱硫设备按掺烧煤气工况选型，选型参数比常规煤粉炉大，因此设备投资有所增加。

经比较，单台炉设备增加投资约850万元。

3)总投资

掺烧高炉煤气锅炉与常规煤粉锅炉投资对比如表2所示(单台炉)。

掺烧高炉煤气工况相比于全烧煤工况，主要的经济效益在于节约了大量的燃煤。

根据工程投运以来的实际运行情况，本工程在全烧煤工况时单台炉每小时耗煤量约为141.8 t，掺烧高炉煤气工况每小时耗煤量为114.4 t，掺烧煤气工况每小时耗煤量比全烧煤工况少27.4 t，按机组年利用小时6 500 h计算，每台炉每年可节约燃煤量17.81万t，燃煤按每吨500元计算，单台炉每年可节约燃料费用8 905万元。

由于掺烧高炉煤气产生的设备投资增加，一年内就可在燃料方面得到回收。具有极其巨大的经济效益。

宝钢项目350 MW亚临界掺烧高炉煤气锅炉的开发，很好的解决了钢铁厂生产过程中产生的工业废气排放造成的环境污染问题，并且节省了钢铁公司的能源消耗，满足了钢铁公司自建发电锅炉降低成本的需求。尽管由于掺烧高炉煤气导致单台炉及配套辅机造价增加7 550万元，但由于可以节约大量的燃煤，单台炉每年可节约燃料费用8 905万元，1年即可回收，因此具有巨大的经济效益。

随着社会的发展，国内外钢铁企业产能也将逐步增加，这就使得很多钢铁企业存在着改、扩建的情况，随之将产生大量的剩余煤气，为实现废气零排放，钢铁企业自备电厂也将进行大规模的改、扩建。随着本项目的顺利投产标志着我们在掺烧高炉煤气上又取得了巨大的成果，大比例掺烧高炉煤气工程也将随着钢铁企业的发展而增多。因此本项目研究成果具有良好的市场前景。

本项目的研究、投产不论是经济效益还是社会效益都非常巨大。同时本项目是目前国内外掺烧比例最大的300 MW等级亚临界锅炉发电机组，对以后更大容量机组掺烧高炉煤气的研究具有借鉴和指导意义。