1、概述
    馬鋼1#鍋爐是上海鍋爐廠生產(chǎn)的SG-220/9. 8-M295型高溫高壓鍋爐，額定蒸發(fā)量為220 t／h，過熱蒸汽出口壓力為9.8 MPa，溫度為540℃，于1993年12月投產(chǎn)。該爐配用二層煤粉燃燒器，一層煤氣燃燒器，四角布置，切圓燃燒。煤氣燒嘴放在最下層，型式為直流式，設(shè)計摻燒15%（按熱值比）的高爐煤氣。
    按上海鍋爐廠生產(chǎn)設(shè)計額定工況下排煙溫度157.6℃，高溫省煤器進(jìn)口煙溫為617℃，預(yù)熱器進(jìn)口煙溫度376℃，鍋爐效率為89. 4%。而在實(shí)際運(yùn)行中．為了降低馬鋼高爐煤氣放散率，1*爐在額定負(fù)荷下，摻燒2.4萬ms高爐煤氣（相當(dāng)于10%），排煙溫度高達(dá)218℃，超出設(shè)計溫度60.4℃，高溫省煤器進(jìn)口煙溫為646℃，超出允許溫度29℃，預(yù)熱器進(jìn)口煙溫超25℃，鍋爐效率為85%左右，最差達(dá)83. 9%。各段煙溫超溫和鍋爐效率低成為兩大難題，嚴(yán)重地影響了鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
    三門峽富通新能源主要生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，這種生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。 2、問題原因分析
2.1直流煤氣燃燒器原設(shè)計存在問題燃燒器原設(shè)計見圖1。
    從圖1中可以看出，這種燃燒器設(shè)計從燃燒角度來分析，是不合理的。由于煤氣和周介二次風(fēng)分別吹入爐膛，而煤氣的流速45 m/s要比二次風(fēng)的流速28 m/s高出許多，所以兩者混合就相對較差，燃燒容易造成缺氧，不利于氣體燃料完全迅速燃燒。這點(diǎn)從煤氣燃燒的實(shí)際情況我們也可以看出，煤氣主著火區(qū)往往都離燃燒器噴口1 m以上（好的著火區(qū)都在0.5 m左右）。同時由于煤氣燃燒中心溫度要低于煤粉燃燒中心溫度，在加上燒嘴四周二次風(fēng)的擾動，使燒嘴附近形成不了較高的溫度場，破壞了高爐煤氣完全穩(wěn)定燃燒所必需的高溫條件。
2.2  煤氣燃燒對爐內(nèi)燃燒的影響
    由于高爐煤氣溫度低、熱值低、流速快、對煤粉燃燒影響大等特點(diǎn)。燃燒器在設(shè)計時沒有充分考慮到如何強(qiáng)化本身燃燒，從而減少對煤粉燃燒的影響。煤氣進(jìn)入爐膛后要吸收爐膛大量的高溫?zé)煔饩砦鼰岷洼椛錈幔�降低了下層煤粉穩(wěn)定燃燒所需要的足夠溫度。嚴(yán)重的影響鍋爐的正常燃燒，特別是在低負(fù)荷或煤種較差時，對鍋爐燃燒影響更大，容易造成鍋爐熄火，鍋爐安全運(yùn)行造成很大威脅。
2.3  煤氣燃燒對各段煙溫和爐效的影響
    由高爐煤氣特點(diǎn)決定，高爐煤氣燃燒火焰長，著火較遲，使得爐膛整個燃燒中心上移，造成爐膛出口超溫和各段煙溫升高。燃燒器在設(shè)計時，對如何縮短火焰長度和提早著火時間考慮不夠充分。試驗表明使用這種燃燒器，煤氣量每增加900m3，排煙溫度就增加1℃。由于排煙溫度大幅度升高，使?fàn)t效率下降較為明顯。
    這種燃燒器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，投資少，維護(hù)量小。
    當(dāng)然，影響各段煙溫和鍋爐效率的因素很多，如鍋爐設(shè)計型式、入爐煤種、鍋爐負(fù)荷等，但這往往是改變不了的。
3  改造的具體方案
    根據(jù)以上對煤氣燃燒特點(diǎn)的分析，我們對1*爐4個煤氣燒嘴進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，對煤氣燃燒器的結(jié)構(gòu)和燃燒方式都進(jìn)行了改制，具體方案如下：
    方案1：1999年5月在利用1*爐大修機(jī)會，將原來的直流無焰燃燒器改為直流有焰燃燒器，見圖
2、所示。
    從圖2中我們可以看出，煤氣在經(jīng)過預(yù)燃筒被小油槍點(diǎn)燃后燃燒，當(dāng)預(yù)燃筒內(nèi)達(dá)到600℃時，將小油槍熄滅，煤氣在預(yù)燃筒能連續(xù)燃燒。預(yù)燃筒內(nèi)溫度最高可達(dá)1 100℃，這樣的高溫?zé)煔獗粺犸L(fēng)吹入爐膛，提高了煤氣燒嘴的出口溫度，有利于下排煤粉的燃燒。
    通過多次實(shí)驗表明：煤氣量每增加1300m3，排煙溫度才增加1℃。而且爐內(nèi)燃燒十分穩(wěn)定，各段煙溫正常，達(dá)到了預(yù)期效果。但是，通過半年多的運(yùn)行我們發(fā)現(xiàn)，雖然在預(yù)燃筒內(nèi)增加了不少保溫材料，使用強(qiáng)度較高的不銹鋼，但是預(yù)燃筒內(nèi)、外金屬結(jié)構(gòu)由于受膨脹和高溫等多方因素影響仍被損壞，煤氣泄露嚴(yán)重，嚴(yán)重影響人身安全。此外，這種燃燒器體積大、材料要求高、安裝工作量大、系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)行操作繁鎖、投資大等諸多不利影響。雖然，此項技術(shù)在理論上是成功的，但在實(shí)際的生產(chǎn)中，還是無法滿足其安全運(yùn)行。此項改造沒有達(dá)到預(yù)期效果。
    方案2：總結(jié)以上兩種煤氣燃燒器優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)多方考察，吸取馬鋼熱電廠4*爐和首鋼熱電廠側(cè)墻燃燒的成功經(jīng)驗，在不改變原爐膛受熱面的情況下，利用2002年4月1*爐大修機(jī)會，再次對燃燒器進(jìn)行了重新改造，燃燒器仍布置在爐膛四角。見圖3：
    從圖3中我們可以看出，這種雙旋流燃燒器有三個顯著特點(diǎn)：
    (1)煤氣燃燒器內(nèi)增加了焦?fàn)t煤氣點(diǎn)火裝置，其目的是利用馬鋼現(xiàn)有的高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣，在點(diǎn)火初期和低負(fù)荷穩(wěn)燃時，取代0*輕柴油，降低生產(chǎn)成本。
    (2)煤氣和二次風(fēng)出口增加了旋流裝置，另外二次風(fēng)又增設(shè)了導(dǎo)向裝置，將出口的二次風(fēng)折向高爐煤氣旋流區(qū)內(nèi)，便于煤氣和空氣充分混合，同時由于煤氣混合氣體的高速旋轉(zhuǎn)，延長了煤氣在爐膛的停留時間，對降低各段煙溫起著積極的作用。這點(diǎn)從煤氣燃燒的實(shí)際情況我們也可以看出，煤氣的主著火區(qū)在燃燒器噴口0.5 m附近。
    (3)在燒嘴出口四周增設(shè)了衛(wèi)燃帶，減少了附近水冷壁的吸熱，確保了燒嘴四周高溫，有利于煤氣、煤粉的穩(wěn)定燃燒，降低了燃燒室火焰中心位置，對降低鍋爐的排煙溫度和提高鍋爐效率，也都起著很重要的作用。
4、改造效果
    改造后我們就1*爐大修后各段煙溫和鍋爐效率，做了7個不同工況試驗，改造效果主要在表現(xiàn)以下3個方面：
4.1  排煙溫度的降低
    改造后我們通過實(shí)驗，煤氣量每增加1100m3，排煙溫度增加1℃，雖然比方案1要低，但比原設(shè)計煤氣對排煙溫度影響小10%。同時改造后的煤氣雙旋流燃燒器，更有利用于煤粉、煤氣燃燒的完全和穩(wěn)定，使?fàn)t膛火焰中心位置明顯降低，排煙溫度大幅度下降，實(shí)驗表明大修后比大修前排煙溫度要低20℃。各段煙溫均在允許范圍內(nèi)，避免了主要設(shè)備長期超溫運(yùn)行。鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的質(zhì)量明顯提高。
4.2  低負(fù)荷穩(wěn)燃
    由于調(diào)度、設(shè)備、煤種等多方因素影響，鍋爐常常低負(fù)荷運(yùn)行，改造前，鍋爐負(fù)荷只能降到160 t／h，大修后負(fù)荷能降到140 t/h，燃燒還相當(dāng)穩(wěn)定。特別是在鍋爐點(diǎn)火初期，用焦?fàn)t煤氣點(diǎn)高爐煤氣，再用高爐煤氣點(diǎn)煤粉，取得一次成功，節(jié)約了大量0*輕柴油，大大地降低了發(fā)電成本。
4.3環(huán)境保護(hù)
    改造后的1*爐，在不影響其它技術(shù)指標(biāo)的情況下，能摻燒2.5萬m3的高爐煤氣和450m3的焦?fàn)t煤氣。同時由于減少0#輕柴油使用，必然增加了1#爐各電場的投用時間。對降低馬鋼高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的放散率，保護(hù)環(huán)境都將起著重要作用。
5、經(jīng)濟(jì)效益
    1#大修高爐煤氣改造，總投資15萬元。對1#經(jīng)濟(jì)效益的分析，可從以下3個面可以看出。
5.1  啟、停爐的節(jié)油
    在1#爐每次啟動和停爐過程中，焦?fàn)t煤氣的燃燒量為450m3／h，高爐煤氣的燃燒量為2.4萬m3／h，燃燒的熱量相當(dāng)于每小時2.3t0#輕柴油燃燒產(chǎn)生的熱量，每次點(diǎn)火可以節(jié)省3個小時的燃油量，效益計算如下（0#輕柴油價格2 800元／t，高爐煤氣熱值3.7 MJ/m3，高爐煤氣價格5元/GJ，焦?fàn)t煤氣價格0. 45元／m3）：
    2.3x3x2800-2.4x3x3.7x10x5-450×3×0. 45
    =1. 738萬元。
    每年每臺鍋爐按3次啟動，停爐3次（停爐用油量是啟動一半）來計算，共計可節(jié)約資金：
    1. 738×3+1. 938×1.5=7.821萬元。
5.2  低負(fù)荷節(jié)油
    根據(jù)1997年到2001年的燃油量統(tǒng)計，1#爐每月低負(fù)荷和設(shè)備消缺3次，每次按2h，助燃用油按2t計算，1*爐每年平均運(yùn)行10月：共計可節(jié)約資金：
    2x3x10x2 800-2.4x2x3x10x3.7×10x5—450x2x3 xlOx0.45= 12.9萬元
5.3  爐效的提高
    大修后的1#爐與大修前相比，爐效提高了1%，也就是每小時節(jié)約用煤28 x1%：0.28 t，每天24 h，每年按300天，煤價200元／t計算，共計：
    0. 28×24×300×200= 40.3萬元。
    從以上統(tǒng)計可以看出：大修后的1*爐每年可節(jié)約成本61萬元，3個月不到，就可以收回15萬元的投資成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
6、分析與討論
    (1)煤氣燃燒器的結(jié)構(gòu)和燃燒方式，對鍋爐燃燒的影響很大，合理的結(jié)構(gòu)和燃燒方式，都會使鍋爐效率得到較大的提高。
    (2)這次煤氣燃燒器的改造，雖然取得了一次成功，達(dá)到我們預(yù)期效果，但是由于受水冷壁結(jié)構(gòu)的影響，燒嘴的流通截面積受到限制，因此摻燒的煤氣量也受到限制，沒有最大限度發(fā)揮它的作用。這為我們以后如何增加煤氣摻燒量，發(fā)揮煤氣燒嘴的最大經(jīng)濟(jì)效率，提供了可能。
    (3)此次改造為我們積累了不少有益的經(jīng)驗，為熱電廠對2#、3#爐煤氣燒嘴的改造堅定了信心：同時也為熱電廠在今后探索發(fā)電不用油以及其它技術(shù)改造等方面，提供了不少寶貴經(jīng)驗。