關鍵詞:高爐煤氣；燃煤鍋爐；混合燃燒
鋼鐵企業在生產過程中，消耗大量的煤炭、燃油和電能，同時產生高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣等二次能源。產生的能量用於其他工業或民用，除了鋼鐵生產本身的消耗。
高爐煤氣是煉鐵的副產品。它是焦炭在高爐中部分燃燒，鐵礦石部分還原產生的壹種氣體。它無色、無味、可燃。其主要可燃成分是壹氧化碳和少量的H2。不可燃成分是惰性氣體、二氧化碳和N2。CO的體積分數壹般為21%-26%，熱值不高，壹般低位熱值為2760-3720 kJ/m3。高爐煤氣的著火溫度約為600℃，其理論燃燒溫度約為1150℃，遠低於煤的理論燃燒溫度。燃燒溫度低，高爐煤氣難以完全燃燒，燃燒穩定性差。由於高爐煤氣含有大量的氮氣和二氧化碳，燃燒溫度低，速度慢，燃燒困難，使得很多鋼鐵企業的高爐煤氣放散率很高。利用高爐煤氣發電，由於燃料成本低，系統簡單，降低了燃料運輸成本和基建成本，可以緩解企業用電緊張，減少CO對環境的汙染，達到節能、增電和改善環境的雙重效果，不僅可以為企業創造可觀的經濟效益，還可以創造綜合的社會效益。
根據鋼鐵行業高爐煤氣的主要利用方式，對燃煤鍋爐摻燒高爐煤氣改造為全燒高爐煤氣鍋爐進行了理論分析和相應的改造措施。
1摻燒高爐煤氣對鍋爐性能的影響
1.1對爐內燃燒特性的影響。
當燃煤鍋爐摻燒高爐煤氣時，高爐煤氣的低位熱值很低(2760
-3720 kj/m3)，而普通煙煤的低熱值約為18000 kj/kg。因此，爐內理論燃燒溫度肯定會下降，導致煤粉燃燒穩定性變差，煤粉顆粒不完全燃燒量增加，從而增加飛灰含碳量，增加機械不完全燃燒損失，降低鍋爐效率。另壹方面，摻入高爐煤氣後，送入爐內的吸熱介質增加，煙氣熱容量增加，火焰中心溫度水平降低，火焰中心位置上移，導致煤粉在爐內停留時間縮短，煤粉燃燒不完全，飛灰含碳量增加。第三，摻入高爐煤氣後，爐內煙氣量增加(表1)，爐內煙氣流速增加，從而縮短煤粉顆粒在爐內的停留時間，造成煤粉不完全燃燒。第四，與高爐煤氣混合後，高爐煤氣中大量的氮氣等惰性氣體阻礙了可燃組分與空氣的充分混合，降低了發生燃燒反應的分子間碰撞的概率，導致煤粉顆粒燃燒不穩定、不完全，增加了飛灰含碳量。可見摻燒高爐煤氣後，飛灰含碳量增加，鍋爐效率降低。試驗證明[1]，從飛灰含碳量來看，在不提高爐膛溫度水平的情況下，高爐煤氣的最佳摻配率應在25%以內。
表1燃料產生1MJ的煙氣燃燒熱。
眾所周知，固體的輻射能力遠大於氣體，燃燒高爐煤氣產生的煙氣中具有輻射能力的三原子氣體的份額遠低於煤，而占氣體很大壹部分的雙原子氣體如N2則不具有輻射能力。而且燃燒高爐煤氣產生的煙氣中的三原子氣體主要是CO2和少量的H2O，CO2的輻射能力低於H2O。所以摻入高爐煤氣後，爐內火焰輻射能力減弱，更多的熱量流向後過熱器。摻燒鍋爐煤氣後，爐內換熱能力降低。對於以爐膛水冷壁為主要蒸發受熱面的鍋爐，如果不調整鍋爐結構，鍋爐的蒸發量會下降。
1.2對爐後煙道傳熱特性的影響
對流換熱過熱器系統吸收煙氣熱量主要取決於換熱溫度、壓力和換熱系數。對於燃煤摻燒高爐煤氣的鍋爐，爐膛出口煙氣溫度差別不大[2]，因此傳熱溫度和壓力差別不大。但摻燒高爐煤氣的鍋爐煙氣體積流量比燃煤鍋爐大，對流受熱面煙氣流速增大，從而提高了傳熱系數，增加了過熱器的吸熱，導致過熱器出口溫度過熱。同樣，隨著煙氣量的增加，如果爐後受熱面不變，布置在爐後煙道中的過熱器、省煤器和空氣預熱器的吸熱量會增加，但不足以將排煙溫度降低到以前的溫度水平，因此排煙溫度會升高，排煙熱損失也會增加。
2.燃燒高爐煤氣對鍋爐性能的影響
2.1對爐內燃燒特性的影響
高爐煤氣中大量的N2、CO2等惰性氣體在燃燒時不參與燃燒反應，相反還吸收了大量可燃氣體燃燒時釋放的熱量，使得高爐煤氣的燃燒溫度較低。高爐煤氣雖然是氣體燃料，理論燃燒溫度(-1150℃)遠低於煤粉顆粒(1800℃-2000℃)，但高爐煤氣中含有的大量惰性氣體會阻礙火焰傳播，使其變慢(如層流火焰傳播速度僅為0.3-1.2m)。高爐煤氣中幾乎沒有灰分。燃燒時，火焰基本不產生輻射能。燃燒產生的煙氣中只有三原子氣體具有輻射能力，高爐煤氣中大量的氮不具有輻射能力。因此，燃燒高爐煤氣的鍋爐爐內煙氣的輻射傳熱能力低於燃煤鍋爐。因此，爐內水冷壁吸熱減少，導致鍋爐蒸發量減少。
2.2對爐後煙道傳熱特性的影響
由於高爐煤氣中幾乎沒有粉塵，燃燒高爐煤氣產生的煙氣中的飛灰可以忽略不計，所以對流受熱面的汙染系數ξ很低，只有0.0043，而對於燃煤鍋爐，當煙氣流速為10m/s時，汙染系數ξ為0.019[3]，說明燃燒高爐煤氣。
高爐煤氣中含有大量惰性氣體，相同燃燒能量的高爐煤氣產生的煙氣量比純煤燃燒產生的煙氣量大。因此，流經對流受熱面的煙氣量增加，煙氣流速增大，導致對流傳熱和對流吸熱的傳熱系數增大。因此，從對流受熱面吸熱的過熱蒸汽溫度升高。同樣，隨著煙氣量的增加，如果爐後受熱面不變，布置在爐後煙道中的過熱器、省煤器和空氣預熱器的吸熱量會增加，但不足以將排煙溫度降低到以前的溫度水平，提高排煙溫度，增加排煙熱損失。
3摻燒高爐煤氣後的改造措施
從以上分析，為了解決摻燒高爐煤氣後的壹系列問題:爐溫下降；過熱蒸汽溫度上升；飛灰含碳量增加；排氣溫度變得更大等。，並提出以下解決方案。
3.1改造燃燒器
高爐煤氣燃燒器壹般布置在煤粉燃燒器的下部。當高爐煤氣燃燒器具有啟動鍋爐的功能時，這種布置可以獲得燃燒和調節空氣溫度的好處。如果用煤的燃燒來穩定高爐煤氣的燃燒，只會有利於溫度的調節。由於高爐煤氣混合燃燒後爐內火焰中心位置上移，導致煤粉燃燒不完全，排煙溫度升高等問題，可以采取盡量下移燃燒器位置，向下傾斜燃燒器噴嘴等措施，降低火焰中心位置，增加燃料在爐內停留時間。選擇能強化煤粉燃燒的燃燒器，如燃燒室穩定的煤粉燃燒器[4]，以強化煤粉顆粒的燃燒，降低飛灰含碳量，提高鍋爐效率。
3.2過熱器改造
與高爐煤氣混合後，爐內輻射吸熱減少，對流吸熱增加。因此，如果可行，增加更多的屏式過熱器，對流過熱器的受熱面相應減少。這樣可以在完全燃煤和摻燒高爐煤氣的工況下，兼顧過熱器的調溫性能，避免減溫水過量增加。
3.3省煤器的改造
與高爐煤氣混合後，爐內輻射吸熱減少，直接影響鍋爐蒸發量和鍋爐出力。另外，與高爐煤氣混合後，煙氣量增加，排煙溫度升高。因此，在爐後煙道中增加省煤器的換熱面積，采用沸騰式省煤器，保證其沸騰度不超過20%。否則，由於省煤器內工質體積和流量的增加，省煤器的流動阻力會大大增加，從而影響鍋爐的經濟性。增加省煤器的換熱面積，提高省煤器的吸熱，降低排煙溫度過高，減少排煙損失，提高鍋爐效率。
4高爐煤氣完全燃燒後的改造措施
4.1爐改造
燃煤鍋爐爐內輻射傳熱能量很大，爐內布置大量水冷壁吸收輻射熱。高爐煤氣燃燒後，爐內輻射能降低。過多的水冷壁吸收了大量的輻射熱能，會進壹步降低爐內溫度，加劇高爐煤氣燃燒的不穩定性。因此，鋪設防火帶將減少燃燒區下部爐膛的吸熱，進壹步提高燃燒區的爐溫，提高高爐煤氣的燃燒穩定性。增加火焰保護區後，水冷壁面積減小，鍋爐蒸發量減少。為了保證鍋爐蒸發量，需要增加高爐煤氣量，增加爐膛熱負荷。但爐膛熱負荷高也增加了煙氣量和爐膛出口溫度，導致過熱蒸汽過熱和煙氣溫度升高，鍋爐效率降低。因此，通過無限增加爐膛熱負荷來增加鍋爐蒸發量是不可能的。鍋爐改燒高爐煤氣後，爐內換熱能力明顯降低。對於以爐膛水冷壁為全部蒸發受熱面的鍋爐，如果不允許對鍋爐結構進行大的改動，蒸發量肯定會下降。
4.2燃燒器改造
對於高爐煤氣，動力燃燒即無焰燃燒是壹種火焰長度短、燃燒速度快、強度大、溫度高的合適燃燒方式。但由於其體積大、回火度高、噪音大、負荷調節不靈活、流道復雜、成本高，在實際中很少使用。而擴散燃燒不僅火焰過長，而且混合差，燃燒不完全，不適合高爐煤氣。實際上，大多數燃燒器與部分空氣預混合。這種燃燒器結構簡單，不易回火，負荷調節靈敏，在煤氣熱值和空氣預熱溫度波動的情況下穩定，調節範圍寬，在鍋爐最小負荷到最大負荷的情況下穩定。
燃燒器的布置主要考慮以下幾點:火焰應位於爐膛的幾何中心，使火焰盡可能充滿爐膛，使爐內熱量分布均勻，受熱面負荷均勻，不會因局部受熱而增加內應力，防止受熱不均勻。至於布置高度，在不影響火焰擴散角的情況下，燃燒器布置在低位，有利於增加煤氣燃燒時間，保持爐溫均勻。
4.3過熱器的改造
改燒高爐煤氣後，煙氣量的增加會造成過熱蒸汽的過熱，適當減小過熱器的面積可以將過熱蒸汽的溫度控制在規定的範圍內。過熱蒸汽的溫度也可以通過增加減溫器的溫度調節能力來控制。
4.4增加煤氣預熱裝置
壹方面，安裝氣體預熱器可以進壹步降低排煙溫度，提高鍋爐效率；另壹方面，它可以增加入爐能量，提高燃燒溫度，增強火焰的輻射能力，改善高爐煤氣的著火和燃盡條件。研究證明，高爐煤氣溫度每提高10℃，理論燃燒溫度可提高4℃。但由於高爐煤氣的易燃性和毒性，要求高爐煤氣與煙氣的熱交換過程嚴格，不能有泄漏，所以理論上只能采用分離式熱管換熱器。
4.5省煤器的改造
燃燒高爐煤氣後，煙氣溫度上升，鍋爐蒸發量下降。因此，增加省煤器面積，采用沸騰式省煤器，可以提高省煤器的吸熱能力，降低過高的煙氣溫度，減少煙氣損失，提高鍋爐效率。另壹方面，高爐煤氣鍋爐內火焰黑度和溫度較低，不宜單純通過增加受熱面面積來增加鍋爐蒸發量，而采用沸騰省煤器來彌補鍋爐蒸發量的減少，這是提高鍋爐出力的有效措施。
4.6尾部煙道改造
由於高爐煤氣熱值低，惰性氣體含量高，燃燒高爐煤氣時，鍋爐的煙氣量和阻力都會增加。因此，壹般需要考慮擴大尾部煙道的流通面積，以減少流動阻力，增加引風機的引風量。
4.7氣體安全防爆措施
考慮到安全性，有必要建立燃氣鍋爐的燃燒系統，包括自動點火的自動控制、熄火保護、自動燃燒調節和必要的連鎖保護。同時，為了減少爆炸時對爐膛和煙道的破壞程度，燃氣鍋爐的爐膛和煙道上應安裝防爆裝置。此外，燃氣系統應設置輻射管，輻射點應布置在鍋爐房進氣總切斷閥的入口側、主管道的末端、管道和設備的最高點、燃燒器的前方。采取上述安全措施後，可確保鍋爐安全運行。
參考資料:
[1]展誌鋼，煤粉與高爐煤氣混合燃燒對煤粉燃盡影響的研究[D].武漢:華中科技大學，2004。
姜香山，燃油燃氣鍋爐及鍋爐房設計[M]。北京:機械工業出版社，2003。
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陳剛，張誌國，等.穩燃室煤粉燃燒器的試驗研究與應用[J].電力工程，1994(12)。
劉京生，王子兵，全燃高爐煤氣鍋爐的優化設計[J].河北理工學院學報。