一种适用不同热值煤气双蓄热燃烧系统设计及改造方法

摘要

一种适用不同热值煤气双蓄热燃烧系统设计及改造方法，属于工业炉技术领域。该改造方法包括对煤气系统、空气系统、空烟系统、煤烟系统及双蓄热烧嘴的设计及改造。其优点在于，该方法打破了传统的加热炉因加热炉煤气热值变化对加热炉进行大规模的改造，直接利用蓄热燃烧技术的优点和适用范围，实现了只对加热炉燃烧系统进行局部改造，其改造投资以及工期只有传统改造方法的10%，具有巨大经济效益、产量效益和社会效益。

说明书

技术领域

本发明属于工业炉技术领域，特别涉及一种适用不同热值煤气双蓄热燃烧系统 设计及改造方法。

背景技术

蓄热式技术是国际上90年代迅速发展的新一代先进燃烧技术，具有高效、优质、 节能和低污染排放等诸多优点，被誉为21世纪的关键技术之一，又被称为环境协调 型燃烧技术。早在19世纪中期就开始应用于高炉、热风炉、焦炉等规模大且温度较 高的炉子，但传统的蓄热室采用格子砖为蓄热体，热效率低，蓄热室体积庞大，换 向周期长，限制了在其它工业炉上的应用。

1982年英国Hot Work Development公司和British Gas研究合作，成功开发 第一座使用陶瓷小球作为蓄热体的新型蓄热式加热炉，节能效果显著。

20世纪90年代以来，国际上蓄热式燃烧技术的研究和应用方面取得了很大的进 步，提升为“高温空气燃烧技术”（HTAC:High Temperature Air Combustion),目 前投入的蓄热式加热炉已有上百座，但番禺珠江钢管（连云港）有限公司高性能管 线钢板材工程是国内第1座适用不同热值煤气双蓄热燃烧技术的加热炉，由于钢铁 基地各工序建设先后关系以及资金投入的制约，项目建设先期先上轧钢工序，轧钢 工序之前的冶炼工序滞后2-3年建设，因此轧钢加热炉设计煤气选择成为研究课题， 考虑到整个钢铁基地建设和基地建成后能源平衡，基地建设先期配套轧钢工程新建 煤气发生炉，加热炉采用2230Kcal/Nm³煤制气作为燃料，将来冶炼工序投产后，关 闭煤气发生炉，采用750Kcal/Nm³高炉煤气作为燃料，降低企业能源支出成本，实现 企业自身的能源平衡。加热炉先后不同阶段采用不同热值煤气作为燃料，采用何种 燃烧技术使将来煤气热值变换时，燃烧系统的改造费用最低、改造工期最短、改造 前后燃烧系统控制精度不受影响。因此综合考虑加热炉煤气热值的变化，加热炉燃 烧系统的设计成为一个全新的课题。

由于钢铁基地各个工序建设先后步骤关系以及项目投资的制约，钢铁基地能源 结构不断的变化，导致作为钢铁基地钢铁厂轧钢车间加热炉燃料也在阶段性的变化， 在轧钢车间新建加热炉设计时，综合考虑燃料热值变化对燃烧系统的影响，以及不 同热值煤气对应燃烧系统的相同点和不同点，把相同点和不同点综合考虑，建立静 态和动态联系，以达到煤气热值变换时，加热炉燃烧系统只作局部改造，就能适用 燃料变化对燃烧系统的影响，这正是本发明的内容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用不同热值煤气双蓄热燃烧系统设计及改造方 法。解决了传统加热炉在不同阶段采用热值煤气，当煤气热值变化时，加热炉燃烧 方式需要改变，项目改造存在投产高、周期长等问题。

该改造方法包括煤气系统、空气系统、空烟系统、煤烟系统及双蓄热烧嘴5的 设计及改造。其中，由于空气系统本身具有1:5的调节比，因此，煤气热值变换后， 空气量变化幅度小，空气系统不需进行改造；同时，由于空烟系统本身具有1:5的 调节比，因此，煤气热值变换后，进入空气蓄热箱14的烟气量几乎没有变化，空烟 系统不需进行改造。

为解决上述技术问题，具体方法如下：

（1）煤气系统设计以及煤气热值变换后改造方法：新建加热炉煤的煤气管道2 口径按照低热值高炉煤气选型设计，预热段、加热段和均热段的流量计3和调节阀4 按照先期投入使用的高热值煤制气选型设计，同时在煤气总管设置压力调节阀1，对 煤气系统压力进行调节，压力控制范围为7900～8100Pa。投产后，当煤气热值降低 时，对预热段、加热段和均热段的流量计3和调节阀4再重新按照低热值高炉煤气 进行选型设计，满足煤气热值降低后调节阀4在20%～60%开度范围调节，流量计3 在20%～90%量程范围内计量。

（2）煤烟系统设计以及煤气热值变换后改造方法：新建加热炉的煤烟管道7口 径和煤烟系统中的排烟风机6按照低热值高炉煤气选型设计，且排烟风机6采用变 频风机，预热段、加热段和均热段的排烟调节阀8的口径按先期投入使用的高热值 煤制气参数设计。投产后，当煤气热值降低时，预热段、加热段和均热段的排烟调 节阀8再重新按照低热值高炉煤气进行选型设计。

（3）双蓄热烧嘴5设计以及煤气热值变换后改造方法：新建加热炉的双蓄热烧 嘴5的煤气蓄热箱13及双蓄热烧嘴5的煤气喷口15大小按照低热值高炉煤气选型 设计，新建加热炉的双蓄热烧嘴5的空气蓄热箱14及空气喷口17大小按照高热值 煤制气选型设计，其中煤气喷口15和空气喷口17的结构均为多孔结构。投产后， 当采用高热值煤制气时，为确保双蓄热烧嘴5处在最佳工况下工作，需减少煤气蓄 热箱13内装载的蓄热体用量，在煤气蓄热箱13的上、下两层填塞实体砖和纤维毯， 中间层设置蜂窝状蓄热体，以保证气流畅通；并用煤气喷口砖16堵塞上、下两排煤 气喷口15，确保煤气以最佳流速喷到炉内。当煤气热值降低时，将煤气蓄热箱13内 填塞的实体砖和纤维毯改为蜂窝状蓄热体，使整个煤气蓄热箱13保持畅通；捅开堵 塞的煤气喷口15，保证煤气喷口的最佳流速和火焰刚性；并在空气蓄热箱14内填塞 12.5%的蜂窝状蓄热体；用空气喷口砖18堵塞12.5%的空气喷口17。

本发明的优点在于：该方法打破了传统的加热炉因加热炉煤气热值变化对加热 炉进行大规模的改造，直接利用蓄热燃烧技术的优点和适用范围，实现了只对加热 炉燃烧系统进行局部改造，其改造投资以及工期只有传统改造方法的10%，具有巨大 经济效益、产量效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明煤气和煤烟系统图。其中，压力调节阀1、煤气管道2、流量计3、 调节阀4、双蓄热烧嘴5、排烟风机6、煤烟管道7、排烟调节阀8。

图2为本发明空气和空烟系统图。其中，流量计3、调节阀4、双蓄热烧嘴5、 排烟风机6、排烟调节阀8、鼓风机9、空气管道10、空烟管道11。

图3为本发明双蓄热烧嘴5的示意图。其中，烧嘴本体12、煤气蓄热箱13、空 气蓄热箱14、煤气喷口15、煤气喷口砖16、空气喷口17、空气喷口砖18。

图4为实施例1中燃烧2230kcal/Nm³煤制气时双蓄热烧嘴5的A-A断面图。其中， 煤气蓄热箱13、空气蓄热箱14。涂黑部分表示投产前2年煤气蓄热箱13需要堵塞 部分。

图5为实施例1中燃烧750kcal/Nm³高炉气时双蓄热烧嘴5的A-A断面图。其中， 煤气蓄热箱13、空气蓄热箱14。涂黑部分表示投产2年后燃料变换时空气蓄热箱14 需要堵塞部分。

图6为实施例1中燃烧2230kcal/Nm³煤制气时双蓄热烧嘴5的B向视图。其中， 煤气喷口砖16、空气喷口砖18。涂黑部分表示投产前2年需用煤气喷口砖16堵塞 煤气喷口15的部分。

图7为实施例1中燃烧750kcal/Nm³高炉气时双蓄热烧嘴5的B向视图。其中， 煤气喷口砖16、空气喷口砖18。涂黑部分表示投产2年后燃料变换时需用空气喷口 砖18堵塞空气喷口17的部分。

具体实施方式

图1-图7为本发明的一种具体实施方式。

实施例1：

本发明以番禺珠江钢管（连云港）有限公司高性能管线钢板材工程项目4台 250t/h加热炉为例，对本发明具体实施方式进行介绍，该工程投产前2年采用 2230Kcal/Nm³煤制气作为燃料，2年后采用750Kcal/Nm³低热值高炉煤气作为燃料， 加热炉燃料变化后，煤气消耗量、进入煤气蓄热箱14中的烟气量（简称煤烟量）增 加约2倍，而空气消耗量、进入空气蓄热箱16中的烟气量（简称空烟量）降低约12.5%。 由此可见，煤气热值变化后，煤气系统、煤烟系统变化特别大，空气系统、空烟系 统变化率比较小。因此煤气热值变化后，空气系统、空烟烟系统、煤气系统、煤烟 系统进行改造，其步骤和方法如下：

（1）煤气系统设计以及煤气热值变换后改造方法：随着煤气热值变化，经燃料 燃烧计算得知：煤气用量增加3倍，因此新建加热炉的煤气管道2口径按照 750Kcal/Nm³高炉煤气设计（见图1），预热段、加热段和均热段的流量计3、调节阀 4按照2230Kcal/Nm³煤制气选型设计，同时在煤气总管设置压力调节阀1，对煤气系 统压力进行调节，满足自动控制精度要求，压力控制在8000Pa。投产2年后，由于 煤气热值变化，预热段、加热段、均热段流量计3和调节阀4由于流量差别特别大， 因此需对预热段、加热段、均热段的流量计3和调节阀4重新按照750Kcal/Nm³高炉 煤气进行选型设计，满足煤气热值变化后调节阀4在20%～60%开度范围调节，流量 计3在20%～70%量程范围内计量。

（2）空气系统设计以及煤气热值变换后改造方法：随着煤气热值变化，经燃料 燃烧计算得知：空气量变化幅度小，由于空气系统（见图2）本身具有1:5调节比， 因此，随着燃料变换空气系统不需要进行改造。

（3）空烟系统设计以及煤气热值变换后改造方法：随着煤气热值变化，经燃料 燃烧计算得知：进入空气蓄热箱14的烟气量降低了12.5%，由于空烟系统（见图2） 本身具有1:5调节比，因此随着燃料变换空烟系统不需要进行改造。

（4）煤烟系统设计以及煤气热值变换后改造方法：随着煤气热值变化，经燃料 燃烧计算得知：进入煤气蓄热箱13的烟气量变化接近3倍，因此，新建加热炉的煤 烟管道7口径按照750Kcal/Nm³高炉煤气进行设计，但是为了确保煤烟系统（见图1） 调节精度，预热段、加热段和均热段的排烟调节阀8的口径按照2230Kcal/Nm³煤制 气设计，投产2年后燃料变换为750Kcal/Nm³高炉煤气时，预热段、加热段和均热段 的排烟调节阀8按照750Kcal/Nm³高炉煤气重新进行设计选型；排烟风机6按照投产 2年燃料变换为750Kcal/Nm³高炉煤气设计，投产前2年由于煤烟系统烟气量只有风 机能力的30%，为保证排烟风机6的使用性能，排烟风机6采用变频风机，调节范围 大，避免投产前2年，排烟风机6运行出现“大马拉小车”现象，运行电耗高。

（5）双蓄热烧嘴5设计以及煤气热值变换后改造方法：随着燃料由2230Kcal/Nm³煤制气变为750Kcal/Nm³高炉煤气，经燃料燃烧计算得知：进入双煤气蓄热箱13的 烟气量增加到原来的3倍，因此，新建加热炉的双蓄热烧嘴5的煤气蓄热箱13以及 煤气喷口15大小按照投产2年后燃料变换为750Kcal/Nm³高炉煤气设计，但是为了 确保投产前2年燃烧2230Kcal/Nm³煤制气时，确保双蓄热烧嘴5处在最佳工况工作， 因此只能减少煤气蓄热箱13内装载的蓄热体用量，在煤气蓄热箱13的上、下两层 填塞实体砖和纤维毯，中间层设置蜂窝状蓄热体，以保证气流畅通（见图4）。投产 2年后燃料变为750Kcal/Nm³高炉煤气时，将煤气蓄热箱13内填塞的实体砖和纤维毯 改为蜂窝状蓄热体（见图5），整个煤气蓄热箱13保持畅通。为保证煤气喷口15的 最佳流速和火焰刚性，煤气喷口15设计成多孔结构，燃烧2230Kcal/Nm³煤制气时用 煤气喷口砖16堵塞上、下两排煤气喷口15（见图6），投产2年后燃料变为750Kcal/Nm³高炉煤气时，捅开堵塞的煤气喷口15，即三排喷口全部畅通（见图7），确保双蓄热 烧嘴5工作能力以及最佳状态工作。

通过燃料燃烧计算可知：随着燃料由2230Kcal/Nm³煤制气变为750Kcal/Nm³高炉 煤气，进入空气蓄热箱14的烟气量降到87.5%。因此，新建加热炉的双蓄热烧嘴5 的空气蓄热箱14以及空气喷口17大小按照2230Kcal/Nm³煤制气设计，投产2年后 燃料变为750Kcal/Nm³高炉煤气时，确保烧嘴在最佳工况工作，在空气蓄热箱14内 填塞12.5%的蜂窝状蓄热体（见图5）；为保证空气喷口17的最佳流速和火焰刚性； 空气喷口17设计成多孔结构，燃烧2230Kcal/Nm³煤制气时，空气喷口17全部畅通 （见图6），投产2年后燃料变为750Kcal/Nm³高炉煤气时，用空气喷口砖18堵塞12.5% 的空气喷口17（见图7），确保双蓄热烧嘴5工作能力以及最佳状态工作。

通过以上设计以及将来煤气热值变换后，通过局部小改造，实现利用很少的投 资以及很短的工期达到加热炉改造的目的，经测算，对于1台250t/h加热炉改造， 相对传统改造方法，投资由1500万元降到150万元，改造周期由100天降到10天， 具有明显的经济效益、产量效益和社会效益。