[发明专利]一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置和监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及热能工程的锅炉技术领域，尤其涉及一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置以及基于该监测装置的监测方法。

背景技术

钢铁企业在冶炼过程中产生了大量的副产煤气，包括高炉煤气、转炉煤气以及焦炉煤气。其中，高炉煤气在炼铁工序中产生，其数量是三种煤气中最大的。然而，由于高炉煤气含氮量高，发热量较低且燃烧稳定性差，许多钢铁厂对高炉煤气的利用都不够充分，大量高炉煤气被直接放散，造成了能源的巨大浪费。如何利用好宝贵的高炉煤气资源，一直是钢铁厂相关技术人员普遍关心的问题。

近年来，随着低热值燃料燃烧技术的发展，高炉煤气锅炉在钢铁企业中得到了大量应用，并取得了较好的成效。然而，高炉煤气锅炉的设计与运行方面还未达到完全合理，仍然存在不少细节需要改进，其中省煤器的沸腾问题是众多运行问题中的热点问题。

对于燃用高炉煤气的锅炉，其燃烧与换热特点与常规燃煤锅炉有较大不同，主要体现在以下几方面：一方面，由于高炉煤气中含有大量的不可燃气体(仅氮气含量就高达50％～60％)，高炉煤气燃烧时的理论燃烧温度比煤粉低很多，如一般烟煤的理论燃烧温度约为1800℃～2200℃，而即使是经过煤气加热器预热后的高炉煤气，其理论燃烧温度也只有1300℃～1450℃，由于炉内火焰的热辐射力与其绝对燃烧温度的四次方成正比，高炉煤气较低的燃烧温度必然造成其火焰辐射力偏弱；另一方面，与燃用煤和油不同，锅炉在燃用高炉煤气时，燃烧产生的烟气中不含有碳黑和灰粒，炉内换热只能依靠烟气中的三原子气体进行辐射热传递，这就造成高炉煤气锅炉烟气自身的辐射力较弱，大大低于常规的燃煤锅炉；此外，高炉煤气锅炉的烟气量较大，烟气流速较高，导致烟气还未来得及完全换热就已流至下一级换热面，造成大量的热量被带至尾部受热面。这样，对于燃用高炉煤气的锅炉，在工质从水到饱和蒸汽所需的总吸热量中，炉膛内蒸发受热面只能完成55％左右，其余的吸热必须通过省煤器来完成，造成给水在省煤器中极易产生一定程度的汽化。

省煤器沸腾度是用来表征省煤器内蒸汽量与流经省煤器给水总量百分比的指标参数，其设计值通常为10％～15％，一般不超过20％。当省煤器沸腾度过高时，会对锅炉的安全运行产生极大的威胁：1)沸腾度过高意味着给水的大量汽化，由于蒸汽的比容要比水大很多，给水汽化必然引起汽水流动阻力的增加，从而造成省煤器压降的大幅增加；2)当省煤器沸腾度达到一定数值时，省煤器内的混合物由水中含汽转变为汽中含水，汽水混合物的流动状态也会随之发生改变，原本汽水流经管路中的弯头部位时，对弯头背部内表面的冲刷是连续均匀的，但随着汽水比值的波动性变化，蒸汽中的水滴就像风中的沙砾一样，在离心力的作用下，间断地大力冲击弯头内壁，从而形成了纵向冲蚀槽沟纹理，随着时间的积累，管子内壁不停地减薄，最终形成泄漏，发生爆管事故；3)沸腾度过高时，省煤器极易出现局部管段内发生膜态沸腾的现象，管内蒸汽气泡生成速度过快，形成连片汽膜，将给水与管壁分离，导致传热恶化，并随着外界条件变化引起管子壁温频繁变化，发生疲劳破坏，经过一定使用周期后发牛裂纹或断裂。

由此可见，需要有一种方法对高炉煤气锅炉省煤器的沸腾度进行在线监测，为高炉煤气锅炉运行人员的操作调整提供依据，确保锅炉的安全运行。然而，从理论而言，要想精确实现省煤器沸腾度的在线监测，不仅需要如省煤器烟气侧进口温度、省煤器烟气侧出口温度、锅炉给水流量等常规锅炉都会实时测量的数据，还需要包括入炉煤气成分和省煤器处烟气成分等并非所有锅炉都会在线测量的数据，而实际现状是大多数钢铁厂都未配置入炉煤气实时检测分析仪和省煤器处烟气成分在线分析仪。

此外，目前国内已投运的煤气锅炉中，一定容量以上的煤气锅炉一般都采用省煤器分级布置的方式，即省煤器分为高温段和低温段两部分，通过分级加热给水来进行烟气能量的梯级利用。对于这类分级布置的省煤器，给水沸腾一般发生在高温段省煤器中。因此，高温段省煤器的运行安全性是煤气锅炉运行人员尤为关注的问题。

基于此背景，如何在钢铁厂现有热工仪表配置条件下，构建一套适用于省煤器分级布置的高炉煤气锅炉的省煤器沸腾度在线监测方法，是当前亟待解决的工程问题，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置以及基于该监测装置的监测方法。

本发明的技术方案是提供一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置，其设计要点，包括：