侯立泉， 石 磊， 张昌建， 侯焙然， 熊楚超， 刘 欢， 罗景辉

(1.河北工程大学，河北邯郸056038；2.邯郸市峰峰平安燃气有限公司，河北邯郸056038)

峰峰矿区矿井含有大量的矿井气，3座100×104t焦化厂有焦炉煤气，天然气主管道也经过该矿区。由于生产和地质结构等原因，焦炉煤气、矿井气生产量不稳定，有时造成锅炉运行困难[1]，因此经常需要几种气源一起燃烧。由于上述3种燃气的压力、浓度、低热值不同，难以在一台锅炉上同时取得好的燃烧效果，造成焦炉煤气、矿井气不能得到很好的应用。我们研发的多气源混合燃烧装置很好地解决了上述问题，实现了这3种燃气既可以单独燃烧，也可以两种或3种气源同时燃烧。该装置于2013年7月已获国家发明专利授权[2]，发明名称中的煤层气即本文中的矿井气，煤气即本文中的焦炉煤气。本设计以燃烧焦炉煤气、矿井气为主，以燃烧天然气为辅，使焦炉煤气、矿井气得到充分利用，对节约能源、保护环境具有重大意义。

1 多气源混合燃烧装置原理及工作流程

天然气热值为33.49～35.59 MJ/m3，焦炉煤气热值为16.09～18.34 MJ/m3[3]。矿井气中CH4体积分数一般大于30%，该矿区矿井气CH4体积分数为34%～51%。该燃烧装置将混合热值定在10.86～38.22 MJ /m3。

焦炉煤气、矿井气、天然气都是可燃气体，要充分利用其特性，在混合装置中完成焦炉煤气、矿井气和天然气的混合，得到一维均相流模型，使它们互为置换、互为补充，以高效利用为原则，利用各种燃气资源，做到能源利用结构优质化。使同一燃烧器可以燃用不同燃料，在常规的结构设计上增加了一台缓冲罐，配备了一台专用变频风机和电动球阀[4]。根据可燃气体的浓度，主要是甲烷和一氧化碳的浓度，确定燃气的热值。根据燃气的热值来配置进风量，保证低氮燃烧，控制炉膛温度在950 ℃上下，热值高的气体要增大风量，热值低的气体要减少风量。控制进风量主要有两种方法：一是变频控制风机进风量，二是控制进风阀的开启度，保证系统正常燃烧[5]。

多气源混合燃烧装置的工作流程见图1，图1中连接至9、12、13的紫色线为控制线。首先，打开送风机10送风，对炉膛进行吹扫，确定有无可燃气体。完成吹扫后，由火检装置17对炉膛检验有无火种。火检安全后，启动链条推进器16，将点火枪14推进到点火位置。天然气、矿井气、焦炉煤气经过可燃气体混合装置7混合，经过在线气体分析器8、流量测量装置6和截止阀4、电动球阀3、阻火器2后，进入扩散燃烧器1(扩散燃烧器1包括不锈钢燃烧头18、不锈钢旋流片19、空气风道20)，与送风机10送出的风一起喷入炉膛。由点火枪14点火，点火枪在点火3 s后自动退回点火前位置，完成一次点火。

图1 多气源混合燃烧装置的工作流程1.扩散燃烧器 2.阻火器 3.电动球阀 4.截止阀 5.送风量测量装置 6.流量测量装置 7.可燃气体混合装置 8.在线气体分析器 9.可燃气体和空气配比控制装置 10.送风机 11.送风控制阀门 12.主控制柜 13.点火控制装置 14.点火枪 15.移动侍服装置控制器 16.链条推进器 17.火检装置 18.不锈钢燃烧头 19.不锈钢旋流片 20.空气风道

可燃气体和空气配比控制装置9收集在线气体分析器8分析得到的混合气体组成信号、流量测量装置6测量的混合气体流量信号以及送风量测量装置5的送风量信号，根据这些信号来控制调节电动球阀3和送风控制阀门11。

主控制柜12为可燃气体和空气配比控制装置9、点火控制装置13和移动侍服装置控制器15的总控制器，为控制器9、13、15提供电源。

点火控制装置13对点火进行控制，接收到火检装置17传递的无火种信号后，启动点火装置开始点火；若接收到火检装置17传递的有火种信号，则点火装置不启动。

2 多气源混合燃烧装置的控制过程

图2为多气源混合燃烧装置的控制过程。首先打开送风机对炉膛进行吹扫，确定有无可燃气体。完成吹扫后，由火检装置对炉膛检验有无火种，若有则停机，若没有则开始点小火，经过温度控制器判断火焰是否正常。若火焰不合格，则停止供气；若合格，则继续供气维持正常燃烧。停机时，先停供燃气，再停供空气。停机后，为了确保系统安全进行后吹扫，通过浓度控制器判断炉膛内可燃气体的体积分数，当炉膛内可燃气体体积分数合格后即可停机。

3 多气源混合燃烧装置的主要设备

3.1 旋流式扩散燃烧器

选用旋流式扩散燃烧器，其作用是将可燃气体扩散开，增加燃气与空气的接触，提高燃烧效率。旋流式扩散燃烧器与锅炉配套运行，一台锅炉一般安装4套，可燃气体的最大流量为480 m3/h，平均每套燃烧器用气量为60～120 m3/h，可调[6]。燃烧器主要技术参数见表1。

3.2 火检装置

采用WHKF-1型可见光动态火焰检测装置，该装置是根据电力行业有关标准规范，总结和吸收国内外同类产品的经验，采用先进的光纤传导技术设计制造的一种炉膛火检装置。其结构简单，操作方便，性能可靠，可长期连续地检测各种燃气、燃油及燃煤锅炉，是锅炉安全保护系统必不可少的检测设备，主要应用于工业动力锅炉的火焰监测与保护。该火检装置包括信号放大器(增强信号强度)、检测器(火检探头)和光纤(传输信号)等设备[7]。检测器工作波长为300～3 000 nm。信号放大器的技术参数见表2。

表1 燃烧器主要技术参数

表2 信号放大器的技术参数

3.3 点火装置

采用GGD系列高能锅炉点火装置，该点火装置与同类型点火装置相比，具有放电能量大、点火速度快、价格低等优点。其结构合理，性能可靠，防尘和防水性能好。在GGD系列高能锅炉点火装置上加装点火频率可调装置，使整个点火装置使用寿命大大延长。点火装置包含点火器、高压传输电缆、点火枪、半导体电嘴等。

高能点火能量发生器(点火器)输入工作电源，经升压、整流获得直流高压，向储能元件充电。储能元件达到额定电压后，电能即通过放电元件，经高压传输电缆及耐高压导电杆(点火枪)，将电能集中在半导体电嘴上，击穿半导体，同时产生高温脉冲电火花，引燃燃气。

高压传输电缆及耐高压导电杆将电能转输到半导体电嘴上，工作时能承受很高的电压及电流。点火装置在1 000 ℃以上的高温中能正常工作。

半导体电嘴是用耐高温、抗电腐蚀的材料制成，熔点及抗氧化性远远高于普通材料。半导体电嘴两极间镶有特制的半导体陶瓷，使电嘴击穿放电，以保证点火可靠性。根据电嘴处的燃气状况改变点火频率，可大大延长电嘴及整个装置的使用寿命[8]。点火装置的技术参数见表3。

表3 点火装置的技术参数

3.4 移动侍服装置

移动侍服装置由移动侍服装置控制器15和链条推进器16组成。通过移动侍服装置将点火枪、火检装置传输到相应位置，在链条推进器的作用下，将固定点火枪和火检装置的机构前后移动，推进速度为1 m/s，推进长度为1.5 m，推进速度和长度可根据需要设定，退出速度为1 m/s。

4 应用效果

多气源混合燃烧装置研发完成后，在峰峰集团羊渠河矿3台锅炉上运用，图3为多气源混合燃烧装置安装现场图。在矿井气中混入一定量的天然气进行燃烧，每小时燃烧矿井气1 000 m3，锅炉效率提高8.16%，解决了焦炉煤气、矿井气利用难的问题。

图3 多气源混合燃烧装置安装现场图

5 结论

① 焦炉煤气、矿井气、天然气因压力、低热值不同，难以在一台锅炉上同时取得好的燃烧效果，鉴于此，研发了多气源混合燃烧装置(已获国家发明专利授权)。

② 多气源混合燃烧装置主要由可燃气体混合装置、扩散燃烧器、送风机、可燃气体和空气配比控制装置、点火枪、火检装置、阀组、主控制柜等组成。在常规的结构设计上增加了一台缓冲罐，配备了一台专用变频风机和电动球阀，在吹扫、点火、气风比例、燃烧、负荷调节及熄火过程中均由程序自动控制，使焦炉煤气、矿井气、天然气既可以单独燃烧，也可以两种或3种气源同时燃烧。