一、概述
高爐煤氣（Blast Furnace Gas）簡稱BFG，分析了低熱值BFG作為燃料的聯合循環燃汽輪機的特點，采取的技術改造以及聯合循環系統經濟效益，表明了聯合循環發電機組不僅在節能、環保，而且在發電、供熱方面效益顯著。
是煉鋼廠煉鐵生產環節中產生的一種副產品，其特點是熱值低，燃燒穩定性差，含含灰量大。過去傳統采用對空燃燒后排放掉，既不經濟也不環保。后來逐步過度到將BFG混入電廠燃煤機組中，代替一部分煤粉發電，但是仍然不能全部利用掉，以寶鋼為例，每天仍然需要幾十萬立方米每小時的BFG需要排放掉的熱值約有幾千千焦/立方米，雖比不上家用天然氣的含熱量，但一個大型的鋼鐵廠煉鋼產生的高爐廢氣達到幾十萬立方米每小時。由于高爐煤氣數量多，熱值高，含有的CO等多種污染成分，不能直接排放到大氣中，原來多采用對空燃燒，白白浪費掉大量資源。通過建設燃氣機組，把BFG在鍋爐燃燒后的能量轉換為電能，在目前全社會都在講節能、環保而且煤價又高漲的情況下，可取得良好的經濟效益和社會效益。

二、設備的組成及原理
發電廠的汽機、發電機及其附屬設備均為常規設備，所有電廠基本上是容量不同，但配置大同小異，其作用是利用鍋爐加熱產生的蒸汽進入汽輪機，通過沖擊汽輪機葉片帶動汽輪機大軸旋轉，進而帶動發電機轉子旋轉切割磁力線，產生電量，蒸汽作功后溫度和壓力下降，通過汽機輔機系統冷凝回收、加壓、加熱后重新送給鍋爐，重復利用。本文不再展開介紹。本篇僅僅介紹鍋爐側BFG燃料系統。
作為主燃料，BFG系統設置3臺50%容量高爐煤氣增壓風機。鍋爐左右墻對沖燃燒，燃燒器為共18個，分左右墻各三層對稱布置。微正壓燃燒（設置兩臺50%容量送風機）。高爐煤氣設有一臺管式預熱器，使用鍋爐排放煙氣將高爐煤氣加熱至250攝氏度。
系統設備的構成祥見BFG燃氣機組工藝流程及過程控制圖。下面將系統的組成設備及其在系統中的作用分述如下：

BFG工藝流程及過程控制原理圖

1、BFG主管關閉設備
主管關閉設備并列設計有兩個，主要起系統保護動作后起到快速關閉作用，同時因為閥門比較大，運行時為了避免BFG燃料泄漏，需要使用N2（氮氣）進行密封。
2.、BFG增壓風機
BFG通過主管關閉設備后，由于供給壓力比較低，需要經過BFG增壓風機加壓后才能順利進入爐膛，增壓風機入口設計有入口調門，用來調節出口的BFG的流量，出口設計有出口電動門，用來在故障快速關斷燃料。
3、BFG預熱器
BFG經過加壓后，溫度還是比較低，進入爐膛后不容易燃燒，需要經過BFG預熱器，利用煙氣熱量對BFG在預熱器中進行預熱達到合適的溫度。如果BFG流量超過最大值，BFG過剩氣流在預熱器中進行旁路，然后重新混合。
4.、BFG燃燒器
離開預熱器后，BFG進入兩個下降管，在燃燒器上方將BFG分成兩個收集管。帶有九個支線連接的兩個收集管為燃燒器供應BFG。
18個BFG噴嘴由支線進行供給，并且裝配有單獨的BFG流量測定裝置和流量控制擋板。除了控制擋板以外，每一個支線都有快速關閉閥。
5.、BFG熱值儀
BFG發熱量通過兩個發熱量測定設備確定。 因此可以確定點火系統 BFG燃燒器的熱容量并能設置助燃空氣流量，需要對供給的BFG燃料的熱值進行測量，設備配置了“CQ”熱值儀進行測量，位置在BFG預熱器前。
6.、送風機
系統配置兩臺送風機，加壓后經過空氣加熱器預熱，然后向爐膛提供風量，用以滿足整個爐膛燃燒工況的要求。

三．系統工作過程
詳見BFG工藝流程及過程控制原理圖。BFG的線路上有一個壓力（P1）和溫度（T1）修正測量裝置以補償BFG的的流量F。排流點下游供應線路被分成兩條線路。每一條線路配備有一個切斷擋板。
接下來BFG到達三個增壓風機。經過增壓后進入預熱器預熱，BFG預熱器上游的BFG發熱量通過兩個發熱量測定設備確定。 因此可以確定點火系統 BFG燃燒器的熱容量并能設置助燃空氣流量。鍋爐的BFG管線系統惰性由氮氣實現。連接器位于主管關閉設備的下游。
系統設計有適合用戶使用的壓縮空氣，對用氮氣惰化后管道進行清掃，方便進入。該連接器位于氮氣連接器后部。如果BFG流量超過最大值，BFG過剩氣流在預熱器中進行旁路，然后重新混合。
離開預熱器后，BFG進入兩個下降管，在燃燒器上方將BFG分成兩個收集管。帶有九個支線連接的兩個收集管為燃燒器供應BFG。此外在BFG系統設備停止期間有可能對兩個收集管排水。18個BFG噴嘴由支線進行供給，并且裝配有單獨的BFG流量測定裝置和流量控制擋板。除了控制擋板以外，每一個支線都有快速關斷閥。

四．工藝過程主要參數及干擾因素
1、工藝過程主要參數
從過程圖可以看出，燃燒過程的主要參數是供給母管的壓力、和流量，BFG預熱器入口和出口壓力，BFG熱值含量，BFG進入爐膛燃燒前的溫度（T2、T3），BFG與爐膛差壓，爐膛壓力，每個燃燒器的BFG流量和配風量。
BFG母管流量和熱值是確定爐膛負荷的主要參數。在正常生產過程中，高爐煤氣BFG的熱值不是一個恒定值，為了維持爐膛負荷，需要通過調節BFG增壓風機入口開度來改變流量。
BFG供給母管壓力是保證燃料穩定燃燒的基礎。因為供給壓力過高，會危及管道安全；供給壓力過低，無法保證燃料和爐膛間有足夠的差壓，容易造成“回火”。
BFG預熱器入口和出口壓力是保證爐膛負荷穩定的直接指標，因為管道直徑是恒定的，預熱器出口壓力越高，進入爐膛的燃料量越多，爐膛熱負荷越高。壓力可以通過BFG增壓風機入口調節門來控制。
BFG進入爐膛燃燒前的溫度是保證燃料能夠正常燃燒的保護條件，因為燃料燃燒前必須加熱到一定溫度才能穩定燃燒，由于加熱是采用爐膛煙氣來加熱的，所以，爐膛一開始不能夠直接燃燒BFG，需要用油等其它燃料先把爐膛加熱，BFG溫度合適后才能投運主燃料BFG。
18個燃燒器的設計是相同的，只是布置的位置不同，每個燃燒器管線上都布置有BFG流量測量裝置，用來測量BFG流量，計算出每個燃燒器負荷，如果單個燃燒器負荷過大會燒壞設備的。
燃燒器配置的風量。每個燃燒器都配置有一個專門提供風量的管道，以滿足燃料正常燃燒，風量過低會導致燃料燃燒不充分，爐膛有爆炸的危險。
2、工藝過程的主要干擾因素
從示意圖中可以看出，整個BFG燃燒過程的核心是控制燃料的供應壓力、流量，測出BFG的熱值和控制配風量。BFG增壓風機的出口壓力和流量存在著一定的關系，一般壓力升高，流量會增大。燃燒器風量和燃燒器BFG流量存在限制關系，風/燃比是個重要的參數，它是保證燃料安全充分燃燒的前提。為保證時時合格的風/燃比，需要加負荷前先加風，減負荷前先減燃料。BFG的熱值必須及時準確的測量出來，才能計算出進入爐膛的能量。現將影響BFG燃氣機組的穩定運行的主要外部擾動因素分述如下：
2.1 BFG熱值的變化對鍋爐負荷的影響
在生產過程中，BFG的熱值是不斷變化的，在機組負荷相對固定的情況下，由于進入爐膛的能量等于BFG熱值和流量的乘積，所以BFG熱值需要及時測量出來，以對BFG流量進行相應調整。
假定在爐膛能量需求不動的情況下，BFG的熱值由于外部擾動作用升高，由于燃燒器燃燒的BFG流量并沒有減少，所以進入爐膛的能量必然會升高，偏離需求值，為了重新達到動態平衡，需要關小燃料的調節檔板，減少燃料流量。同理，在爐膛能量需求不變的情況下，BFG的熱值如果變小，就需要開大燃料的調節檔板，增大燃料量。
2.2 BFG燃料壓力的變化對鍋爐負荷的影響
BFG燃料壓力變化的擾動原因主要可分為兩部分：供給壓力擾動和爐膛壓力擾動。
BFG風機入口檔板主要是控制BFG預熱器出口壓力，由于BFG供給壓力波動會導致增壓風機出口壓力發生波動，進而影響BFG預熱器出口壓力，擾動進入爐膛的燃料量，所以BFG增壓風機入口調門需要進行相應調整，來消除擾動，維持母管壓力穩定。
爐膛壓力波動稱為內部擾動。由于爐膛處于正壓運行狀態，BFG燃料要想進入爐膛，其壓力必須要大于爐膛壓力，也就是BFG和爐膛間必須要形成一定的差壓。爐膛壓力主要是由進入爐膛的燃料和風在一起燃燒形成的，當風量由于某種原因發生波動時，很快會傳遞給爐膛壓力，在燃料壓力不變的情況下，BFG和爐膛的差壓會發生變化，進而影響進入爐膛的燃料速度。
2.3 風量的變化對鍋爐負荷的影響
鍋爐設計有兩臺送風機，自然風經過風機壓縮后進入空氣預熱器加熱，因為一方面冷風不容易燃燒，另一方面燃料燃燒后形成的煙氣溫度還是很高，直接排入大氣會造成大量的浪費，所以用來對送風機出口的風量進行加熱。通過測量燃料的熱值和流量，可以計算出燃燒需要的風量。運行中如果風量減少，燃料必須立即減少，以保證燃料能充分燃燒。

五 系統控制方案及工作過程
我們知道，燃氣機組正常運行首先是要保證安全，其次是穩定。這里面對控制系統就提出了兩個要求，一是保護系統的動作要快速、準確、到位，二是調節系統要充分適應各種運行工況，即魯棒性強，減少運行人員負擔，為機組穩定運行提供技術保證。這里的保護系統不但指整個機組的安全保證，也指系統內比如燃料供應系統、送風機等眾多輔機等的安全，本文著重介紹BFG代表的燃料系統的保護和調節控制設計。
1 BFG的置換
很明顯，管道在投運使用前，里面肯定充滿了空氣，BFG在投運前必須要先經過管道才能進入爐膛，這里面就有個問題，BFG是含熱量比較高的可燃性氣體，遇見空氣很容易發生爆炸（在爐膛內和空氣混合燃燒是正常的）。為了避免這種情況，系統設計了置換用的N2，因為N2是惰性氣體，和BFG接觸就沒有問題，設計是這樣的，在BFG母管快關閥之后設計有置換用N2管道，如圖所示，在BFG使用前，首先用N2充入管道系統，趕走里面的空氣，這個過程比較慢，需要幾個小時，結束后管道內部就充滿了N2，然后再開快關門放入BFG，這樣就不會發生爆炸了。
2 BFG的密封
從圖中可以看出，BFG母管上的兩個快關閥是整個系統安全的重要屏障，系統一旦出現問題，就需要馬上切斷燃料，正常狀態下，關斷閥前一直是充滿BFG燃料的，BFG是一種有毒的氣體，一旦泄露會使人窒息甚至危及人的生命。為了避免BFG從快關門中泄漏，系統在閥門上設計了密封用N2管道，并設計有壓力開關測點，一旦密封用壓力出現問題，及時報警并切斷BFG的供應確保BFG安全。由于密封用N2壓力高于BFG壓力，所以可以避免BFG以外泄漏。
3 BFG的低壓保護
前面已經提到，BFG在通過增壓風機加壓后，直接進入預熱器預熱到一定溫度后才能進入爐膛燃燒，根據“熱脹冷縮”的原理，在BFG質量不變的情況下，由于溫度升高，BFG的體積會增大，這在燃料正常燃燒中沒有問題，但是在BFG退出運行或者BFG系統保護動作的情況下就會出現以下問題：BFG停止后續供應，介與爐膛和BFG預熱器間的管道內的BFG溫度會越來越低，體積越來越小，相對大氣會形成真空，這樣管道四周的空氣如果滲透到BFG管道中，也容易發生爆炸，為避免這種狀態發生，在BFG預熱器后設計了N2防真空保護系統，一旦發生BFG管道壓力降低，立即充入惰性的N2，確保管道壓力穩定。
4 BFG的壓力調節
BFG增壓風機的入口調門主要是用來調節出口壓力保持相對穩定，因為出口壓力并不是一個固定值，隨著鍋爐負荷的提高，需要的BFG量會增加，出口壓力也需要相應的提高。但是在某個固定的工況下比如BFG流量需求不變的情況下，BFG增壓風機的出口壓力要求是固定的。這里面的擾動主要有幾個，即母管供給壓力波動、BFG熱值出現波動和BFG需求量出現變化，前兩項屬于外部擾動，后面一項屬于內部擾動，無論那種情況出現，壓力調節系統都要及時正確的作出反應，是BFG壓力重新達到動態平衡。
5 BFG流量的調節
前面已經指出，BFG燃燒系統配置有18個相同的燃燒器，每個燃燒器上配置有一個流量測量裝置和和一個流量調節門，用來控制燃燒器負荷。流量調節門設計有快關功能，以滿足快速切斷燃料的保護需要，當BFG的熱值發生波動或者BFG和爐膛的差壓發生變化時，都會影響到燃燒器的負荷，需要調節門及時正確的調節，以克服擾動。另外，為保證BFG充分的燃燒，BFG燃料調節控制方案需要按照做如下設計：加負荷前必須先加風才能加BFG，減負荷前必須先減BFG后才能減風。
6 系統風量調節
鍋爐在每次投云運前，都要先將爐膛內部可能存在的燃料吹掃干凈，以避免在點火階段燃料聚集，發生爆炸，吹掃方法是用足夠的風量將全爐膛吹掃一定時間，吹掃需要所有風門全部打開投入使用，確保不留吹掃死角。系統為每個燃燒器都配置一個風量風量調節門，風量管道上設計有風量測量裝置，確保配風準確、可靠。在鍋爐煙道的尾部設計有氧量測量裝置，如果發現煙氣中含氧量下降，就代表風量不夠，需要加風，氧量主要起矯正作用，風量的需要量主要靠計算燃料量而得。

六 結語
從上面分析可以看出，BFG燃氣機組是十分經濟的，可以避免鋼廠大量能源浪費，又可以有主于緩解目前電量緊張的局面。通過以上保護控制系統和調節控制系統的設計，可以確保BFG安全穩定的燃燒，經過實際檢驗，是全面可靠的。