(河南煤業(yè)化工集團(tuán)濮陽(yáng)龍宇化工有限責(zé)任公司，河南濮陽(yáng) 457000)

0 前言

目前我廠(chǎng)甲醇合成反應(yīng)主要采用銅基催化劑。單程轉(zhuǎn)化率在30% ～40%，合成氣循環(huán)利用，在合成氣不斷循環(huán)過(guò)程中，合成氣系統(tǒng)中的惰性氣體逐漸增加，為保持合成氣系統(tǒng)惰性氣體成分的平衡，需要釋放出一定量的弛放氣體。釋放出的弛放氣中含有大量的CO和H2等可燃?xì)怏w，直接排放嚴(yán)重污染環(huán)境并造成資源浪費(fèi)。經(jīng)考察研究，決定將弛放氣回收，送入鍋爐燃燒利用，實(shí)現(xiàn)廢氣回?zé)?，降低鍋爐燃料煤噸蒸汽消耗，且燃燒后主要生成 CO2和H2O，減少弛放氣排放對(duì)大氣的污染。

1 燃燒爐型和接口的選擇

目前我廠(chǎng)有兩臺(tái)35 t/h高低差速床鍋爐，一臺(tái)35 t/h高速流循環(huán)流化床鍋爐，低速床煙氣流速為6～9 m/s，高速床煙氣流速為15～20 m/s。因低速床鍋爐煙氣流速較低，有利于弛放氣的完全燃燒，所釋放出的熱量較易被鍋爐的受熱面(高溫過(guò)熱器和低溫過(guò)熱器)吸收，有利于控制弛放氣燃燒所需要的風(fēng)量和調(diào)整鍋爐蒸汽的壓力和溫度。盡管高速床同樣可以完全燃燒，但通過(guò)研究論證，認(rèn)為高速床煙氣流速較高，燃燒弛放氣受煙氣流速影響較大，弛放氣燃燒不完全的幾率相對(duì)比較高，在鍋爐尾部煙道容易產(chǎn)生可燃性氣體聚集，對(duì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。因此，綜合考慮鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行、鍋爐運(yùn)行效率、節(jié)能減排、鍋爐運(yùn)行操作調(diào)整等方面的因素，所以選擇煙氣流低的高低差速床鍋爐進(jìn)行弛放氣回收燃燒技術(shù)的研究與應(yīng)用。對(duì)于低速床燃燒弛放氣接口的選擇，我們進(jìn)行了綜合考慮，主要考慮以下四個(gè)方案供研究論證:

1.1 方案一

利用鍋爐原點(diǎn)火器系統(tǒng)，將回收的弛放氣接于點(diǎn)火前總管上，從風(fēng)室送入爐膛密相區(qū)燃燒。經(jīng)過(guò)研究論證，此接口方案的優(yōu)點(diǎn)為:可以利用原來(lái)的點(diǎn)火器管道，投資較小。缺點(diǎn)為:鍋爐送入風(fēng)室后，從風(fēng)帽小孔燃燒，風(fēng)帽材質(zhì)長(zhǎng)期在高溫下，影響風(fēng)帽的壽命。弛放氣送入密相區(qū)后，對(duì)密相區(qū)投煤的穩(wěn)定性造成影響，不利于鍋爐燃燒溫度的調(diào)整，尤其是弛放氣送入密相區(qū)后，因沸騰段的流速為3～4 m/s，且沸騰段是大量的床料，因投煤口直接開(kāi)口于沸騰段，沸騰的料層中碳含量很大，入爐煤70% ～80%的燃燒成分在此階段燃燒，釋放出較大的熱量，鍋爐密相區(qū)料層相對(duì)阻力較大，極有可能造成床層超溫，不利于鍋爐爐況的調(diào)整，影響鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中造成高溫結(jié)焦事故，不利于鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。安全方面:當(dāng)點(diǎn)火器發(fā)生滅火事故后，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)或者處理不及時(shí)，容易造成弛放氣大量進(jìn)入爐膛，造成爆炸事故?；谝陨峡紤]，故不予采用。

1.2 方案二

在密相區(qū)沸騰中段開(kāi)口接入弛放氣。經(jīng)研究認(rèn)為，當(dāng)弛放氣經(jīng)鍋爐密相區(qū)中段送入后燃燒，燃燒直接進(jìn)入高溫段，鍋爐的沸騰層床面溫度最高，有利弛放氣的燃燒。但是同樣存在可能導(dǎo)致鍋爐床層超溫而無(wú)法調(diào)節(jié)的問(wèn)題。當(dāng)床面溫度超過(guò)鍋爐的設(shè)計(jì)值后，鍋爐的操作調(diào)整將發(fā)生根本性改變，配風(fēng)不能適用燃料燃燒的需要，造成風(fēng)煤配比失調(diào)，嚴(yán)重影響鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行;另外，當(dāng)大量的弛放氣進(jìn)入到密相區(qū)的沸騰層中部，料層正常沸騰的風(fēng)量、風(fēng)壓被打亂，極有可能造成料層穿孔，形成風(fēng)洞，導(dǎo)致密相區(qū)料層失壓，形成坐焦，造成鍋爐的結(jié)焦事故。此方案也不予采用。

1.3 方案三

將弛放氣接口開(kāi)于稀相區(qū)上段，經(jīng)研究論證，將弛放氣開(kāi)口開(kāi)于稀相區(qū)上段，對(duì)鍋爐的燃燒沒(méi)有太大的影響，基本不影響鍋爐密相區(qū)的風(fēng)煤比。但是此方案存在以下缺點(diǎn):因弛放氣處于快速燃燒狀態(tài)，且鍋爐稀相區(qū)上段的煙氣流速相對(duì)較快，所以弛放氣進(jìn)入后，有可能被迅速帶入尾部煙道，造成弛放氣燃燒不完全，聚集于尾部煙道，形成爆炸隱患，另外弛放氣在稀相區(qū)上段燃燒后，因煙氣流速快，釋放出熱量不能被完全吸收，弛放氣燃燒釋放出熱量?jī)衾眯实停锌赡茉斐慑仩t排煙溫度高。此方案對(duì)提高鍋爐熱效率沒(méi)有太高的價(jià)值，且存在弛放氣燃燒不完全，在尾部煙道聚集產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)。故此方案不予采用。

1.4 方案四

將弛放氣接入三次風(fēng)入口位置，該位置正好介于稀相區(qū)與密相區(qū)過(guò)渡區(qū)，而三次風(fēng)入口正好有兩個(gè)，所以用其中一個(gè)作為弛放氣的入口，另外一個(gè)作為弛放氣的配風(fēng)口，這樣當(dāng)弛放氣進(jìn)爐燃燒后，通過(guò)調(diào)整配風(fēng)口，我們調(diào)整燃燒確保弛放氣燃燒所需要消耗的氧量，同時(shí)穩(wěn)定爐況燃燒，弛放氣投入后，根據(jù)爐膛中部溫度可以調(diào)整弛放氣量的大小、投煤量的大小、風(fēng)量的配比等，通過(guò)以上手段調(diào)整能使燃煤穩(wěn)定燃燒，穩(wěn)定爐況，使鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過(guò)以上四種方案的比較，第四種方案為最佳而且可行的方案，因此選擇第四種方案，將弛放氣接入三次風(fēng)口入口進(jìn)行研究試驗(yàn)。

2 弛放氣回收燃燒所需風(fēng)量的計(jì)算

甲醇合成系統(tǒng)弛放氣成分為:CO、H2、CH4、N2、CO2。其中CO為12%左右，H260% ～70%，CH4占2% ～4%，CO2占11%左右，N2占13%左右，計(jì)算公式見(jiàn)表2。

表1 理論空氣量公式

根據(jù)表2計(jì)算出2 000 m3/h弛放氣完全燃燒所需要的實(shí)際空氣量為:2 000×2.094 4=4 188.8 m3/h。

3 弛放氣投運(yùn)調(diào)整

3.1 投弛放氣所具備條件

管道安裝全部按設(shè)計(jì)要求及安裝規(guī)范要求竣工;儀表、電器安裝調(diào)試完畢;管道吹掃合格;管道試壓、試漏合格(壓力0.3 MPa，用肥皂試漏保壓30 min);管道置換合格氧含量＜0.5%;爐膛中部溫度不低于800℃;爐膛出口氧含量控制在8%左右。

3.2 弛放氣的投運(yùn)步驟

①調(diào)節(jié)閥投自動(dòng)暫設(shè)定壓力為0.01 MPa(運(yùn)行后可根據(jù)爐況燃燒進(jìn)行壓力調(diào)整);②打開(kāi)緊急切斷閥;③當(dāng)母管弛放氣壓力達(dá)到0.01 MPa時(shí)緩慢打開(kāi)入三次風(fēng)進(jìn)口閥門(mén)，根據(jù)爐況(床中部溫度，爐出口氧含量)調(diào)整燃燒。

3.3 弛放氣燃燒的調(diào)整

控制燃燒弛放氣蝶閥的流量緩慢增加到500 m3/h，這時(shí)出口氧含量微降，在7.7%左右，中部溫度緩慢上升至920℃左右?？刂迫紵诜艢獾y流量緩慢增加到1 000 m3/h，這時(shí)出口氧含量繼續(xù)下降，在7.2%左右，中部溫度緩慢上升至953℃左右。此時(shí)可適當(dāng)稍開(kāi)三次風(fēng)，加強(qiáng)燃燒，維持爐出口氧含量，也可增加二次風(fēng)量或一次風(fēng)量，維持爐出口氧含量。控制燃燒弛放氣蝶閥流量緩慢增加到1 500 m3/h，繼續(xù)增加三次風(fēng)量，維持爐膛出口氧含量穩(wěn)定，爐膛中部溫度緩慢上升至1 000℃左右?？刂迫紵诜艢獾y流量緩慢增加到2 000 m3/h，繼續(xù)增加三次風(fēng)量，加強(qiáng)燃燒，維持爐出口氧含量，也可增加二次風(fēng)量或一次風(fēng)量，維持爐出口氧含量。爐膛中部溫度在1 050℃左右。在鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，爐膛中部溫度隨著煤量的加大，煙氣中粉煤濃度不斷加大，燃燒劇烈，爐膛中溫度不斷上升，為避免爐墻掛焦，而給鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅，一般控制爐膛中部溫度小于等于1 050℃，這時(shí)應(yīng)采取多種措施，比如，減少弛放氣量，或者增加三次風(fēng)量、二次風(fēng)量、一次風(fēng)量，使?fàn)t膛中部溫度維持在1 050℃左右，保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)燃燒弛放氣量的大小，嚴(yán)格控制床溫，盡最大努力燃燒弛放氣，一般以減煤或加風(fēng)為第二控制手段，但最終保持床溫不低于870℃為準(zhǔn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)弛放氣量超過(guò)2 500 m3/h時(shí)，鍋爐主床溫度有下降趨勢(shì)，爐膛出口氧量迅速下降，爐膛出口溫度迅速上升至1 100℃，主蒸汽超過(guò)設(shè)計(jì)值450℃，需要加入減溫水對(duì)主蒸汽減溫;主蒸汽壓力超過(guò)設(shè)計(jì)3.82 MPa，需要打開(kāi)生火排汽放空穩(wěn)定鍋爐壓力。即在投煤量減少的情況，為確保35 t/h高低差床鍋爐燃燒床溫的穩(wěn)定，投入弛放氣量單爐不宜超過(guò)2 500 m3/h。

3.4 正常退出弛放氣的操作

如果弛放氣母管壓力突然高于設(shè)定壓力而又無(wú)法調(diào)整時(shí)，迅速打開(kāi)調(diào)節(jié)放空閥副線(xiàn)，進(jìn)行卸壓，調(diào)整到規(guī)定壓力。如果母管壓力低于0.001 MPa時(shí)，迅速關(guān)閉入三次風(fēng)入口閥，并迅速關(guān)閉緊急切斷閥，打開(kāi)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行放空，并通知合成總控。當(dāng)遇到后系統(tǒng)緊急停車(chē)時(shí)，迅速關(guān)閉緊急切斷閥和調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉3#爐三次風(fēng)入口閥，及時(shí)通知合成崗位。如果長(zhǎng)時(shí)間停車(chē)，在三次風(fēng)入口閥加盲板。當(dāng)遇到緊急停爐時(shí)，首先關(guān)閉緊急切斷閥并迅速關(guān)閉進(jìn)三次風(fēng)入口閥和全部打開(kāi)調(diào)節(jié)閥位放空，迅速通知甲醇合成總控室操作人員進(jìn)行調(diào)整，如果長(zhǎng)時(shí)間停車(chē)，在三次風(fēng)入口閥加盲板。

4 安全保護(hù)系統(tǒng)

弛放氣的主要成分為CO、H2等，為易燃易爆氣體，與空氣混合后，在一定比例范圍內(nèi)遇明火將發(fā)生爆炸。因此，鍋爐摻弛放氣后，必須完善其安全保護(hù)系統(tǒng)。

4.1 弛放氣緊急切斷閥裝置

在弛放氣回收總管上安裝了氣動(dòng)緊急切斷閥門(mén)，在鍋爐總控的DCS畫(huà)面上增加了弛放氣壓力測(cè)點(diǎn)，便于操作人員判斷弛放氣壓力，防止弛放壓力過(guò)低導(dǎo)致滅火或過(guò)高爆燃。

4.2 弛放氣泄壓保護(hù)

弛放氣回收管在緊急切斷閥前去氣柜直接放空，安裝了自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，當(dāng)緊急切斷閥關(guān)閉時(shí)，去氣柜調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開(kāi)，將管道內(nèi)壓力較高的弛放氣泄壓放掉，弛放氣自動(dòng)調(diào)節(jié)閥鍋爐回收燃燒設(shè)定壓力聯(lián)鎖保護(hù)。

4.3 事故狀態(tài)保護(hù)

當(dāng)鍋爐遇到事故狀態(tài)時(shí)，例如滅火、結(jié)焦、廠(chǎng)用電中斷等，迅速關(guān)閉氣動(dòng)緊急切斷閥，鍋爐操作人員迅速關(guān)閉進(jìn)鍋爐的弛放氣蝶閥，打開(kāi)進(jìn)鍋爐三次風(fēng)口的手動(dòng)放空閥，防止弛放氣進(jìn)入鍋爐聚集，發(fā)生爆炸。

5 應(yīng)用效果

5.1 弛放氣投運(yùn)前后節(jié)煤效果

每小時(shí)回收燃燒弛放氣2 000 m3，標(biāo)煤低位發(fā)熱量為 29 308 kJ/kg，按低位發(fā)熱量計(jì):H2，10.785 MJ/m3;CO，12.636 MJ/m3;CH4，25.881 MJ/m3。弛放氣和閃蒸氣混合氣體成分:H2，65% ～70%;CO，12%;CH4，2% ～4%。

則2 000 m3氣體燃燒共產(chǎn)生熱量19 684 500 kJ;節(jié)煤量為每小時(shí)0.672 t/h;則每月節(jié)煤量為483.84 t;每年按生產(chǎn)10個(gè)月計(jì)算，則每年為公司節(jié)約標(biāo)煤 4 838.4 t。

5.2 降低大氣污染分析

弛放氣中主要可燃成分為:H2，65% ～70%;CO，12%;CH4，2% ～4%。燃燒 H2O和 CO2排放，減少了弛放氣排放對(duì)大氣的污染。

6 結(jié)論

鍋爐通過(guò)回收弛放氣燃燒，熱量得到了利用，減少了煤炭消耗，與回收前相比煤耗降了20 kg/t蒸汽。解決了弛放氣排放對(duì)環(huán)境的污染，并提高了鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低了能耗，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)保效益都非常顯著。