煤粉鍋爐摻燒煉廠干氣試驗研究

聶廣華

（中國石化巴陵分公司熱電部，湖南岳陽 414014）

巴陵分公司煉油裝置每年產(chǎn)生4～5萬噸干氣，由于壓力不穩(wěn)定，以往通過火炬燃燒排放，造成能源的浪費，為充分利用余熱，干氣系統(tǒng)進行了脫硫脫水改造，目前處理后的干氣進入母管，除用于煉油裝置余熱鍋爐焚燒外，多余的干氣由熱電部煤粉鍋爐摻燒。文章以熱電部#10爐為例，介紹了摻燒干氣對煤粉鍋爐安全性、經(jīng)濟性及環(huán)境的影響。

1 鍋爐設(shè)備概況

#10爐是NG-410/9.8-M型燃煤高壓自然循環(huán)單爐膛汽包爐。鍋爐采用水平濃淡直流式煤粉燃燒器，正四角切向布置，假想切圓直徑為φ377/φ798 mm，制粉系統(tǒng)采用鋼球磨，中間倉儲方式。脫硝采用低氮燃燒＋選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)，除塵采用電袋復(fù)合除塵器工藝，脫硫采用石灰石－石膏濕法脫硫工藝。管式低溫空氣預(yù)熱器采用交錯布置，自上而下依次為高溫、低溫空預(yù)器。

2 干氣系統(tǒng)介紹

干氣系統(tǒng)接自煉油部干氣母管，在熱電部安裝了流量計，用于9、10、11號爐點爐初期和煉油部母管壓力高時摻燒使用。干氣成分較復(fù)雜，主要組分為甲烷、乙烯、氫氣，在10爐安裝了2層干氣噴咀，甲、乙、丙、丁四角各2個，分別位于中下一次風(fēng)噴口之間、上一次風(fēng)與上二次風(fēng)噴口之間，配備蒸汽吹掃系統(tǒng)，在爐前干氣母管上安裝了快關(guān)閥，接入鍋爐爐膛安全保護系統(tǒng)，當(dāng)鍋爐發(fā)生滅火后，能自動切斷干氣。

3 干氣摻燒試驗

3.1 試驗工況

干氣摻燒在現(xiàn)有煤種、常規(guī)負荷的基礎(chǔ)上進行，全投8個干氣咀，試驗工況見表1。

表1 試驗工況安排

3.2 試驗方法

計算摻燒前后熱效率、測量四角燃燒器區(qū)域爐膛溫度和排煙溫度、觀察燃燒器區(qū)域水冷壁結(jié)焦情況、實測煙氣成分、記錄脫硝入口/出口氮氧化物濃度/氧含量/煙氣溫度變化幅度、記錄輔機耗電量變化情況。計算出2個工況的鍋爐噸汽綜合成本、理論噴氨量，所有測試項目按照國家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)規(guī)范進行，具體項目和方法見表2。

表2 試驗內(nèi)容與方法

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗煤質(zhì)分析

根據(jù)《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》GB10184－2015中7.2項規(guī)定，需先將干氣組成換算為質(zhì)量分數(shù)，然后按公式（1）計算混合燃料的工業(yè)分析值，見表3。

式中Qnet.ar.to入爐混合燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg或kJ/m3；qm.f.i某種燃料組分的消耗量，kg/h或m3/h；Qnet.ar.i某種入爐燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg或kJ/m3。

表3 試驗煤質(zhì)分析計算

4.2 摻燒干氣經(jīng)濟性分析

鍋爐產(chǎn)汽綜合成本計算見表4。由表4可以看出，#10爐摻燒干氣后熱效率92.32%，比摻燒前的92.55%降低了0.21%，機械不完全燃燒損失比摻燒干氣前增加了0.2%，考慮風(fēng)機電耗、制粉電耗、液氨消耗量等因素，摻燒干氣前噸汽綜合成本81.341元，摻燒后81.539元，增加了0.198元。

表4 鍋爐產(chǎn)汽綜合成本計算

續(xù)表

若干氣未回收利用，干氣中H2S為應(yīng)稅污染物，污染物當(dāng)量值為0.29 kg，湖南省大氣污染物稅額為2.4元/污染物當(dāng)量，干氣中H2S體積分數(shù)為5 677×10-6，質(zhì)量濃度為8 617 mg/m3，2018年熱電部摻燒干氣14 904.53 t，約1 913.3萬m3，H2S排放量為164 869 kg，應(yīng)繳納環(huán)保稅136.44萬元。

2018年，實際干氣摻燒量以噸計算，折合標(biāo)煤16 991.16 t，年回收干氣經(jīng)濟效益1 437.13萬元。

4.3 摻燒干氣對#10爐安全性影響

鍋爐四角投入干氣后結(jié)焦現(xiàn)象明顯，投干氣后較投前燃燒器區(qū)域溫度上升，從表5可以看出，高溫區(qū)都集中在乙、丙角三次風(fēng)和上上二次風(fēng)區(qū)域，在投干氣后乙角溫度達到了1 243℃，丙角1 181℃，丁角濃三次風(fēng)達到1 191℃。經(jīng)觀察和運行人員反映，結(jié)焦主要集中在乙、丙、丁角上上二次風(fēng)及三次風(fēng)噴口處，這與溫度測量值吻合。分析認為有兩個原因：一是干氣著火后火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，其中H2火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到4.83 m/s，對中、下一次風(fēng)區(qū)域輻射熱量少，在火焰上升過程中，由于中二次風(fēng)風(fēng)速只有15 m/s左右，對干氣火焰卷吸能力不強，使火焰一直旋轉(zhuǎn)到三次風(fēng)處，使三次風(fēng)區(qū)域溫度升高，很容易造成火焰中心的熔渣沒來得及冷卻就粘結(jié)在上上二次風(fēng)噴口邊緣和粗糙的耐火泥表面，造成結(jié)焦。二是由于干氣噴咀當(dāng)初設(shè)計時沒有配風(fēng)，加上干氣組分基本上是易燃氣體，投入后首先消耗附近二次風(fēng)的氧量，燃燒迅速，造成一次風(fēng)粉燃燒時局部缺氧，生成強還原性氣體CO，降低了灰的變形溫度、軟化溫度和熔融溫度，加速結(jié)焦。結(jié)焦嚴(yán)重時難以清除，影響鍋爐安全運行。

表5 甲制粉運行時四角各層燃燒器區(qū)域溫度測試數(shù)據(jù) ℃

4.4 摻燒干氣對環(huán)境的影響

甲制粉運行時摻燒干氣對脫硫、脫硝污染物濃度的影響見表6。

由表6可看出，干氣投入后，在其他條件不變的情況下，脫硝入口NOx含量升高了6 mg/m3，分析認為干氣中的N2體積分數(shù)為17.7%，常溫下與O2不發(fā)生反應(yīng)，噴入爐膛后，由于溫度超過1 200℃（N2的反應(yīng)溫度）便開始反應(yīng)，生成少量的NO，即通常所說的熱力型NOx，溫度越高，生成量越大。并且干氣火焰比重小，燃燒后向三次風(fēng)區(qū)域快速流動，由于干氣劇烈燃燒和傳播一直在氧化氣氛內(nèi)，因此生成的NOx很難被還原為N2，脫硝入口NOx明顯升高，通過煙氣脫硝系統(tǒng)后，排放口NOx濃度可以控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，摻燒干氣后燃料含硫量有所增加，原煙氣SO2濃度增加了14 mg/m3，同樣，經(jīng)過石灰石－石膏濕法脫硫后，對污染物排放幾乎沒有影響。

表6 摻燒干氣對脫硫、脫硝污染物濃度的影響

5 結(jié)論及建議

從試驗的結(jié)果看，煤粉爐摻燒干氣年創(chuàng)效達到1 437.13萬元，摻燒后對大氣污染物排放濃度基本沒有影響，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益良好。但摻燒干氣后出現(xiàn)了三次風(fēng)燃燒器部分區(qū)域結(jié)焦現(xiàn)象，為解決結(jié)焦問題需要采取以下措施：一是干氣壓力高于0.5 MPa時，對角干氣咀同時投入，干氣壓力低時，對角同時退出，盡量避免單角投干氣；投干氣后由于中一次風(fēng)燃燒前移，視揮發(fā)分情況，可適當(dāng)提高中一次風(fēng)速；為了減少操作量，建議對角設(shè)一個分支總門，每次只需操作分支總門即可；二是對干氣系統(tǒng)進行配風(fēng)改造。目前干氣噴咀沒有合理的配風(fēng)，建議對于四角切圓直流燃燒器鍋爐，將二次風(fēng)箱開孔，將部分二次風(fēng)導(dǎo)流板割除，將干氣槍布置在二次風(fēng)噴口，干氣槍通過金屬軟管與干氣母管連接，在干氣分支管增加干氣咀流量計，以確保四角干氣動量平衡。