石化裝置富氫尾氣摻燒技術(shù)應(yīng)用

華意國(guó)，駱富杰

(新浦化學(xué)(泰興)有限公司，江蘇 泰興 225404)

石化企業(yè)裝置啟停及正常生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多余的富氫尾氣，原設(shè)計(jì)通過(guò)火炬燃燒后排放，既浪費(fèi)能源也會(huì)增加大氣熱污染。

某公司乙烯裝置原設(shè)計(jì)富氫燃料氣通過(guò)PSA裝置分離出高純氫氣供下游氫氣用戶使用，甲烷氣輸入燃?xì)夤芫W(wǎng)，由于下游化工裝置需求減少，不能平衡這部分燃料氣。燃料氣主要來(lái)源于冷區(qū)分離出的尾氣，主要成分為氫氣(61.31%～88.71%)和甲烷(38.52%～11.21%)，其組成成分隨裝置投料乙烷和丙烷的比例而變。為平衡這部分含氫可燃?xì)?，不影響主裝置產(chǎn)品負(fù)荷，故將該部分可燃?xì)怏w送電廠鍋爐燃燒。實(shí)施循環(huán)流化床鍋爐摻燒富氫可燃?xì)忭?xiàng)目改造，可以進(jìn)行能源的有效利用，既可達(dá)到平衡氫氣回收成本，也可節(jié)省電廠煤炭使用，增加發(fā)電的功效，降低發(fā)電成本，提高企業(yè)綜合效益。

1 概述

1.1 工藝系統(tǒng)概述

該公司從烯烴裝置敷設(shè)富氫可燃?xì)怏w管道至熱電廠3臺(tái)440 t/h鍋爐，輸送管設(shè)計(jì)選用無(wú)縫鋼管，輸送管道設(shè)于管架的上層，將富氫可燃?xì)馑椭岭姀S鍋爐界區(qū)，并經(jīng)支管分配至各臺(tái)鍋爐。富氫可燃?xì)饨?jīng)燃燒器進(jìn)入爐膛燃燒，主管及支管均設(shè)有緊急切斷閥及自動(dòng)排空閥。燃燒器設(shè)置在鍋爐上二次風(fēng)位置的旁邊，從鍋爐側(cè)墻位置輸入爐膛，富氫尾氣工藝流程圖如圖1所示。

1.2 鍋爐設(shè)備

該公司自備電站一期鍋爐為無(wú)錫華光鍋爐股份公司生產(chǎn)的3臺(tái)220 t/h循環(huán)流化床鍋爐，二期鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的3臺(tái)440 t/h循環(huán)流化床鍋爐。

圖1 富氫尾氣工藝流程圖

鍋爐設(shè)計(jì)的煤種低位發(fā)熱量為20 092 kJ/kg，采用燃料的顆粒度為1～10 mm，其制備由篩分-破碎系統(tǒng)完成，符合粒徑要求的煤由輸煤皮帶送入爐前煤倉(cāng)。鍋爐燃燒系統(tǒng)由原煤倉(cāng)、給料機(jī)、爐床、爐膛、旋風(fēng)分離器和返料器等主要部分組成。

1.3 富氫尾氣組份分析

從表1富氫尾氣組分表中的數(shù)據(jù)可以看出，該組分中的主要成分為氫氣和甲烷，這兩種氣體有較高的熱值，低位熱值要遠(yuǎn)高于鍋爐設(shè)計(jì)煤炭的熱值，特別是校核工況下熱值更高，可以達(dá)到89 309 kJ/kg，該部分尾氣如果直接經(jīng)火炬燃燒后排放，將導(dǎo)致較大的能源浪費(fèi)，如果將該部分尾氣作為燃料送到鍋爐爐膛燃燒將會(huì)節(jié)約煤炭消耗。

表1 富氫尾氣組分表

1.4 技術(shù)可行性分析

從該部分氣體的組分及熱值來(lái)看，主要組分氫氣和甲烷都是可以作為燃料使用，屬于清潔燃料，但同時(shí)存在熱值太高的問(wèn)題，明顯高于鍋爐設(shè)計(jì)燃料的熱值，特別是氫氣。摻燒潔凈無(wú)塵的燃?xì)夂螅瑢?duì)循環(huán)流化床內(nèi)鍋爐內(nèi)的結(jié)焦、受熱面飛灰磨損、堵灰和低溫腐蝕等各種危害大大減輕[1]。因此，該氣體燃燒可能導(dǎo)致鍋爐熱負(fù)荷分配失衡，煤炭局部因高溫結(jié)焦而造成鍋爐停爐事故；另外氫氣燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣，將導(dǎo)致煙氣中的水分增加，可能會(huì)影響鍋爐的尾部受熱面低溫腐蝕及輸灰系統(tǒng)工作異常。

因此，在改造設(shè)計(jì)中重點(diǎn)針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)核算，確定采取的主要技術(shù)措施是：

1)控制富氫尾氣的摻燒量，熱值比例控制低于總熱值的10%；

2)鍋爐尾部排煙溫度控制在120 ℃以上；

3)鍋爐爐膛溫度監(jiān)控低于950 ℃；

通過(guò)技術(shù)分析，采取以上技術(shù)措施后，摻燒氣體的方案總體是可行的。

2 鍋爐本體改造技術(shù)方案

2.1 熱力計(jì)算

以3臺(tái)440 t/h容量的 CFB循環(huán)流化床鍋爐為例，按照正常生產(chǎn)兩用一備的原則，即兩臺(tái)鍋爐滿負(fù)荷時(shí)平衡消耗全部富氫尾氣。單臺(tái)爐設(shè)計(jì)工況額定負(fù)荷為440 t/h時(shí)，燃用設(shè)計(jì)煤種為69 236 kg/h，摻燒富氫尾氣按4 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀況下，下同)，按照原設(shè)計(jì)煤種摻燒富氫進(jìn)行熱力計(jì)算，設(shè)計(jì)工況摻燒熱量占整個(gè)輸入熱量的6%。校核工況單臺(tái)爐燃?xì)庀牧繛? 400 m3/h，摻燒熱量占整個(gè)輸入熱量的10%，燃燒系統(tǒng)熱力計(jì)算及燃料耗量計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。

表2 燃燒系統(tǒng)熱力計(jì)算

2.2 改造系統(tǒng)主要設(shè)備

根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)要求及具體運(yùn)行工況，由于富氫燃料氣是一種無(wú)色無(wú)味、易燃易爆的可燃性氣體，其管道輸送速度及輸送管道材質(zhì)都均有其特殊性，燃料氣火焰?zhèn)鞑ニ俣容^其它氣體均高。

為充分考慮燃料氣爆燃引起的局部爐膛壁溫升高，造成局部的爐膛物料結(jié)焦的問(wèn)題，擬對(duì)爐膛密項(xiàng)區(qū)側(cè)墻(+14.8 m標(biāo)高)開(kāi)8個(gè)孔，用于床上富氫燃燒器使用，每只燃燒器配出力為1 175 m3/h，側(cè)墻燃燒器配有點(diǎn)火槍。燃燒器火焰直徑小于2 m，火焰噴射長(zhǎng)度小于4 m，運(yùn)行時(shí)床上燃燒器火焰之間無(wú)疊加。

1)側(cè)墻氣燃燒器。側(cè)墻氣燃燒器作為鍋爐的心臟，采用點(diǎn)火槍點(diǎn)燃點(diǎn)火氣槍，再由點(diǎn)火氣槍點(diǎn)火主氣槍的二級(jí)點(diǎn)火方式。該法具有結(jié)構(gòu)緊湊、燃燒穩(wěn)定、調(diào)節(jié)比大、噪音低；火焰鋪展性好、燃燒完全和燃燒易于控制等特點(diǎn)。燃燒器中心供風(fēng)帶有穩(wěn)燃罩，使火焰形成回流區(qū)，穩(wěn)定火焰形狀，促使空氣與燃料的充分混合。燃?xì)鈿鈽屒岸瞬捎媚蜔徜撝谱?，以確保噴嘴的使用壽命。燃燒器上加裝觀火孔，通過(guò)觀火孔可以觀察到燃燒器火焰燃燒狀況。

表3 燃料耗量計(jì)算表

2)高能點(diǎn)火裝置。高能點(diǎn)火裝置為防爆型，采用低壓電容放電原理，放電電壓低、電容儲(chǔ)能大(20 J)、點(diǎn)火可靠。防爆高能點(diǎn)火裝置由防爆高能點(diǎn)火器、防爆高能點(diǎn)火槍和防爆點(diǎn)火電纜組成。

3)紫外式火焰檢測(cè)器。紫外光式火焰檢測(cè)器，用以檢測(cè)氣槍火焰狀態(tài)，光譜范圍為190～520 mm。當(dāng)燃燒器正常燃燒時(shí)，火檢處理器送出開(kāi)關(guān)量及模擬量信號(hào)；當(dāng)燃燒器意外熄火時(shí)，“無(wú)火”信號(hào)將被傳送至DCS系統(tǒng)?；鹧鏅z測(cè)器需配備冷卻風(fēng)，以確保在燃燒器運(yùn)行及停運(yùn)時(shí)火焰檢測(cè)器會(huì)得到可靠的冷卻。

4) 燃?xì)饧按祾咧脫Q系統(tǒng)。燃?xì)夤艿婪ㄌm采用靜電跨接并接入原有廠房接地系統(tǒng)，消除靜電危害[2]。

每套燃?xì)鈬姌屒爸Ч苈钒ǎ菏謩?dòng)關(guān)斷閥、氣動(dòng)快關(guān)閥、氣動(dòng)排空閥、壓力表和壓力變送器等。按燃燒器爐膛防爆標(biāo)準(zhǔn)要求，均需設(shè)置三閥組，即兩個(gè)快關(guān)閥和一個(gè)放空閥。

燃?xì)庵鞴苈吩O(shè)置氮?dú)馐謩?dòng)置換系統(tǒng)和支管路吹掃系統(tǒng)，氮?dú)馊∽詮S用氮?dú)庀到y(tǒng)經(jīng)減壓至0.35 MPa接入置換系統(tǒng)。

5)配風(fēng)系統(tǒng)。燃燒器的配風(fēng)引自鍋爐上二次風(fēng)熱風(fēng)管道，燃燒器進(jìn)風(fēng)口配置氣動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，風(fēng)量為4 200 m3/h,可根據(jù)燃?xì)饬繉?duì)配風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

6)排空系統(tǒng)。燃?xì)庀到y(tǒng)主管路和各分支管路均配有排空管路，每個(gè)排空管路配有手動(dòng)閥門(mén)和氣動(dòng)快關(guān)閥，所有排空管路最終匯入總管，經(jīng)爐頂對(duì)空排放，氫氣排空管出口安裝阻火器防止回火[3]，也防止雷擊引起爆炸事故時(shí)事故擴(kuò)大。

7)冷卻風(fēng)系統(tǒng)?；饳z冷卻風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用廠用壓縮空氣經(jīng)減壓至0.15 MPa后接入冷卻風(fēng)總管，分別接到每臺(tái)燃燒器冷卻風(fēng)管。

2.3 自動(dòng)控制與保護(hù)系統(tǒng)

1)點(diǎn)火條件。主氮?dú)忾y關(guān)位、主燃?xì)忾y開(kāi)位、主排空閥關(guān)位、支管路氮?dú)忾y關(guān)位、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥開(kāi)度大于25%、點(diǎn)火氣閥關(guān)位、燃?xì)忾yA關(guān)位、燃?xì)忾yB關(guān)位、排空閥開(kāi)位；DCS點(diǎn)火允許(床溫大于800 ℃，無(wú)MFT信號(hào))、無(wú)DCS燃?xì)饪礻P(guān)閥動(dòng)作。

2)順控啟動(dòng)。DCS處于順控模式下，DCS啟動(dòng)燃燒器，進(jìn)點(diǎn)火槍推進(jìn)器，當(dāng)點(diǎn)火槍到位后，啟動(dòng)點(diǎn)火器點(diǎn)火15 s，同時(shí)開(kāi)點(diǎn)火氣閥。點(diǎn)火15 s結(jié)束后自動(dòng)退點(diǎn)火槍，如果火檢有火，則點(diǎn)火成功。如果火檢無(wú)火，關(guān)閉點(diǎn)火氣閥。點(diǎn)火成功后，關(guān)閉排空閥，打開(kāi)燃?xì)忾yA、燃?xì)忾yB，適當(dāng)手動(dòng)調(diào)整二次風(fēng)和燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥開(kāi)度來(lái)調(diào)整燃燒器負(fù)荷。

3)順控停止。點(diǎn)火失敗或DCS燃?xì)饪礻P(guān)閥動(dòng)作或MFT，則觸發(fā)順控停止。進(jìn)點(diǎn)火槍推進(jìn)器，點(diǎn)火槍到位后，啟動(dòng)點(diǎn)火器打火15 s。同時(shí)關(guān)點(diǎn)火氣閥、燃?xì)忾yA、燃?xì)忾yB，打開(kāi)排空閥。點(diǎn)火15 s結(jié)束后自動(dòng)退點(diǎn)火槍。

4)保護(hù)聯(lián)鎖。(A)所有燃燒器停止(Z1)觸發(fā)條件：全廠失電；MFT；8臺(tái)燃燒器全部停止；主管燃?xì)鈮毫Φ?低于15 kPa)且持續(xù)時(shí)間5 s；所有燃燒器火焰檢測(cè)無(wú)火。聯(lián)鎖動(dòng)作：聯(lián)鎖關(guān)閉主管和支管的快關(guān)閥，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度到0%，開(kāi)排空閥、氮?dú)獯祾摺?B)單臺(tái)燃燒器停止(Z2)觸發(fā)條件：兩臺(tái)火焰檢測(cè)器都檢測(cè)到無(wú)火信號(hào)且Z1未觸發(fā)。聯(lián)鎖動(dòng)作：聯(lián)鎖關(guān)閉對(duì)應(yīng)燃燒器支管的快關(guān)閥，打開(kāi)對(duì)應(yīng)燃燒器支管的排空閥。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)其它設(shè)備改造情況

因?yàn)殄仩t現(xiàn)場(chǎng)使用了富氫可燃?xì)怏w，根據(jù)防爆要求，現(xiàn)場(chǎng)防爆區(qū)域內(nèi)的吹灰器電機(jī)、照明、控制箱和壓力變送器等按IICT4防爆等級(jí)更換或移位。鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)主要進(jìn)出口通道，包括電梯的出口均設(shè)置了人體靜電釋放器。泄漏點(diǎn)上方設(shè)置了相應(yīng)的可燃?xì)怏w報(bào)警儀，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置報(bào)警器，并接入中控GDS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警功能。

3 運(yùn)行效果確認(rèn)

改造完成后，對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行氣密試驗(yàn)并消漏，投用前使用氮?dú)鈱?duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行置換，并在爐前燃燒器的放空閥后取樣，檢測(cè)全部為氮?dú)夂蠛细?，具備投用條件，開(kāi)始逐臺(tái)投用燃燒器。經(jīng)過(guò)3個(gè)月時(shí)間試運(yùn)行，總體運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期。

試運(yùn)過(guò)程中單臺(tái)鍋爐最大投用量達(dá)到1 510 kg/h，摻燒氣量達(dá)到4 500 m3/h, 熱量占輸入總熱值的10%，鍋爐上部床溫有所上升，約為15 ℃左右，鍋爐給煤量下降明顯，其余燃燒參數(shù)如煙氣量、排煙溫度等變化不明顯。

按燃料的等熱值計(jì)算，鍋爐年運(yùn)行時(shí)間按8 000 h，每臺(tái)爐每年可節(jié)約：1 510 kg/h×8 000 h×61 335 kJ/kg÷29 300 kJ=25 286 t標(biāo)煤，標(biāo)煤價(jià)格按800元/t計(jì)算，年折合經(jīng)濟(jì)效益約為2 022萬(wàn)元，相比進(jìn)火炬燃燒效益可觀。

4 結(jié)語(yǔ)

石化裝置富氫尾氣作為熱量回收進(jìn)循環(huán)流化床鍋爐燃燒，實(shí)踐證明在技術(shù)上是可行的。摻燒比例一直是鍋爐熱力改造的難點(diǎn)，本次工程實(shí)踐證明，摻燒輸入熱值比例達(dá)到10%是完全可行的，對(duì)鍋爐的安全長(zhǎng)周期運(yùn)行沒(méi)有影響。

隨著石化裝置負(fù)荷的變化以及下游用氫的變化，該富氫尾氣的組份及氣量會(huì)發(fā)生波動(dòng)，但總體而言，原來(lái)富余的可燃?xì)怏w排至火炬燃燒的問(wèn)題徹底解決，既減少了環(huán)境污染(包括熱污染氮氧化物、二氧化硫等溫室氣體的排放)，又給企業(yè)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)整個(gè)石化裝置的系統(tǒng)平衡與穩(wěn)定起到一定的調(diào)節(jié)促進(jìn)作用。