天然氣替代重油在熔塊窯爐上的應用技術研究*

李家鐸 符以輝 劉定魯

(廣東三水大鴻制釉有限公司 廣東 佛山 528143)

前言

自2014年起，國家對環境保護逐漸嚴格，全國各地陸續針對工業用能源進行管制，如佛山市就劃定“禁燃區”明令禁止在2014年9月1日后劃定區域內禁止使用重油、煤炭等“高污染”燃料。隨著天然氣供應量的增加，全國各地都在推廣“煤改氣”、“油改氣”，而熔塊窯爐的清潔能源改造只有天然氣和電力2種選擇，通過對兩種能源的加熱特性進行對比，采用天然氣替代重油成為首選。

1 天然氣與重油比較

與重油對比，天然氣燃燒后煙氣排放具有較明顯環保優勢。重油主要成分除碳、氫、氧以外，還有較多的硫和其它元素，在氧化反應釋放熱量的同時產生二氧化硫及其他有害氣體，導致酸雨和溫室效應，破壞環境。天然氣主要成分是甲烷，在氧化反應釋放熱量同時產生的只有水和少量的二氧化碳，對環境產生破壞大幅度降低，目前很多地區的天然氣來源是液化天然氣(LNG)轉換而來，其純凈度更高，本研究所使用天然氣為LNG。

1.1LNG的主要物理參數

常壓沸點：-162.15 ℃；熱值：8 500～9 200 kcal/Nm3；液體密度：0.42～0.46 kg/L；氣液體積比：625∶1；甲烷含量：85%～99%。

1.2180#重油的主要指標參數

密度(20 ℃)：<0.98 g/cm3；熱值：≥9 800 kcal/kg；運動粘度(50 ℃)：cSt<180；硫(S)：<1.50 wt%；恩氏粘度:25°E。

表1 天然氣和重油使用對比

續表1

2 重油改天然氣相關設備的整改

廣東三水大鴻制釉有限公司之前是使用重油來熔制熔塊，熔制相關的設備配置均是圍繞使用重油的前提，本次采取了用天然氣來替代重油的方案，由于天然氣的物理性質與重油有極大的差異，在替換時需做大量關于設備和工藝的整改。

2.1 窯爐燃料替換的相關設備整改

為了降低替換成本，本次替換爐體先不做改動。

2.1.1 燃料供應系統替換

因為重油為液體且恩氏粘度為25°E、相對水密度為0.98，原重油系統采用的是油泵逐級泵送，最后在窯爐前由一套重油恒壓系統給各窯爐提供壓力為0.5 MPa的燃燒用重油。

改用天然氣后，由于輸送過程中其阻力(天然氣為氣態輸送阻力)遠小于重油，所以天然氣輸送時可以利用天然氣氣化時自身產生的壓力來實現輸送。天然氣的獲得可以分為兩個來源：從市場上獲得的液化天然氣，此類天然氣需用低溫罐車運送至使用地，轉送至使用地儲罐，再經氣化器、穩壓器通過管道輸送至各使用設備使用；或者直接使用市政管道天然氣，由于其采用管道將氣態天然氣輸送至使用地，需在使用地建立接收站，將管道天然氣進行適當減壓后通過管道送至各使用設備使用。

由于天然氣與重油的物性存在差異，因此燃料供應系統使用的閥門、壓力表、流量計、安全閥、減壓穩壓閥等配件均需更換成適用型號。

2.1.2 燃燒及控制系統替換

液態的重油在進入爐膛燃燒前，需使用各種合適方法將重油升溫、霧化，使重油進入爐膛后可以與空氣充分混合加大接觸面積，從而使重油迅速發生氧化反應釋放熱能。

使用天然氣燃料預混空氣較重油預混空氣少0.1 MPa左右，根據天然氣燃燒特性，需使用適當的方式將燃氣與少量助燃空氣預混，從而使燃氣盡速發生氧化反應釋放熱能。

由于以上2種燃料的燃燒前期需求不同，重油需前置加熱，燃燒器要達到的效果就是通過槍體使用壓縮空氣將重油霧化噴入爐膛，燃氣燃燒器需要在槍體內完成預混。所以燃料替換時需更換成適用于燃氣的燃燒器，以及增加預混空氣的設備。燃控系統所用設備不需變化，只需將控制PLC內程序依燃氣特性重新編寫即可。

在以上整改結束后即投入使用，但在使用中陸續出現了燃氣用量計量不準確、煙氣溫度下降、燃氣預混不足、窯爐流出料過熔、加料困難、窯爐產量不足等現象。

2.2 窯爐關鍵結構局部整改

第一次設備整改投入使用后，不能完全達到生產要求，再針對初次使用的不足現象進行了第二次整改，此次在控制投資前提下對窯爐主體進行少許改動。

從第一次使用不足的現象來分析，問題系爐膛內高溫點前移、流量計無壓力溫度補償等原因所致，所以做針對性整改即可。

由于燃氣相對重油在同等熱值釋放的條件下與重油所需要的氧氣并不一樣，同樣1 kcal熱值的情況下，重油燃燒需要空氣13 m3,燃氣需要空氣14 m3。由于是利用現有窯爐，如果主體做大幅度整改將大大提高投入費用，通過對燃氣的了解以及與窯爐公司、燃氣提供方的的共同努力，決定對窯爐主體做以下調整：

2.2.1 窯爐與蓄熱室連接處風道角度調整

由于燃氣組成原因導致從燃燒器噴出的燃氣與少量空氣混合氣體在窯爐內的燃燒點離燃燒機口的距離比使用重油時要遠，致使爐內高溫點向窯爐前墻移動，需將助燃空氣切入角度做適度調整，以求將高溫點往回移動。擬將蓄熱室通往爐膛的連接道之斜角由20°調整到23°，將助燃空氣與燃氣混合氣體的接觸點向后墻逐步移動。

2.2.2 加料口位置調整

單采用窯爐與蓄熱室連接處風道角度調整尚不能完全達到原料與高溫點交匯的目的。在用重油熔制時，原料加料口同樣需要靠近高溫點，加料口中心點距離后墻距離為90 cm，在使用燃氣熔制時高溫點向前墻方向移動，為了使原料貼近高溫點能迅速溶解，加料口中心點需向前墻移動30 cm。

2.3 窯爐周邊附屬設備整改

2.3.1 流量計校準

原使用流量計為工況流量計，不能對實際使用時的非標準溫度和壓力進行自動補償，所以會出現統計數據較實際數據有較大的偏差，在原有流量計上加入相關補償部分后解決流量誤差。

2.3.2 烘窯設備

燃料替換之后，原配合重油的烘窯方法和設備不再適用，本次重新設計并制作烘爐的燃燒設備和控制系統。

烘爐設備采用單燃燒機配合自動控制燃燒控制系統，單燃燒機前段加置熱風混合風筒，進入爐膛內為無明焰的高溫熱空氣，不至使爐膛內各部溫度差異過大。燃控系統使用爐體溫度感應裝置給出信號自動調整燃氣、助燃空氣的供給量從而使爐體升溫與電腦設定升溫曲線一致。

2.4 現場生產參數調整

燃氣熔制時相關參數亦需配合做一定微調，如加料速度、熔制溫度、流量速度、窯爐助燃空氣、煙氣排放等均需依實際狀況做微調，才可以使原用重油熔制窯爐在改用燃氣后可正常生產。

表2 同種產品燃氣和燃油對比

3 結語

廣東三水大鴻制釉有限公司此次重油熔塊窯爐將燃料更換為天然氣后，在生產使用中通過陸續的設備和工藝方面的調整，使得該窯爐使用天然氣后生產的產量、質量、能源消耗均達到使用重油時的水準，尤其在能耗方面，其因為所需要的助燃空氣量稍降的原因有所下降。經過對設備和生產工藝方面不斷的調整后長期使用觀察，確認本次成功將重油熔塊窯爐的燃料由重油換為天然氣，達到了國家政府對環境保護的要求，降低了熔塊生產的社會環境成本。

本次燃料替換是在使用重油為燃料的窯爐進行局部改造的基礎上進行，考慮投資和工程量的原因，這些改造無法達到較高優化水平。從目前天然氣推進力度和價格狀況走勢看，如果是新建天然氣熔塊窯爐，充分考慮天然氣特性，其完全可以達到更高的節能水平。