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生4～5萬噸干氣，由于壓力不穩定，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、經濟性及環境的影響。

1 鍋爐設備概況

#10爐是NG-410/9.8-M型燃煤高壓自然循環單爐膛汽包爐。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，除塵采用電袋復合除塵器工藝，脫硫采用石灰石－石膏濕法脫硫工藝。管式低溫空氣預熱器采用交錯布置，自上而下依次為高溫、低溫空預器。

2 干氣系統介紹

干氣系統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噴口之間、上一次風與上二次風噴口之間，配備蒸汽吹掃系統，在爐前干氣母管上安裝了快關閥，接入鍋爐爐膛安全保護系統，當鍋爐發生滅火后，能自動切斷干氣。

3 干氣摻燒試驗

3.1 試驗工況

干氣摻燒在現有煤種、常規負荷的基礎上進行，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、測量四角燃燒器區域爐膛溫度和排煙溫度、觀察燃燒器區域水冷壁結焦情況、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準和電力行業規范進行，具體項目和方法見表2。

表2 試驗內容與方法

4 試驗結果與分析

4.1 試驗煤質分析

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

式中Qnet.ar.to入爐混合燃料的低位發熱量，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熱量，kJ/kg或kJ/m3。

表3 試驗煤質分析計算

4.2 摻燒干氣經濟性分析

鍋爐產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 鍋爐產汽綜合成本計算

續表

若干氣未回收利用，干氣中H2S為應稅污染物，污染物當量值為0.29 kg，湖南省大氣污染物稅額為2.4元/污染物當量，干氣中H2S體積分數為5 677×10-6，質量濃度為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，應繳納環保稅136.44萬元。

2018年，實際干氣摻燒量以噸計算，折合標煤16 991.16 t，年回收干氣經濟效益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焦現象明顯，投干氣后較投前燃燒器區域溫度上升，從表5可以看出，高溫區都集中在乙、丙角三次風和上上二次風區域，在投干氣后乙角溫度達到了1 243℃，丙角1 181℃，丁角濃三次風達到1 191℃。經觀察和運行人員反映，結焦主要集中在乙、丙、丁角上上二次風及三次風噴口處，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傳播速度快，其中H2火焰傳播速度達到4.83 m/s，對中、下一次風區域輻射熱量少，在火焰上升過程中，由于中二次風風速只有15 m/s左右，對干氣火焰卷吸能力不強，使火焰一直旋轉到三次風處，使三次風區域溫度升高，很容易造成火焰中心的熔渣沒來得及冷卻就粘結在上上二次風噴口邊緣和粗糙的耐火泥表面，造成結焦。二是由于干氣噴咀當初設計時沒有配風，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的氧量，燃燒迅速，造成一次風粉燃燒時局部缺氧，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，加速結焦。結焦嚴重時難以清除，影響鍋爐安全運行。

表5 甲制粉運行時四角各層燃燒器區域溫度測試數據 ℃

4.4 摻燒干氣對環境的影響

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體積分數為17.7%，常溫下與O2不發生反應，噴入爐膛后，由于溫度超過1 200℃（N2的反應溫度）便開始反應，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，燃燒后向三次風區域快速流動，由于干氣劇烈燃燒和傳播一直在氧化氣氛內，因此生成的NOx很難被還原為N2，脫硝入口NOx明顯升高，通過煙氣脫硝系統后，排放口NOx濃度可以控制在標準范圍內，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 結論及建議

從試驗的結果看，煤粉爐摻燒干氣年創效達到1 437.13萬元，摻燒后對大氣污染物排放濃度基本沒有影響，經濟效益和環境效益良好。但摻燒干氣后出現了三次風燃燒器部分區域結焦現象，為解決結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燃燒前移，視揮發分情況，可適當提高中一次風速；為了減少操作量，建議對角設一個分支總門，每次只需操作分支總門即可；二是對干氣系統進行配風改造。目前干氣噴咀沒有合理的配風，建議對于四角切圓直流燃燒器鍋爐，將二次風箱開孔，將部分二次風導流板割除，將干氣槍布置在二次風噴口，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。