工業(yè)廢氣在循環(huán)流化床鍋爐中的摻燒應用

張 丹

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150046）

本文要介紹的是北京東方石油化工有限公司，該公司是20世紀90年代建成的，目前該工廠的乙烯裝置規(guī)模為16萬t/y，其在日常運行中所產(chǎn)生工業(yè)廢氣總量大概在4 000m3/h，工廠的日常低位發(fā)熱量在25 116kJ/m3，所以對工廠來說，這些廢棄的再次回收利用具有很高的價值。盡管該工廠最近幾年已經(jīng)對于所產(chǎn)出的廢氣進行更合理化的處理，但還是出現(xiàn)大量的火炬氣只能通過火炬管網(wǎng)燃燒后就直接排入周圍大氣中，這樣的做法對工廠周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響是比較不好的，此外，還增加了東方乙烯裝置能源消耗的部分。所以，企業(yè)通過多方面的考量決定對工廠中的流化床鍋爐進行優(yōu)化改造，把工廠中剩下部分的火炬氣引入到如今電廠中的兩臺循環(huán)流化床鍋爐中，對廢氣進行回收利用處理，這能大幅降低工廠中對于乙烯裝置能耗、生產(chǎn)成本的投入，從而最終實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益的提高。

1 裝置的情況

現(xiàn)存于東方化工廠中的兩臺鍋爐的型號是CG-75/3.82-MX10，關于該裝置的詳細設計參數(shù)為：額定蒸發(fā)量為75t/h，額定蒸汽壓力為3.82MPa，其額定蒸汽溫度約為450℃，鍋爐給水的溫度為104℃，鍋爐的連續(xù)排污率大概在2%左右，冷風的溫度為20℃，其中，一次風熱風溫度大概在100℃左右，二次風冷風溫度大概在180℃，排煙溫度為150℃，鍋爐設計的熱效率為89%左右，爐膛截面為3 410mm×5 630mm，鍋爐的凈高在21 500mm左右，鍋爐中采用的高溫水冷旋風分離器，且設計燃用煤種都是優(yōu)質(zhì)煙煤，每一臺鍋爐燃燒量為10t/h。其中火炬氣指的是工廠的乙烯裝置生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢氣，并且在其工業(yè)分析中：水分約為2.8%，灰分約為12.35%，揮發(fā)分約為33%，固定碳約為58%。對其中的元素進行分析：碳約為71%，氫約為3%，氧約為8%，氮約為0.7%，火炬氣的主要成分是甲烷和氫氣，大約占70%左右，并且工廠為了能對火炬進行再次回收利用，新建了一個浮頂氣柜和一臺低壓燃氣鍋爐，但這兩臺設備對火炬氣的回收利用率也才25%，回收利用量還是達不到要求。

2 對鍋爐摻氣進行改造的原則

①改造后的鍋爐在鍋爐出力，熱效率以及主要工藝參數(shù)等方面都要與以前基本保持不變，改造完成后的設備不能影響循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)流化燃燒的爐內(nèi)動力場，除此之外，也不可以影響爐膛出口水冷旋風分離器，以及鍋爐尾部設備的正常使用。②由于鍋爐是一種特殊的設備，因此，對于鍋爐的總體結構是不能改變的，尤其是鍋爐的受熱面結構，必須保證最后的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡單實用的目的。③改造完成后的鍋爐應該具備一套獨立的燃料氣供氣系統(tǒng)及儀表控制系統(tǒng)，這兩套系統(tǒng)必須相互獨立，但在鍋爐的安全保護方面又能做到相互聯(lián)系。鍋爐最后的主要功能是摻燒火炬氣，所以改造完的鍋爐的安全等級必須有所提高，對鍋爐進行改造時，必須嚴格遵守燃油燃氣的規(guī)范，進行相關操作。④改造完的鍋爐的熱負荷調(diào)節(jié)方式不能改變，必須保證其仍然使用燃煤進行調(diào)節(jié)，且摻燒火炬氣的系統(tǒng)依然采用定燒方式，鍋爐中燃氣系統(tǒng)的調(diào)節(jié)也依舊是靠停運、投運質(zhì)量部的燃燒器方式運行的。⑤改造完的鍋爐在使用時要盡可能達成燃燒器火炬可以充滿整個爐膛空間，并且能夠讓火炬保持在爐膛的中心位置，讓鍋爐中的火焰能夠在爐膛橫截面周圍均勻地伸展開來，在對火炬氣進行摻燒的過程中不能發(fā)生火焰直接對爐管進行沖刷的情況。

3 摻燒改造的主要系統(tǒng)

3.1 火炬氣回收和供氣系統(tǒng)

實現(xiàn)火炬氣回收利用的主要基礎是火炬氣回收以及其供氣系統(tǒng)，目前的石油化工行業(yè)對于其產(chǎn)生的工業(yè)廢氣的各個方面都不能夠達到直接利用的條件，所以石油化工企業(yè)必須先建立起一整套比較完備的廢氣回收、加壓以及處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常情況下，主要有氣柜、燃氣壓縮機、氣水分離以及過濾裝置等。首先，工廠中所生產(chǎn)的廢氣必須集中在臨時儲存的浮頂式氣柜中，該氣柜還必須具備可以增加燃氣系統(tǒng)的緩沖容量，這樣可以保證整個回收系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在燃氣壓縮機加壓到0.45MPa時，再次經(jīng)過汽水分離裝置，實現(xiàn)燃氣中的水氣分離，對其中的雜質(zhì)進行過濾，并且氣水分離裝置必須安裝兩個，一個在燃氣壓縮機出口，另一個在用戶端火炬氣閥組前面，隨后經(jīng)過減壓至120kPa，再通過相關調(diào)節(jié)裝置，將火炬氣壓控制在60kPa左右，最終廢氣在燃燒器中得到充分的燃燒，接著進入到鍋爐參與熱交換。

3.2 燃氣燃燒器

鍋爐中的燃氣燃燒器是對火炬氣進行摻燒的核心，因此，燃燒器改造的成敗與之后鍋爐進行摻燒時的安全與穩(wěn)定直接相關聯(lián)，在原有鍋爐的燃燒系統(tǒng)基礎上，鍋爐改造成單獨的火炬氣燃燒器，將預混方式，對火炬氣與空氣按照比例進行混合后，經(jīng)過專門的點火燒嘴火焰式進行點燃，這樣可以充分保障火炬氣能夠完全燃燒，以防火炬氣發(fā)生爆燃的情況。除此之外，燃燒器采用預混或者半預混的方式，不論哪種方式都可達到火焰剛強，實現(xiàn)廢氣在鍋爐的火墻中能夠在其內(nèi)部進行全面摻燒的目的。

3.3 PLC控制系統(tǒng)

對于鍋爐中PLC控制系統(tǒng)的選用，經(jīng)過多方面的考慮，最終選擇了西門子公司的PLC控制系統(tǒng)。鍋爐的控制系統(tǒng)在改造時，必須嚴格遵守電力規(guī)范。設計的內(nèi)容主要是：鍋爐中火炬氣燃燒器的自動程序點火方面，設計成既可以在盤上進行遙控操作，也可以工作人員在現(xiàn)場中進行手控操作；改造完的鍋爐必須實現(xiàn)對火炬器火焰進行監(jiān)測，這樣可以確實保證鍋爐摻燒火炬氣后的各項安全性，要提高工作人員在操作時的靈活性，鍋爐中新增加的火炬氣控制系統(tǒng)以及DCS控制系統(tǒng)，二者能夠做到在控制和調(diào)節(jié)方面彼此獨立，但在連鎖保護方面，二者卻相互聯(lián)系。如此一來，盡管鍋爐的相關系統(tǒng)出現(xiàn)停止等意外情況，鍋爐的燃燒系統(tǒng)也不會受其影響，還能夠投入到廢氣摻燒過程中。

4 鍋爐中需要重點關注的問題

4.1 鍋爐摻燒后的安全性

鍋爐的安全性能方面是必須得到重視的，一旦安全性能得不到保證，將會出現(xiàn)財產(chǎn)損失以及人員傷亡的事件。因此，為了切實保證鍋爐摻燒火炬氣過程中，以及摻燒后的運行安全，對火炬氣管路等改造，必須嚴格遵守燃氣規(guī)范進行操作。對鍋爐中的各種儀器、各種切斷閥和調(diào)節(jié)閥都應該采用防爆型，并且在鍋爐運行的周圍現(xiàn)場還應該布置一定數(shù)量的可燃燒氣報警儀器，對于設備的各種管線閥門也必須嚴格進行接地處理，也必須將鍋爐中的燃氣流速嚴格控制在正常范圍之內(nèi)。鍋爐的各項程序控制應該有比較完善的自動點火和爐膛火焰保護監(jiān)視系統(tǒng)，并且該程序是人為無法進行干預的。鍋爐進行摻燒時，一旦出現(xiàn)摻燒的燃氣氣壓過高或者過低，燃燒的火焰出現(xiàn)熄滅等情況時，能夠保障火炬氣燃燒器會出現(xiàn)自動退出運行，與此同時，鍋爐還會關閉火炬氣的總閥，以及各個分支閥，這樣才能切實保證鍋爐在摻燒后的各項安全。

4.2 鍋爐摻燒比例的確定

目前，鍋爐摻氣比例越高，則企業(yè)在廢氣回收利用中所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也會相對比較高，但如果鍋爐摻氣的比例過高，對鍋爐的各個方面所產(chǎn)生的影響是比較大的，也會影響到鍋爐的安全穩(wěn)定性。鍋爐中使用的燃料如果不同，就會對鍋爐的爐內(nèi)傳熱和爐膛出口煙氣溫度造成影響，所以鍋爐在燃燒時必須保證燃燒氣體燃料要比燃燒煤時爐膛出口溫度要高出約50℃。除此之外，由于燃煤以及燃氣存在較大的不同，鍋爐燃燒中所需要的空氣量，以及燃燒后所產(chǎn)生的煙氣量也有較大不同，因此對鍋爐摻燒比例的確定，對于鍋爐運行穩(wěn)定性有較大幫助。

4.3 鍋爐摻燒位置的選擇

要想切實保障火炬氣燃燒煙氣和原有的燃燒煙氣能夠進行充分良好的混合，應避免鍋爐對廢氣進行處理時，造成破壞爐內(nèi)正常煙氣流動工況，或者是鍋爐中的火焰對燃煤硫化燃燒的影響，因此，必須將火炬氣燃燒器安至于爐膛中部上排二次排風封口的地方，這樣能夠有效讓預混氣體進入爐膛中。并且鍋爐原本的上排二次風應該安置于兩側墻上，每側墻各三只，在火炬氣燃燒器尺寸以及數(shù)量的選擇方面，必須以二次風口尺寸和數(shù)量為考量標準。

5 鍋爐改造完成后的效益

5.1 經(jīng)濟效益

改造后的鍋爐能夠?qū)鹁鏆膺M行摻燒，讓企業(yè)能夠直接取得經(jīng)濟效益，主要包括企業(yè)在廢氣回收利用上而帶來的節(jié)約燃煤所產(chǎn)生的效益，以及企業(yè)減少煤使用過程中對于節(jié)約脫硫劑方面所取得的效益。通過相關數(shù)據(jù)的計算，兩臺鍋爐每年可以為企業(yè)節(jié)約燃煤中取得的經(jīng)濟效益在1 470萬元左右，在幫助企業(yè)節(jié)約石灰石方面上所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益為10萬元左右，所以，企業(yè)的兩臺鍋爐在進行摻燒工業(yè)廢氣中，每一年能夠為企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益直接超過1 000萬元。

5.2 社會及環(huán)保效益

企業(yè)對火炬氣進行回收利用，可以大幅減少火炬氣因為直接排放而造成工廠周圍環(huán)境的不利影響，主要包括工廠周圍的燃燒噪音，各種污染物的排放，以及工業(yè)灰渣污染。與此同時，企業(yè)還消除了火炬燃燒后對社會所造成的種種負面影響，從而改善了人們原本心目中工廠不好的形象。

6 結束語

通過實踐有效證明了東方化工廠通過對鍋爐進行改造后，在工業(yè)廢氣的回收利用方面是成功的。東方化工廠的兩臺循環(huán)流化床鍋爐在進行一系列改造后，對于工廠所產(chǎn)生的火炬氣的摻燒，能夠為企業(yè)帶來種種效益。鍋爐在進行摻燒火炬氣之后，鍋爐中的燃煤系統(tǒng)和燃氣系統(tǒng)都能夠比較穩(wěn)定的運行，鍋爐中的聯(lián)鎖保護和相應的控制系統(tǒng)的運行也是相對穩(wěn)定的。就算鍋爐的燃燒器突然出現(xiàn)退出的情況，只要對鍋爐的各項系統(tǒng)進行及時的調(diào)整，也不會對其運行造成比較大的影響。因此，工廠對所產(chǎn)生的工業(yè)廢氣進行摻燒利用是一條可走之路。