石化裝置富氫尾氣摻燒技術應用

華意國，駱富杰

(新浦化學(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)過程中會產(chǎn)生多余的富氫尾氣，原設計通過火炬燃燒后排放，既浪費能源也會增加大氣熱污染。

某公司乙烯裝置原設計富氫燃料氣通過PSA裝置分離出高純氫氣供下游氫氣用戶使用，甲烷氣輸入燃氣管網(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氣，不影響主裝置產(chǎn)品負荷，故將該部分可燃氣體送電廠鍋爐燃燒。實施循環(huán)流化床鍋爐摻燒富氫可燃氣項目改造，可以進行能源的有效利用，既可達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富氫可燃氣體管道至熱電廠3臺440 t/h鍋爐，輸送管設計選用無縫鋼管，輸送管道設于管架的上層，將富氫可燃氣送至電廠鍋爐界區(qū)，并經(jīng)支管分配至各臺鍋爐。富氫可燃氣經(jīng)燃燒器進入爐膛燃燒，主管及支管均設有緊急切斷閥及自動排空閥。燃燒器設置在鍋爐上二次風位置的旁邊，從鍋爐側墻位置輸入爐膛，富氫尾氣工藝流程圖如圖1所示。

1.2 鍋爐設備

該公司自備電站一期鍋爐為無錫華光鍋爐股份公司生產(chǎn)的3臺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

鍋爐設計的煤種低位發(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。鍋爐燃燒系統(tǒng)由原煤倉、給料機、爐床、爐膛、旋風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，低位熱值要遠高于鍋爐設計煤炭的熱值，特別是校核工況下熱值更高，可以達到89 309 kJ/kg，該部分尾氣如果直接經(jīng)火炬燃燒后排放，將導致較大的能源浪費，如果將該部分尾氣作為燃料送到鍋爐爐膛燃燒將會節(jié)約煤炭消耗。

表1 富氫尾氣組分表

1.4 技術可行性分析

從該部分氣體的組分及熱值來看，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，但同時存在熱值太高的問題，明顯高于鍋爐設計燃料的熱值，特別是氫氣。摻燒潔凈無塵的燃氣后，對循環(huán)流化床內(nèi)鍋爐內(nèi)的結焦、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，該氣體燃燒可能導致鍋爐熱負荷分配失衡，煤炭局部因高溫結焦而造成鍋爐停爐事故；另外氫氣燃燒后會產(chǎn)生大量水蒸氣，將導致煙氣中的水分增加，可能會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，在改造設計中重點針對這兩個問題，需要進行設計核算，確定采取的主要技術措施是：

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 ℃；

通過技術分析，采取以上技術措施后，摻燒氣體的方案總體是可行的。

2 鍋爐本體改造技術方案

2.1 熱力計算

以3臺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，即兩臺鍋爐滿負荷時平衡消耗全部富氫尾氣。單臺爐設計工況額定負荷為440 t/h時，燃用設計煤種為69 236 kg/h，摻燒富氫尾氣按4 500 m3/h(標準狀況下，下同)，按照原設計煤種摻燒富氫進行熱力計算，設計工況摻燒熱量占整個輸入熱量的6%。校核工況單臺爐燃氣消耗量為9 400 m3/h，摻燒熱量占整個輸入熱量的10%，燃燒系統(tǒng)熱力計算及燃料耗量計算結果分別見表2和表3。

表2 燃燒系統(tǒng)熱力計算

2.2 改造系統(tǒng)主要設備

根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐的設計要求及具體運行工況，由于富氫燃料氣是一種無色無味、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焦的問題，擬對爐膛密項區(qū)側墻(+14.8 m標高)開8個孔，用于床上富氫燃燒器使用，每只燃燒器配出力為1 175 m3/h，側墻燃燒器配有點火槍。燃燒器火焰直徑小于2 m，火焰噴射長度小于4 m，運行時床上燃燒器火焰之間無疊加。

1)側墻氣燃燒器。側墻氣燃燒器作為鍋爐的心臟，采用點火槍點燃點火氣槍，再由點火氣槍點火主氣槍的二級點火方式。該法具有結構緊湊、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。燃燒器中心供風帶有穩(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。燃氣氣槍前端采用耐熱鋼制作，以確保噴嘴的使用壽命。燃燒器上加裝觀火孔，通過觀火孔可以觀察到燃燒器火焰燃燒狀況。

表3 燃料耗量計算表

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

3)紫外式火焰檢測器。紫外光式火焰檢測器，用以檢測氣槍火焰狀態(tài)，光譜范圍為190～520 mm。當燃燒器正常燃燒時，火檢處理器送出開關量及模擬量信號；當燃燒器意外熄火時，“無火”信號將被傳送至DCS系統(tǒng)?；鹧鏅z測器需配備冷卻風，以確保在燃燒器運行及停運時火焰檢測器會得到可靠的冷卻。

4) 燃氣及吹掃置換系統(tǒng)。燃氣管道法蘭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]。

每套燃氣噴槍前支管路包括：手動關斷閥、氣動快關閥、氣動排空閥、壓力表和壓力變送器等。按燃燒器爐膛防爆標準要求，均需設置三閥組，即兩個快關閥和一個放空閥。

燃氣主管路設置氮氣手動置換系統(tǒng)和支管路吹掃系統(tǒng)，氮氣取自廠用氮氣系統(tǒng)經(jīng)減壓至0.35 MPa接入置換系統(tǒng)。

5)配風系統(tǒng)。燃燒器的配風引自鍋爐上二次風熱風管道，燃燒器進風口配置氣動調(diào)節(jié)風門，風量為4 200 m3/h,可根據(jù)燃氣量對配風進行調(diào)節(jié)。

6)排空系統(tǒng)。燃氣系統(tǒng)主管路和各分支管路均配有排空管路，每個排空管路配有手動閥門和氣動快關閥，所有排空管路最終匯入總管，經(jīng)爐頂對空排放，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事故擴大。

7)冷卻風系統(tǒng)?；饳z冷卻風系統(tǒng)，設計采用廠用壓縮空氣經(jīng)減壓至0.15 MPa后接入冷卻風總管，分別接到每臺燃燒器冷卻風管。

2.3 自動控制與保護系統(tǒng)

1)點火條件。主氮氣閥關位、主燃氣閥開位、主排空閥關位、支管路氮氣閥關位、燃氣調(diào)節(jié)閥開度大于25%、點火氣閥關位、燃氣閥A關位、燃氣閥B關位、排空閥開位；DCS點火允許(床溫大于800 ℃，無MFT信號)、無DCS燃氣快關閥動作。

2)順控啟動。DCS處于順控模式下，DCS啟動燃燒器，進點火槍推進器，當點火槍到位后，啟動點火器點火15 s，同時開點火氣閥。點火15 s結束后自動退點火槍，如果火檢有火，則點火成功。如果火檢無火，關閉點火氣閥。點火成功后，關閉排空閥，打開燃氣閥A、燃氣閥B，適當手動調(diào)整二次風和燃氣調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)整燃燒器負荷。

3)順控停止。點火失敗或DCS燃氣快關閥動作或MFT，則觸發(fā)順控停止。進點火槍推進器，點火槍到位后，啟動點火器打火15 s。同時關點火氣閥、燃氣閥A、燃氣閥B，打開排空閥。點火15 s結束后自動退點火槍。

4)保護聯(lián)鎖。(A)所有燃燒器停止(Z1)觸發(fā)條件：全廠失電；MFT；8臺燃燒器全部停止；主管燃氣壓力低(低于15 kPa)且持續(xù)時間5 s；所有燃燒器火焰檢測無火。聯(lián)鎖動作：聯(lián)鎖關閉主管和支管的快關閥，調(diào)節(jié)閥開度到0%，開排空閥、氮氣吹掃。(B)單臺燃燒器停止(Z2)觸發(fā)條件：兩臺火焰檢測器都檢測到無火信號且Z1未觸發(fā)。聯(lián)鎖動作：聯(lián)鎖關閉對應燃燒器支管的快關閥，打開對應燃燒器支管的排空閥。

2.4 現(xiàn)場其它設備改造情況

因為鍋爐現(xiàn)場使用了富氫可燃氣體，根據(jù)防爆要求，現(xiàn)場防爆區(qū)域內(nèi)的吹灰器電機、照明、控制箱和壓力變送器等按IICT4防爆等級更換或移位。鍋爐運轉層平臺主要進出口通道，包括電梯的出口均設置了人體靜電釋放器。泄漏點上方設置了相應的可燃氣體報警儀，現(xiàn)場設置報警器，并接入中控GDS控制系統(tǒng)實現(xiàn)超限報警功能。

3 運行效果確認

改造完成后，對管路系統(tǒng)進行氣密試驗并消漏，投用前使用氮氣對管道系統(tǒng)進行置換，并在爐前燃燒器的放空閥后取樣，檢測全部為氮氣后合格，具備投用條件，開始逐臺投用燃燒器。經(jīng)過3個月時間試運行，總體運行平穩(wěn)，各項指標達到預期。

試運過程中單臺鍋爐最大投用量達到1 510 kg/h，摻燒氣量達到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。

按燃料的等熱值計算，鍋爐年運行時間按8 000 h，每臺爐每年可節(jié)約：1 510 kg/h×8 000 h×61 335 kJ/kg÷29 300 kJ=25 286 t標煤，標煤價格按800元/t計算，年折合經(jīng)濟效益約為2 022萬元，相比進火炬燃燒效益可觀。

4 結語

石化裝置富氫尾氣作為熱量回收進循環(huán)流化床鍋爐燃燒，實踐證明在技術上是可行的。摻燒比例一直是鍋爐熱力改造的難點，本次工程實踐證明，摻燒輸入熱值比例達到10%是完全可行的，對鍋爐的安全長周期運行沒有影響。

隨著石化裝置負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發(fā)生波動，但總體而言，原來富余的可燃氣體排至火炬燃燒的問題徹底解決，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)帶來較好的經(jīng)濟效益，同時對整個石化裝置的系統(tǒng)平衡與穩(wěn)定起到一定的調(diào)節(jié)促進作用。