焦爐煤氣在300 MW火電廠煤粉爐中的摻燒運用

侯友龍，陳闊，何軍福，周早壽，黃邦開，萬軍

（云南能投曲靖發電有限公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

焦爐煤氣是煉焦過程中的一種副產品，焦爐煤氣不同于高爐煤氣、轉爐煤氣，焦爐煤氣主要成分為氫氣（55%-60% ）和甲烷（23%-27%），如表1所示，屬于中熱值氣，其熱值為每標準立方米17-19MJ，適合用做高溫工業爐的燃料和城市煤氣。焦爐煤氣為無色、易燃易爆、有腐蝕性、微有臭味的有毒氣體，當焦爐煤氣與空氣或氧氣混合到一定比例，遇明火或550℃以上高溫就會發生強烈著火或爆炸。

表1 焦爐煤氣主要成分表

距離該電廠3.1公里處有一焦化廠，每小時可產生2.8×104Nm3焦爐煤氣。考慮到煤炭資源的緊缺，充分利用焦爐煤氣，使其作為鍋爐點火啟動與穩燃用燃料，可以降低電廠的運行成本，并保證電廠鍋爐設備運行的安全性。

1 設備概況

該電廠現有裝機容量為4×300 MW燃煤火力發電機組，該電廠一期爐型：#1、#2鍋爐為單爐膛 ∏ 型露天布置、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、亞臨界參數、四角切圓燃燒、自然循環汽包爐，型號為DG1025/18.2-Ⅱ8，制粉系統采用鋼球磨中間儲倉式、干燥送粉系統，配備4臺DTM350/600型球磨機。燃燒設備為每角燃燒器分上下兩組，共布置15層噴口，其中有6層一次風（A、B、C、D、E、F，其中A層煤粉燃燒器內布置有微油槍）噴口，1層頂二次風（OFA)噴口，8層二次風噴口（其中BC、DE層布置有燃油裝置），一次風噴口均布置有周界風。

該電廠二期爐型：#3、#4鍋爐型號為DG1025/18.2-Ⅱ16，鍋爐型式為亞臨界參數、四角切圓燃燒、自然循環汽包爐。單爐膛Π型露天布置、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼架懸吊結構。制粉系統為中速磨冷一次風機正壓直吹式系統。配置5臺MPS200型磨煤機。燃燒設備為每角燃燒器分上下兩組，共布置13層噴口，其中有5層一次風噴口（A、B、C、D、E，其中其中B層煤粉燃燒器內布置有微油槍），1層頂二次風（OFA)噴口，7層二次風噴口(其中AB、BC、DE層布置有燃油裝置)，一次風噴口均布置有周界風。

2 焦爐煤氣摻燒要求

在鍋爐正常運行階段以焦爐煤氣替代部分煤粉，在鍋爐點火階段和低負荷穩燃階段以焦爐煤氣替代輕柴油對煤粉進行直接點火和穩燃，從而達到降低燃料消耗成本，提高鍋爐運行經濟效益的目的，同時摻燒焦爐煤氣后不會對鍋爐正常運行造成負面影響，改造完成后能保證鍋爐設備安全、正常運行。

每臺鍋爐焦爐煤氣摻燒量按28000 Nm3/h設計。爐前焦爐煤氣供氣壓力8-15 kPa，最低供氣壓力為5 kPa，燃氣系統最高工作壓按20 kPa設計（即焦化廠放散水封的壓頭，電廠用氣突然全部中斷時燃氣管道中可能產生的瞬時憋壓）。爐前焦爐煤氣進氣溫度不低于30℃。在對傳統的煤粉鍋爐進行焦爐煤氣摻燒改造時，要注意防止焦爐煤氣系統泄漏，預防發生安全事故，在關鍵位置加裝有毒可燃氣體泄漏檢測裝置，對于易泄漏位置加設閥門。摻燒系統還應充分考慮機組運行方式改變時的有效隔離。

3 焦爐煤氣輸送系統

煤氣中含有一定的水分，在管道中輸送時，煤氣溫度不斷下降，煤氣中的水分就會冷凝而析出，同時還帶有煤氣中的粉塵、煤焦油、氰酚等雜質，具有很大的腐蝕性和毒性，如果不排出，將會嚴重腐蝕管道和閥門，極易造成管道、閥門損壞而出現泄漏事故。在焦爐煤氣輸送系統中，分別設置了廢液收集罐、焦爐煤氣加熱器、計量站，水封管，滿足焦爐煤氣輸送的安全和計量需求，焦爐煤氣輸送及爐前摻燒系統如圖1所示。

圖1 焦爐煤氣輸送及爐前摻燒系統

3.1 焦爐煤氣排水器

在煤氣管道最低處，一般每隔200 m～250 m設置一個焦爐煤氣排水器，如圖1中④所示。煤氣排水器依靠水封的自然高度形成水壓封住管道內煤氣，水封的總有效高度應為煤氣計算壓力至少加500 mm。氣排水器主要是將防擊穿無泄漏煤氣排水器接入輸送煤氣的管道中(管道最低處)，煤氣管道內的冷凝水經排水管進入排水器高壓室，然后經過隔板上高低壓室的連通管道進入排水器低壓室將冷凝水收集并通過水封自溢流口自動排出煤氣管道中的冷凝水，通過溢流管，流到冷凝液收集器內，保證設備的正常運轉。當煤氣管網壓力波動或其它原因引起的排水器有效水位異常降低被煤氣擊穿，在煤氣沖擊的作用下，觸動防泄漏裝置，封閉溢流口，阻止煤氣向外泄漏，保證設備正常運轉。

3.2 焦爐煤氣計量站

為滿足焦爐煤氣摻燒的計量結算需求，在焦爐煤氣輸送系統上安裝了計量裝置，在圖1中①加熱器后。計量站流量計管路分為五路，設計正常運行為三運兩備。當運行管路發生堵塞可切為備用管路運行。每一路入口都裝有手動門、眼鏡閥，出口裝有眼鏡閥、手動門。

3.3 焦爐煤氣加熱器

為保證焦爐煤氣摻燒的溫度要求，在計量站前輸送系統管道上安裝了焦爐煤氣加熱器，如圖1中①所示。焦爐煤氣加熱器汽源來自該電廠#4機輔汽聯絡手動門和電動門之間，加熱蒸汽閥門站布置如圖1中②所示，加熱器回水回至各臺機組本體疏水擴容器，如圖1中⑥所示。

3.4 焦爐煤氣水封管

為滿足某臺鍋爐停運檢修或爐前焦爐煤氣檢修隔離需求，在每臺鍋爐爐前設置了水封管，可將爐前管道與焦爐煤氣輸送系統母管有效隔絕，如圖1中③所示。

4 焦爐煤氣鍋爐摻燒系統

考慮到焦爐煤氣中含有大量的有毒物質，因此焦爐煤氣鍋爐摻燒系統需要加裝各種調節閥、截止閥、流量計和壓力計等設備以保證其密封性。與此同時，加裝有毒可燃氣體泄漏檢測裝置加強對焦爐煤氣的監測，防止發生焦爐煤氣泄露，造成安全隱患。為保證其安全性，焦爐煤氣鍋爐摻燒系統加裝了防雷防靜電設施和氮氣置換系統，氮氣置換系統可以滿足焦爐煤氣投運前和切斷后純度置換，有效避免爆炸風險。

焦爐煤氣鍋爐摻燒系統可以將送至廠區的焦爐煤氣分配至各煤氣燃燒器，保證各個煤氣燃燒器所輸送至的煤氣壓力基本相同，其兼具煤氣的分配、輸送、計量、監測、保護等諸多功能。改造完成之后的爐前煤氣系統其最大供氣量為28000 Nm3/h，系統進口處設計焦爐煤氣壓力為20 kPa。

5 鍋爐燃燒器改造

5.1 煤氣燃燒器的改造

焦爐煤氣鍋爐摻燒系統分三層布置，BC（3000 Nm3/h）、DD（4000 Nm3/h）層共布置8只氣體氣槍（大氣槍）；4只點火氣槍，單只點火氣槍出力為350 Nm3/h；4只微氣氣槍，單只氣槍出力為500 Nm3/h。兩層大氣槍分別布置在BC層二次風和DD層二次風中，其中BC層二次風中原有的油槍保留，即摻燒改造后BC層二次風中同時布置有油槍和摻燒用大氣槍。在DD層二次風噴口中心區域布置DD層大氣槍、點火氣槍（點火氣槍斜插布置）和高能點火裝置。點火方式為：高能點火槍點燃點火氣槍，再由點火氣槍點燃大氣槍。BC層布置大氣槍及大油槍，大氣槍的點火方式為：高能點火槍點燃油槍，再由油槍點燃大氣槍，不另外設置點火氣槍和高能點火裝置。微氣氣槍（一期A層、二期B層）布置在原少油點火一次風中，摻燒改造后該層一次風即可用少油槍點火也可用微氣氣槍點火。

5.2 煤氣直接點火煤粉燃燒器改造

該4×300 MW機組煤粉爐原有的一次風中心采用外燃燒式小油槍，此次改造保持不變，同時新加裝了外燃式微氣氣槍，單獨的外燃燒式小油槍達到150～200 kg/h的出力情況，加裝的小氣槍單獨出力可以達到500 Nm3/h。

改造完成之后，可以使用焦爐煤氣替代原有的輕柴油參與點火，考慮到焦爐煤氣參與摻燒，可能會有焦爐煤氣斷供的情況發生，因此改造完成之后的煤粉燃燒器可以分別采用少油點火和少氣點火兩種方式，無論采用哪一種點火方式，均共用一個配風口、穩燃罩，已達到在保證安全性的前提下盡量降低成本。為了進一步保證其安全性能，加強對高溫位置的在線監測，加裝了一套測溫熱電偶，保證燃燒器的安全性，防止其因高溫發生損毀。

6 焦爐煤氣的摻燒試驗

2020年8月31日該電廠#2鍋爐焦爐煤氣系統投運成功，168運行期間系統運行穩定，鍋爐各參數正常。為進一步對鍋爐摻燒焦爐煤氣進行探索，對不同摻燒方式進行了對比分析，焦爐煤氣摻燒后，主再熱汽溫變化不大，鍋爐總給粉量下降，輸煤電耗、制粉電耗相應減少，相對鋼球消耗量也減少。在摻燒焦爐煤氣后，NOx、SO2、粉塵產生量相對減少，一方面有利于環保參數的控制，另一方面有效降低了除塵、脫硫電耗和脫硝系統氨耗。

焦爐煤氣摻燒后，鍋爐穩燃效果明顯提升，可有效替代輕柴油的穩燃。該電廠#1機組啟動，#2機組停運實現零用油記錄，在隨后的#3、#4機組啟停中實現了零用油，試驗和實踐效果明顯。

7 基于焦爐煤氣的多燃料耦合摻燒

焦爐煤氣熱值較高，燃燒性能、穩然效果較好，可以有效代替一部分穩然煤摻燒，改善燃煤摻燒結構。為實現焦爐煤氣資源高效利用，積極探索常規煤粉爐基于焦爐煤氣的多燃料耦合摻燒，通過對磨煤機筒體襯板、鍋爐水冷壁及后屏過熱器等關鍵設備進行性能改造提升，提升鍋爐對高比例摻燒低值煤的適應性，使常規煤粉爐大比例摻燒低值煤，降低發電標煤單價，節約發電燃料成本，為地區煤炭資源綜合利用做出貢獻，推動低值煤綜合利用，提高廢棄資源綜合利用效率，從而解決地區低值煤存量大、消耗難、污染大的問題，實現 “資源—產品—廢棄物—再生資源—再利用”的循環經濟模式。

通過“高熱煙煤+焦爐煤氣+低質煤”摻燒方式，可實現降低燃油消耗及提升低質煤摻燒比例，降低標煤單價，節約發電燃料成本。通過實踐，現階段該電廠已實現摻燒低質煤比例達75%以上，在低質煤摻燒比例達到75%時，每噸標煤價格降低18元。以2021年36億kWh發電量耗用115萬噸標煤計算，一年可減少燃煤成本2070萬元。

8 結束語

通過該電廠4×300 MW機組煤粉爐進行摻燒焦爐煤氣改造，鍋爐日常運行階段可以用焦爐煤氣替代部分4000體系穩燃煤，緩解高熱值煤采購壓力；在鍋爐點火階段、低負荷或燃燒波動穩燃階段可以用焦爐煤氣替代柴油對鍋爐進行直接點火和穩燃，實現零用油啟停機組；實現低質煤75%的高比例摻燒，有效降低燃料成本；鍋爐摻燒焦爐煤氣后可以有效解決因煤質波動導致鍋爐燃燒不穩定問題，提高鍋爐對煤質變化的適應性和經濟性；可以最大限度利用2.45億標立方焦爐煤氣，解決無法完全消納引發的化學污染問題，為區域環境保護做出貢獻。

通過常規煤粉爐摻燒焦爐煤氣的應用，探索出了一條鍋爐在焦爐煤氣支撐下實現高比例摻燒低質煤的可行之路，不但可以取得較好的經濟效益和社會效益，助推火電企業高質量發展，而且與貫徹落實國家“五大發展理念”，推進資源全面節約和循環利用的要求一脈相承，具有較好的應用前景。