煤粉锅炉掺烧炼厂干气试验研究

聂广华

（中国石化巴陵分公司热电部，湖南岳阳 414014）

巴陵分公司炼油装置每年产生4～5万吨干气，由于压力不稳定，以往通过火炬燃烧排放，造成能源的浪费，为充分利用余热，干气系统进行了脱硫脱水改造，目前处理后的干气进入母管，除用于炼油装置余热锅炉焚烧外，多余的干气由热电部煤粉锅炉掺烧。文章以热电部#10炉为例，介绍了掺烧干气对煤粉锅炉安全性、经济性及环境的影响。

1 锅炉设备概况

#10炉是NG-410/9.8-M型燃煤高压自然循环单炉膛汽包炉。锅炉采用水平浓淡直流式煤粉燃烧器，正四角切向布置，假想切圆直径为φ377/φ798 mm，制粉系统采用钢球磨，中间仓储方式。脱硝采用低氮燃烧＋选择性催化还原法（SCR）脱硝技术，除尘采用电袋复合除尘器工艺，脱硫采用石灰石－石膏湿法脱硫工艺。管式低温空气预热器采用交错布置，自上而下依次为高温、低温空预器。

2 干气系统介绍

干气系统接自炼油部干气母管，在热电部安装了流量计，用于9、10、11号炉点炉初期和炼油部母管压力高时掺烧使用。干气成分较复杂，主要组分为甲烷、乙烯、氢气，在10炉安装了2层干气喷咀，甲、乙、丙、丁四角各2个，分别位于中下一次风喷口之间、上一次风与上二次风喷口之间，配备蒸汽吹扫系统，在炉前干气母管上安装了快关阀，接入锅炉炉膛安全保护系统，当锅炉发生灭火后，能自动切断干气。

3 干气掺烧试验

3.1 试验工况

干气掺烧在现有煤种、常规负荷的基础上进行，全投8个干气咀，试验工况见表1。

表1 试验工况安排

3.2 试验方法

计算掺烧前后热效率、测量四角燃烧器区域炉膛温度和排烟温度、观察燃烧器区域水冷壁结焦情况、实测烟气成分、记录脱硝入口/出口氮氧化物浓度/氧含量/烟气温度变化幅度、记录辅机耗电量变化情况。计算出2个工况的锅炉吨汽综合成本、理论喷氨量，所有测试项目按照国家标准和电力行业规范进行，具体项目和方法见表2。

表2 试验内容与方法

4 试验结果与分析

4.1 试验煤质分析

根据《电站锅炉性能试验规程》GB10184－2015中7.2项规定，需先将干气组成换算为质量分数，然后按公式（1）计算混合燃料的工业分析值，见表3。

式中Qnet.ar.to入炉混合燃料的低位发热量，kJ/kg或kJ/m3；qm.f.i某种燃料组分的消耗量，kg/h或m3/h；Qnet.ar.i某种入炉燃料的低位发热量，kJ/kg或kJ/m3。

表3 试验煤质分析计算

4.2 掺烧干气经济性分析

锅炉产汽综合成本计算见表4。由表4可以看出，#10炉掺烧干气后热效率92.32%，比掺烧前的92.55%降低了0.21%，机械不完全燃烧损失比掺烧干气前增加了0.2%，考虑风机电耗、制粉电耗、液氨消耗量等因素，掺烧干气前吨汽综合成本81.341元，掺烧后81.539元，增加了0.198元。

表4 锅炉产汽综合成本计算

续表

若干气未回收利用，干气中H2S为应税污染物，污染物当量值为0.29 kg，湖南省大气污染物税额为2.4元/污染物当量，干气中H2S体积分数为5 677×10-6，质量浓度为8 617 mg/m3，2018年热电部掺烧干气14 904.53 t，约1 913.3万m3，H2S排放量为164 869 kg，应缴纳环保税136.44万元。

2018年，实际干气掺烧量以吨计算，折合标煤16 991.16 t，年回收干气经济效益1 437.13万元。

4.3 掺烧干气对#10炉安全性影响

锅炉四角投入干气后结焦现象明显，投干气后较投前燃烧器区域温度上升，从表5可以看出，高温区都集中在乙、丙角三次风和上上二次风区域，在投干气后乙角温度达到了1 243℃，丙角1 181℃，丁角浓三次风达到1 191℃。经观察和运行人员反映，结焦主要集中在乙、丙、丁角上上二次风及三次风喷口处，这与温度测量值吻合。分析认为有两个原因：一是干气着火后火焰传播速度快，其中H2火焰传播速度达到4.83 m/s，对中、下一次风区域辐射热量少，在火焰上升过程中，由于中二次风风速只有15 m/s左右，对干气火焰卷吸能力不强，使火焰一直旋转到三次风处，使三次风区域温度升高，很容易造成火焰中心的熔渣没来得及冷却就粘结在上上二次风喷口边缘和粗糙的耐火泥表面，造成结焦。二是由于干气喷咀当初设计时没有配风，加上干气组分基本上是易燃气体，投入后首先消耗附近二次风的氧量，燃烧迅速，造成一次风粉燃烧时局部缺氧，生成强还原性气体CO，降低了灰的变形温度、软化温度和熔融温度，加速结焦。结焦严重时难以清除，影响锅炉安全运行。

表5 甲制粉运行时四角各层燃烧器区域温度测试数据 ℃

4.4 掺烧干气对环境的影响

甲制粉运行时掺烧干气对脱硫、脱硝污染物浓度的影响见表6。

由表6可看出，干气投入后，在其他条件不变的情况下，脱硝入口NOx含量升高了6 mg/m3，分析认为干气中的N2体积分数为17.7%，常温下与O2不发生反应，喷入炉膛后，由于温度超过1 200℃（N2的反应温度）便开始反应，生成少量的NO，即通常所说的热力型NOx，温度越高，生成量越大。并且干气火焰比重小，燃烧后向三次风区域快速流动，由于干气剧烈燃烧和传播一直在氧化气氛内，因此生成的NOx很难被还原为N2，脱硝入口NOx明显升高，通过烟气脱硝系统后，排放口NOx浓度可以控制在标准范围内，掺烧干气后燃料含硫量有所增加，原烟气SO2浓度增加了14 mg/m3，同样，经过石灰石－石膏湿法脱硫后，对污染物排放几乎没有影响。

表6 掺烧干气对脱硫、脱硝污染物浓度的影响

5 结论及建议

从试验的结果看，煤粉炉掺烧干气年创效达到1 437.13万元，掺烧后对大气污染物排放浓度基本没有影响，经济效益和环境效益良好。但掺烧干气后出现了三次风燃烧器部分区域结焦现象，为解决结焦问题需要采取以下措施：一是干气压力高于0.5 MPa时，对角干气咀同时投入，干气压力低时，对角同时退出，尽量避免单角投干气；投干气后由于中一次风燃烧前移，视挥发分情况，可适当提高中一次风速；为了减少操作量，建议对角设一个分支总门，每次只需操作分支总门即可；二是对干气系统进行配风改造。目前干气喷咀没有合理的配风，建议对于四角切圆直流燃烧器锅炉，将二次风箱开孔，将部分二次风导流板割除，将干气枪布置在二次风喷口，干气枪通过金属软管与干气母管连接，在干气分支管增加干气咀流量计，以确保四角干气动量平衡。