锅炉掺烧煤化工可燃废气的研究与实践

宋兆季  张国民  毛旭涛 王凯

（神华宁夏煤业集团煤制油分公司，宁夏  银川 750411）

摘要：介绍了神华宁煤煤制油项目和富余燃料气排火炬的现状，从环保、安全、控制策略等方面分析了评价了燃料气送入锅炉掺烧的可行性，并给出了初步掺烧方案，同时测算论证了掺烧带来的经济效益和社会。

阀关键词：工业废气、燃料气、掺烧、环保

中图编号：X701  文献标识码：A

Research and Practice on Combustible Exhaust Gas of Coal Coal-burning Chemical Industry in Boiler

 SongZhaoji

（Coal To Liguid Company,Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co. Ltd  Yingchuan 750411 China ）

Abstract: Introduces the present situation of Shenhua Ning Coal-coal Oil Projects and Redundant Fuel Gas Exhaust Torch, analyses and evaluates the feasibility of mixing fuel gas into boilers from the aspects of environmental protection, safety and control strategies, and gives a preliminary mixing scheme, at the same time calculates and demonstrates the economic benefits and society brought about by mixing combustion.

Keywords: Industrial waste gas，Fuel gas,mixing combustion， Environmental protection

1  背景

随着中国的经济发展，环保问题越来越受到政府和社会各界的广泛关注，各行各业都在研究和治理环境污染问题。煤化工行业作为我国主要的高能耗、高排放产业，是工业领域节能减排的重点和难点。国内多数能源化工或石油化工企业在生产过程中产生大量的可燃工业废气， 而这些大型企业一般都有自备动力装置，部分企业将可燃废气送往热电装置锅炉系统掺烧，但锅炉系统或燃气系统出现故障， 可燃废气无法在短时间内退出，安全无法得到保障；大部分企业从安全角度考虑将可燃废气送往火炬装置进行燃烧排放，造成了能源浪费和环境污染^[1]。

神华宁煤集团400万吨/年煤制油项目是国家“十二五”期间重点建设的煤炭深加工示范项目，项目以煤为原料，采用干煤粉气化技术每年转化煤炭2036万吨，产油品405万吨。其后工段合成油装置及净化合装置副产的部分燃料气原设计并入燃料气管网，但因膜分离单元氢气回收率低，造成燃料气管网富余，只能排放火炬，目前85-90%负荷状况下并入燃料气约8万Nm3/h, 新增膜组回收氢气后，火炬放空仍有约3万Nm3/h，不仅对周边环境造成较大的影响，而且造成公司能耗较高。因此研究探索如何实现将富余燃料气送往锅炉装置安全掺烧进行热能回收，不但可以降低生产成本，还能有效减少火炬排放，具有重要意义。

2  现状分析

本项目副产的燃料气成分主要是H₂和CO，占比分别是30.2%和58.2%，主要成分为CO、CO₂、H₂、N₂、C_mH_n等，其低位热值约为13179kJ/Nm³，流量约为29000Nm³h。因低压燃料废气中H₂含量30.2%，CO含量58.2%，低压燃料气体与空气混合物爆炸下限＜10%，属可燃气体火灾危险性（甲类）、高度危害（II）的气体，根据环保限排规定，绝不允许对空排放。

如采用独立的废气焚烧处理装置，一次性投资较大，且需要配备独立的焚烧炉及点火、助燃系统、余热回收系统、烟气处理系统，施工周期长。如将副产燃料气气送入动力锅炉掺烧，有利于燃料气气的余热回收，减少动力锅炉燃煤耗量。可燃气燃烧完全后的尾气，经动力锅炉烟气处理系统（脱硝、脱硫），可去除其中的大部分氮氧化物等，在治理废气污染的同时，回收了能源，既能创造经济效益，又可避免环境污染。

动力装置现有1-4#锅炉为600t/h的一次再热锅炉、5-10#锅炉为640t/h锅炉，共10台。1-4#锅炉四角燃烧器组由下往上AB、BC、DE层布置有点火油，5-10#锅炉四角燃烧器组由下往上AB、BC、DE层布置有点火油，CD层1#、3#对角布置有废液焚烧燃烧器；锅炉上均具有增加燃料气掺烧的条件。

3   安全评估

燃料气气中含有30.2%H₂、58.2%CO,而H₂属易燃、易爆气体，在4%-75%溶度与空气混合时都能燃烧，与氯气或被稀有金属吸附，遇明火很容易产生爆炸。CO又属于热值较高、毒性较强的无色、无味气体； 经分析计算，其着火温度及爆炸上下极限见下表。

燃料气中H2含量较高，储存及管道输送必须按国家标准规范。需制定应急预案，定期检查阀门及管道接口，燃料气停止使用（空管）后再次使用时，管道应做气密性检查；燃料气投入炉膛燃烧前，要注意观察锅炉各项参数是否稳定，当锅炉参数稳定后，开始少量、陆续、稳定投入，投入燃料气后观察炉内燃烧工况，及时调整入炉量，以保证锅炉燃烧稳定。   燃料气锅炉总管阀门、仪表位置引致锅炉厂房外，将防爆区设置在厂房外；燃料气控制关断阀，阀通径小于或者等于100mm的，在不超过1s的时间内安全关闭，通径大于100mm的，在不超过3s的时间内能够安全关闭；燃气燃烧器与点火器枪的点火安全时间设定为不超过5s，熄火安全时间不超过1s，高能点火器的打火时间不超过12s，从点火的安全时间上保证燃气点火的安全性。

由于燃料低位发热量为13.26MJ/m3，相当于0.75-0.78kg煤的发热量，而燃料气中含水率低仅为0.2%，而煤收到基20%水分，空干基水分10%，入炉煤水分一般在5%以上。对于这类燃料气燃料所需空气量少，产生的烟气量也减少，因此相对于全煤燃烧，燃料气掺烧后空气量、烟气含水率、烟气量、烟气含硫浓度及氮氧化物将有所降低。另外，燃料气中无硫化物等腐蚀性元素，主要可燃成分CO、H2、少量CmHn及惰性气体CO2、N2，掺烧过程不会对锅炉受热面产生影响。因此掺烧不会队锅炉产生大的影响，其安全性可控。

3  方案设计

3.1  基础工艺流程

通常情况下，石油化工行业生产过程中产生的工业废气无论是在气体压力、连续稳定性方面，还是在品质（如含水量大、杂质较多）方面都还不具备直接利用的条件， 因此必须首先建立一套完备的回收、稳压和处理系统。该系统通常包括缓冲罐、气水分离和过滤装置、调压稳压阀组等。考虑从界区来的燃料气含水量较少，因此本项目不设置分离器，只设置缓冲罐和调压阀组。燃料气进入炉前管路后压力为0.4MPa至0.6MPa，在入口处设置一级切断手动球阀，阀后设置手动氮气吹扫，然后经过缓冲罐设置一级减压稳压管路，压力由0.4MPa至0.6MPa减至0.15MPa至0.2MPa之间，之后再设置二级减压阀，将压力由0.15MPa至0.2MPa减至0.06MPa至0.08MPa之间，在进入锅炉各角管路之前设置三阀组（双切断快关阀、放空阀），在阀组之间设置自动氮气吹扫装置，在控制系统中利用三阀组设置系统吹扫、检漏、充氮保护程序，确保系统管路的安全性，最大限度的保证安全生产。流程图如图1

图1燃料气总管流程图

从燃气母管引出四条燃气支管接入炉膛四角，即每支燃气焚烧枪分别对应一条燃气管线，每条燃气管线各设置两个气动切断阀门，燃料气通过支管引入安装在二次风口中的焚烧枪；还需配套氮气管线用于置换和吹扫使用，同时安装有可燃气体探头检测泄漏情况。每条燃气支管系统示意图如图1 所示： 

图2燃料气支管流程图

燃气投用前，检查系统中手动阀及切断阀均处于关闭状态，打开燃气阀1、燃气阀2、手动阀1 和手动阀3对燃气管线进行系统氮气置换放空，取样分析氧体积含量小于0.2%时为合格，关闭燃气阀1、燃气阀2、手动阀1 和手动阀3；打开氮气阀2 和手动阀2，同时向燃气管线输送可燃气体。

焚烧枪是掺烧燃料气的核心和关键设备，其好坏直接关系到改造的成败和锅炉运行的安全和稳定。本项目焚烧枪为耐热合金钢，装置为固定式，依托原有锅炉的燃烧系统，采用单独的燃料气焚烧枪，共四只分为两组，对角为一组，根据系统可燃气量投用一组或两组燃烧器，燃气燃烧器不单独设计点火器，以中心进气燃烧方式将燃料气喷入锅炉与原锅炉二次风供应的空气混合，利用锅炉内部已有火焰引燃，保证燃料气气的完全燃烧，因燃料气是在锅炉点火后投运，因此可确保喷入锅炉后能立刻燃烧，不会出现爆燃。焚烧枪配备相应调压、稳压、调节、放散、切断、流量显示、压力显示、温度显示功能的管路系统；设置在中上二次风层风道内，按1#与3#角或2# 与4#角对应设置。

3．2 控制流程描述

1）投运程序。在操作站点击“投运”按钮，此时氮气阀1 自动打开吹扫一段时间后该阀门关闭，同时燃气阀1 打开、氮气阀2 关闭，一段时间后燃气阀2 打开，燃气系统投入运行。

2）停运程序。在操作站点击“停运”按钮或工艺运行条件不满足燃气系统运行时，燃气阀2 自动关闭， 同时氮气阀1 和氮气阀2 自动打开，吹扫置换一定时间后，燃气阀1 和氮气体阀1关闭， 燃气系统退出运行。

3.3联锁条件

（1）燃料气跳闸条件

①MFT动作；②任一燃料气阀未关，燃料气焚烧关断阀关闭；③任一燃料气阀未关，燃料气压力低（模拟量测点）；④锅炉负荷＜60%。

（2） 燃料气跳闸动作结果

①关闭燃料气焚烧关断阀；②关闭所有燃料气阀和废液吹扫阀。

（3）燃料气跳闸复位条件

①燃料气焚烧关断阀已关；②所有燃料气阀已关。

（4）燃料气投运允许条件

①锅炉负荷＞70%；②炉膛温度＞600℃；煤粉炉无测点，通常都使用二次风温来表征炉内温度。

3.4掺烧比例的确定

 锅炉掺气比例越高回收利用产生的经济效益就会更高，但是如果掺气比例过高，就会对锅炉各部位的传热总量、比例等状况产生较大的影响，关系到锅炉装置的安全、稳定和经济运行。

锅炉燃用不同的燃料， 燃烧产物中具有辐射能力的介质以及含量不同，火焰的黑度也各不相同，同一炉膛内燃用燃料不同， 必然会对炉内传热及炉膛出口烟气温度产生影响， 通常燃烧气体燃料比燃烧煤时炉膛出口温度要高50 ℃～80 ℃。但是， 如果燃料气掺烧比例适当， 同时选择合适的掺烧位置， 那么对整个炉膛出口烟气温度的影响完全能够控制在3 ℃～5 ℃范围内。此外，燃煤和燃气在元素组份上有较大的差异， 燃烧所需的空气量和燃烧后所产生的烟气量也将发生较大的变化，如果掺烧比例过大，超出现有送、引风机的出力水平，则需要对其进行适当改造，从而增加改造成本和改造周期。回收的工业废气，往往具有组份、品质不稳定的特点，燃气系统的故障率相对较高，如果掺烧比例过大，燃气系统因保护退出运行后， 将造成锅炉灭火或联锁停炉，引起蒸汽系统的波动。

经过反复核算， 我们最终将燃料气掺烧比例控制在15 ％～20 %左右，单支废气燃烧器按消耗废气流量1000m3/h设计，10台锅炉共布置废气燃烧器28支，10台锅炉按8开2备方式，废气同时掺烧能力可达24000m3/h。

4  改造效果

4.1节约锅炉燃料煤消耗量： 煤制油分公司锅炉燃料气掺烧预计增加掺烧装置焚烧燃料气能力为28000-48000Nm³/h，正常情况下，锅炉按照8开2备的运行方式。如将副产燃料气送入锅炉炉膛掺烧，余热回收利用,燃料掺烧按年运行8000小时计算，每小时掺烧3万Nm³/h燃料气，热值按照13179kJ/Nm³折算，年可节约标煤10.79万吨，折现有燃料煤16.56万吨，每吨按照220元测算，年节约费用3643.2万元。目前已改造完成的1、2号炉，每小时可节约5.2吨煤，每年可节约成本2662.4万元，效果超过预期。

 4.2社会和环保效益：煤制油分公司化工装置工艺副产燃料气通过锅炉掺烧，燃烧后的尾气经锅炉装置烟气处理系统（脱硝、脱硫），除去其中的氮氧化物、二氧化硫等，减少了减少了燃料气直接排放对环境的影响，如燃烧噪音、污染物排放、灰渣污染等， 同时消除了火炬燃烧对社会产生的负面影响，改善了工厂在社会中的形象。

5 结束语

实践证明， 工业废气在煤制油锅炉中的掺烧应用改造是成功的， 所带来的经济效益、社会效益和环保效益也是可观的。锅炉掺烧燃料气后， 锅炉燃煤系统、燃气系统运行稳定，联锁保护及控制系统工作正常，实际掺烧能力为单台炉4000 Nm3/h 左右，并且在全部燃烧器突然退出运行后，及时进行调整，也不会对锅炉正常运行造成较大的影响。总之，工业废气在企业内部动力（蒸汽）锅炉中进行掺烧利用是完全可行的，只要掺烧比例、掺烧位置选择合理， 基本上不会影响锅炉原有的运行工况和工艺参数；只要按照规范要求装设完备、有效的联锁保护系统，并在运行调整、作业管理过程中严格执行操作规程和规章制度， 掺烧后的安全也有保障。

参考文献

[1] 李振华.化工可燃废气送入锅炉掺烧自动控制系统研究与实践。山东工业技术，2013,第6期：115-116

[2] 罗凯.工业废气在循环流化床锅炉中的掺烧应用 能源环境保护 2010，第24卷第4期：37-39

[3] 秦裕琨. 燃油燃气锅炉实用技术[M]. 北京：中国电力出版社，2001：153~170.

[4] 赵钦新，葛升群，惠世恩，刘鑫. 中小型燃油燃气锅炉运行操作与维护[M]. 北京：机械工业出版社，2003：23.

[5] 赵钦新，惠世恩. 燃油燃气锅炉[M]. 西安：西安交通大学出版社，2000：336~337.

[6] 林宗虎，张永照. 锅炉手册[M]. 北京：机械工业出版社，1989：