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        800 t/h煤粉鍋爐改燒天然氣技術(shù)方案分析

        2022-02-14 09:56:56冉燊銘李小兵李家全李小榮
        山東電力技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:噴口風(fēng)道燃燒器

        熊 鵬,冉燊銘,李小兵,李家全,李小榮

        (1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611731;2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001)

        0 引言

        我國(guó)現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)決定了未來一段時(shí)間仍以煤炭等化石能源為主,而天然氣作為最清潔的化石能源,對(duì)環(huán)境污染小,碳排放量也要遠(yuǎn)低于煤炭[1-4],因此天然氣替代煤炭符合國(guó)家綠色環(huán)保的能源政策,對(duì)于碳減排也具有積極的作用。

        響應(yīng)國(guó)家環(huán)保政策,實(shí)施天然氣替代煤炭技術(shù)改造,將多臺(tái)煤粉鍋爐改造為天然氣鍋爐。煤粉鍋爐如何通過最小的改造工程量來適應(yīng)天然氣的燃燒,并保證鍋爐出力和主蒸汽溫度不變是技術(shù)改造的關(guān)鍵。該項(xiàng)目是對(duì)煤粉鍋爐的燃燒系統(tǒng)、煙風(fēng)道系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)、防爆區(qū)域等進(jìn)行改造,使其能夠適應(yīng)天然氣燃燒,鍋爐出力和主蒸汽溫度不變,并保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。

        1 鍋爐設(shè)備情況

        鍋爐為額定蒸發(fā)量800 t/h 超高壓參數(shù)(無(wú)中間再熱,主汽壓力12.5 MPa,溫度540 ℃)的工業(yè)蒸汽鍋爐,主要為下游煉化提供工業(yè)蒸汽。

        采用自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部單煙道、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、切圓燃燒方式、露天布置、背靠背式煤粉鍋爐,鍋爐布置如圖1所示。

        圖1 鍋爐斷面

        每臺(tái)鍋爐配兩臺(tái)三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。每臺(tái)鍋爐設(shè)5臺(tái)中速磨煤機(jī),4臺(tái)運(yùn)行,1臺(tái)備用。燃燒器為四角布置,切向燃燒。每角燃燒器布置有1 層微油,4層一次風(fēng)噴口,5層二次風(fēng)噴口,3層燃盡風(fēng)噴口。

        2 技術(shù)改造可行性分析

        2.1 燃料分析

        原設(shè)計(jì)燃料為比較優(yōu)質(zhì)的煙煤(w(Mt)=14.33%,w(Aar)=12.80%,w(Vdaf)=35.96%,Qnet.ar=22.00 MJ/kg),改造后天然氣成分和典型指標(biāo)見表1和表2。

        表1 天然氣成分體積分?jǐn)?shù) 單位:%

        表2 天然氣典型指標(biāo)

        天然氣熱值高,相同鍋爐出力下,燃料消耗量更低。天然氣基本不含塵,含硫量也更低,因此天然氣燃燒更清潔,更環(huán)保。

        2.2 爐膛適應(yīng)性

        在設(shè)計(jì)煤粉鍋爐的爐膛時(shí),一方面為了防止?fàn)t膛結(jié)渣,另一方面為了保證煤粉在離開爐膛之前充分燃盡,需要選擇合適的爐膛尺寸及爐膛熱負(fù)荷。

        天然氣的燃燒速度較快,容易燃燒完全,并且不存在爐膛結(jié)渣的情況,天然氣鍋爐的爐膛熱負(fù)荷相對(duì)燃煤鍋爐可以設(shè)計(jì)得更高,燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐的爐膛熱負(fù)荷選取見表3 和表4。在相同鍋爐出力下,天然氣鍋爐的爐膛空間一般比燃煤鍋爐要小。

        表3 爐膛容積熱負(fù)荷qV值[5] 單位:MW/m3

        表4 爐膛斷面熱負(fù)荷qF值[5] 單位:MW/m2

        因此,本項(xiàng)目在鍋爐出力不變的情況下,改燒燃?xì)夂螅济哄仩t的爐膛空間能夠滿足燃?xì)馊紵男枨蟆?/p>

        2.3 傳熱特性分析

        燃煤鍋爐爐內(nèi)輻射傳熱主要是三原子氣體(CO2、H2O 為主)和懸浮的固體粒子,而天然氣燃燒后煙氣中基本沒有固體粒子,三原子氣體中二氧化碳?xì)怏w會(huì)減少,但水蒸氣含量比燃煤要高很多[6]。同時(shí),由于天然氣中幾乎不含灰,燃天然氣時(shí)水冷壁管子表面比燃煤更干凈,吸熱能力更強(qiáng)。所以在相同爐膛空間及火焰中心不變的情況下,燃?xì)忮仩t爐內(nèi)輻射吸熱要更多,爐膛出口煙溫比燃煤鍋爐要低20~29 ℃。

        鍋爐出力不變的情況下,改燒天然氣后,煙氣量減少,煙氣流速降低,對(duì)流吸熱會(huì)減少。為了保證中低負(fù)荷下主汽出口溫度達(dá)到額定值而不影響下游化工的生產(chǎn),考慮增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)來加強(qiáng)對(duì)流換熱。

        2.4 煙風(fēng)量變化

        天然氣燃燒速度快,燃燒更充分,過量空氣系數(shù)(一般取1.10)比燃煤鍋爐要低,并且天然氣熱值更高,在相同鍋爐出力下,燃料消耗量更少。因此改燒天然氣后,煙氣量和空氣量均會(huì)減少,原回轉(zhuǎn)式空預(yù)器受熱面面積能夠滿足煙風(fēng)換熱需求,送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)裕度也會(huì)增加。煙風(fēng)量變化見表5。

        2.5 污染物排放

        相比燃煤,天然氣燃燒產(chǎn)物更干凈,煙氣中基本沒有SO2和粉塵,可以減少后端除塵器和脫硫設(shè)備的運(yùn)行成本。

        天然氣中氮的含量很低,燃燒過程中所生成的燃料型NOx很少,一般可以忽略不計(jì),主要以熱力型NOx為主[7-8]。天然氣理論燃燒溫度比燃煤高出較多,可采用分級(jí)燃燒技術(shù)分散火焰,降低尖峰問題,同時(shí),增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)也可以降低燃燒溫度,減少熱力型NOx的生成。預(yù)計(jì)改燒天然氣后,燃燒生成的NOx濃度與原燃煤相比相當(dāng)或小幅降低,脫硝設(shè)備不需要改造就可以滿足改燃?xì)夂蟮呐欧乓蟆H紵a(chǎn)物變化見表5。

        表5 燃煤與天然氣燃燒變化(額定工況)

        2.6 熱效率

        改燃天然氣后,受熱面不考慮積灰,傳熱條件更好,過量空氣系數(shù)減少,排煙溫度降低,并且天然氣燃燒更充分,沒有了固體不完全燃燒熱損失。因此,燃煤改燃?xì)夂螅仩t熱效率可提高至94%以上。

        3 改造內(nèi)容

        改造基本原則為爐內(nèi)受熱面盡量不做改動(dòng),以縮短改造工期,避免對(duì)化工生產(chǎn)線造成影響。

        3.1 爐膛改造

        爐膛整體不做改造,只涉及局部水冷壁開孔、密封等。

        原四角煤粉燃燒器整體更換為天然氣燃燒器,燃燒器區(qū)域水冷壁彎管需一并進(jìn)行更換。

        再循環(huán)煙氣引入爐膛下部區(qū)域,水冷壁需進(jìn)行彎管開孔。該處水冷壁現(xiàn)場(chǎng)切割,加工坡口后再與新制彎管管組進(jìn)行焊接。

        改燒燃?xì)夂?,爐底不再需要進(jìn)行排渣。對(duì)爐底進(jìn)行密封后,煙氣不再串入除渣機(jī),整個(gè)除渣機(jī)系統(tǒng)可以停運(yùn),減少運(yùn)行維護(hù)成本。采用鋼板+澆注料的形式密封,并預(yù)留一個(gè)Φ108 mm的落灰管,供鍋爐長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后有落灰需求的時(shí)候用。

        3.2 燃燒系統(tǒng)改造

        3.2.1 燃燒器

        改燒天然氣后,燃燒器仍采用四角布置,原四角煤粉燃燒器和燃盡風(fēng)整體拆除,更換為天然氣燃燒器和對(duì)應(yīng)燃盡風(fēng)。

        每角燃燒器采用天然氣噴口和二次風(fēng)噴口間隔布置方式。全爐布置5層天然氣噴口,共20只天然氣燃燒器。天然氣噴口周向均布多個(gè)主氣槍,中間布置一個(gè)點(diǎn)火槍。主氣槍采用多槍小孔式。

        每只燃燒器都配置有一只點(diǎn)火氣槍和高能點(diǎn)火器,并設(shè)有火焰檢測(cè)裝置。

        每角燃燒器上方布置3 層燃盡風(fēng)噴口,燃盡風(fēng)噴口可以上下擺動(dòng),采用防爆型電動(dòng)執(zhí)行器控制。

        3.2.2 天然氣系統(tǒng)

        改燒天然氣后,為了布置天然氣管道及閥組的方便,原煤粉管道及點(diǎn)火油系統(tǒng)需進(jìn)行拆除。

        天然氣進(jìn)氣母管上設(shè)置兩級(jí)調(diào)壓閥組,分別將進(jìn)氣壓力由0.6 MPa調(diào)壓至0.2 MPa、30~50 kPa,并設(shè)有流量計(jì)、疏水、充氮、取樣、放散。每個(gè)進(jìn)燃燒器的支管上依次設(shè)置有手動(dòng)球閥、調(diào)節(jié)閥、快關(guān)閥組、阻火器,并在支管上設(shè)置有放散閥、取樣閥及就地壓力表。

        點(diǎn)火天然氣在天然氣母管一級(jí)調(diào)節(jié)閥組后引出,點(diǎn)火進(jìn)氣母管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥組,點(diǎn)火支管上的閥組及配套儀表、管路系統(tǒng)設(shè)置原則與燃燒器燃?xì)庵Ч芟嗤?/p>

        3.3 煙道改造

        天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣量比燃煤要少,對(duì)流吸熱會(huì)減弱,為了保證中低負(fù)荷下主汽溫度達(dá)到額定值,增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。

        再循環(huán)煙氣從省煤器出口煙道引出,煙溫約370~380 ℃,從冷灰斗側(cè)墻水冷壁處開孔引入爐膛,煙氣再循環(huán)系統(tǒng)如圖2所示。

        圖2 再循環(huán)煙氣系統(tǒng)

        再循環(huán)風(fēng)機(jī)按2×60%進(jìn)行選型,采用液耦調(diào)節(jié)。再循環(huán)風(fēng)機(jī)放置于地面,風(fēng)機(jī)進(jìn)出口均設(shè)置雙插板門。為了防止再循環(huán)風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)出現(xiàn)爐膛煙氣反串的情況,增加了密封風(fēng)系統(tǒng),密封風(fēng)接至再循環(huán)煙道雙插板門中間。

        兩臺(tái)再循環(huán)風(fēng)機(jī)之間增加了聯(lián)絡(luò)煙道,保證兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。

        3.4 風(fēng)道改造

        改燒天然氣后,空氣量和煙氣量均會(huì)減少,原三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器能滿足換熱要求,因此不需對(duì)空預(yù)器進(jìn)行改造,僅對(duì)風(fēng)道進(jìn)行改造。

        天然氣燃燒不再需要一次風(fēng)參與制粉??疹A(yù)器加熱后的熱風(fēng)需都匯入大風(fēng)箱再分配給各燃燒器及燃盡風(fēng)。因此,原來去制粉系統(tǒng)的熱一次風(fēng)道需采取封堵措施,新增旁路風(fēng)道將熱一次風(fēng)引入大風(fēng)箱入口與熱二次風(fēng)匯合后一起進(jìn)入大風(fēng)箱,風(fēng)道改造如圖3所示。

        圖3 風(fēng)道改造

        一次風(fēng)機(jī)壓頭比二次風(fēng)機(jī)壓頭更高,為防止熱一次風(fēng)和熱二次風(fēng)在進(jìn)入大風(fēng)箱前匯合處出現(xiàn)亂流或串流,除常規(guī)調(diào)節(jié)擋板外,旁路風(fēng)道上設(shè)置額外的節(jié)流孔板進(jìn)行減壓,并在減壓后的風(fēng)道上設(shè)置壓力測(cè)點(diǎn)。通過數(shù)值模擬,對(duì)匯合處進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        3.5 鋼結(jié)構(gòu)改造

        針對(duì)新增的天然氣閥組、天然氣燃燒器等設(shè)備,對(duì)原來的平臺(tái)扶梯進(jìn)行調(diào)整或者新增。原來主鋼架結(jié)構(gòu)不變。

        對(duì)懸吊或支撐再循環(huán)煙道和旁路風(fēng)道的鋼梁進(jìn)行增設(shè)或者加固。

        對(duì)燃燒器區(qū)域剛性梁進(jìn)行局部改造調(diào)整。

        3.6 防爆區(qū)域改造

        當(dāng)天然氣泄漏后,在空氣中的體積濃度達(dá)到爆炸極限(5%~15%)[9-10]的范圍內(nèi),遇到明火、靜電、操作不當(dāng)或者溫度達(dá)到著火點(diǎn)溫度時(shí),就會(huì)發(fā)生爆炸、火災(zāi)事故。因此改燒天然氣后,對(duì)鍋爐的防爆要求會(huì)更高。

        根據(jù)天然氣可能出現(xiàn)泄漏的地方,按GB 50058—2014《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn),對(duì)鍋爐進(jìn)行防爆區(qū)域劃分,并對(duì)防爆區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備進(jìn)行防爆改造升級(jí),按改造工程量和成本最少的原則進(jìn)行。

        改燒天然氣后,爐膛及受熱面不再需要吹灰,吹灰系統(tǒng)按斷電處理。原熱一次風(fēng)道和風(fēng)粉管道上的執(zhí)行器、儀表按斷電處理。原燃油系統(tǒng)操作臺(tái)移位并斷電處理。除渣系統(tǒng)、灰斗排灰系統(tǒng)按斷電處理。在防爆區(qū)域內(nèi)的閥門電動(dòng)執(zhí)行器優(yōu)先考慮移位,若移位工程量比較大,再考慮更換為防爆型電動(dòng)執(zhí)行器。火檢風(fēng)機(jī)及火檢風(fēng)系統(tǒng)考慮移出防爆區(qū)域。新增設(shè)備若在防爆區(qū)域內(nèi)均按防爆型考慮。

        4 結(jié)語(yǔ)

        燃煤鍋爐改燃?xì)忮仩t,符合國(guó)家綠色低碳、節(jié)能環(huán)保的能源政策,在環(huán)保要求更高的地區(qū),燃煤改燃?xì)饪赡軙?huì)成為一種趨勢(shì)。

        所述改造方案最大程度保留了原爐膛及受熱面,改造投資省、改造工程量小。改造后鍋爐熱效率提高,NOx排放滿足環(huán)保要求。本改造技術(shù)方案可以為后續(xù)燃煤改燃?xì)獾捻?xiàng)目提供借鑒。

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