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實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

0 引言

我國現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)決定了未來一段時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，對環(huán)境污染小，碳排放量也要遠低于煤炭［1-4］，因此天然氣替代煤炭符合國家綠色環(huán)保的能源政策，對于碳減排也具有積極的作用。

響應(yīng)國家環(huán)保政策，實施天然氣替代煤炭技術(shù)改造，將多臺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。該項目是對煤粉鍋爐的燃燒系統(tǒng)、煙風道系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)、防爆區(qū)域等進行改造，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、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

每臺鍋爐配兩臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器。每臺鍋爐設(shè)5臺中速磨煤機，4臺運行，1臺備用。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層一次風噴口，5層二次風噴口，3層燃盡風噴口。

2 技術(shù)改造可行性分析

2.1 燃料分析

原設(shè)計燃料為比較優(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見表1和表2。

表1 天然氣成分體積分數(shù) 單位：%

表2 天然氣典型指標

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)計煤粉鍋爐的爐膛時，一方面為了防止爐膛結(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荷相對燃煤鍋爐可以設(shè)計得更高，燃氣鍋爐和燃煤鍋爐的爐膛熱負荷選取見表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 爐膛容積熱負荷qV值［5］ 單位：MW/m3

表4 爐膛斷面熱負荷qF值［5］ 單位：MW/m2

因此，本項目在鍋爐出力不變的情況下，改燒燃氣后，原燃煤鍋爐的爐膛空間能夠滿足燃氣燃燒的需求。

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氣體會減少，但水蒸氣含量比燃煤要高很多［6］。同時，由于天然氣中幾乎不含灰，燃天然氣時水冷壁管子表面比燃煤更干凈，吸熱能力更強。所以在相同爐膛空間及火焰中心不變的情況下，燃氣鍋爐爐內(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，對流吸熱會減少。為了保證中低負荷下主汽出口溫度達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)來加強對流換熱。

2.4 煙風量變化

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減少，原回轉(zhuǎn)式空預器受熱面面積能夠滿足煙風換熱需求，送風機和引風機裕度也會增加。煙風量變化見表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，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，可采用分級燃燒技術(shù)分散火焰，降低尖峰問題，同時，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。預計改燒天然氣后，燃燒生成的NOx濃度與原燃煤相比相當或小幅降低，脫硝設(shè)備不需要改造就可以滿足改燃氣后的排放要求。燃燒產(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，燃煤改燃氣后，鍋爐熱效率可提高至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，以縮短改造工期，避免對化工生產(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行更換。

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

改燒燃氣后，爐底不再需要進行排渣。對爐底進行密封后，煙氣不再串入除渣機，整個除渣機系統(tǒng)可以停運，減少運行維護成本。采用鋼板+澆注料的形式密封，并預留一個Φ108 mm的落灰管，供鍋爐長時間運行后有落灰需求的時候用。

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整體拆除，更換為天然氣燃燒器和對應(yīng)燃盡風。

每角燃燒器采用天然氣噴口和二次風噴口間隔布置方式。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主氣槍，中間布置一個點火槍。主氣槍采用多槍小孔式。

每只燃燒器都配置有一只點火氣槍和高能點火器，并設(shè)有火焰檢測裝置。

每角燃燒器上方布置3 層燃盡風噴口，燃盡風噴口可以上下擺動，采用防爆型電動執(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，原煤粉管道及點火油系統(tǒng)需進行拆除。

天然氣進氣母管上設(shè)置兩級調(diào)壓閥組，分別將進氣壓力由0.6 MPa調(diào)壓至0.2 MPa、30～50 kPa，并設(shè)有流量計、疏水、充氮、取樣、放散。每個進燃燒器的支管上依次設(shè)置有手動球閥、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。

點火天然氣在天然氣母管一級調(diào)節(jié)閥組后引出，點火進氣母管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥組，點火支管上的閥組及配套儀表、管路系統(tǒng)設(shè)置原則與燃燒器燃氣支管相同。

3.3 煙道改造

天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣量比燃煤要少，對流吸熱會減弱，為了保證中低負荷下主汽溫度達到額定值，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)風機按2×60%進行選型，采用液耦調(diào)節(jié)。再循環(huán)風機放置于地面，風機進出口均設(shè)置雙插板門。為了防止再循環(huán)風機停運時出現(xiàn)爐膛煙氣反串的情況，增加了密封風系統(tǒng)，密封風接至再循環(huán)煙道雙插板門中間。

兩臺再循環(huán)風機之間增加了聯(lián)絡(luò)煙道，保證兩臺風機并聯(lián)運行時的穩(wěn)定性和安全性。

3.4 風道改造

改燒天然氣后，空氣量和煙氣量均會減少，原三分倉回轉(zhuǎn)式空預器能滿足換熱要求，因此不需對空預器進行改造，僅對風道進行改造。

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

圖3 風道改造

一次風機壓頭比二次風機壓頭更高，為防止熱一次風和熱二次風在進入大風箱前匯合處出現(xiàn)亂流或串流，除常規(guī)調(diào)節(jié)擋板外，旁路風道上設(shè)置額外的節(jié)流孔板進行減壓，并在減壓后的風道上設(shè)置壓力測點。通過數(shù)值模擬，對匯合處進行流場優(yōu)化設(shè)計。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)改造

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

對懸吊或支撐再循環(huán)煙道和旁路風道的鋼梁進行增設(shè)或者加固。

對燃燒器區(qū)域剛性梁進行局部改造調(diào)整。

3.6 防爆區(qū)域改造

當天然氣泄漏后，在空氣中的體積濃度達到爆炸極限（5%～15%）［9-10］的范圍內(nèi)，遇到明火、靜電、操作不當或者溫度達到著火點溫度時，就會發(fā)生爆炸、火災事故。因此改燒天然氣后，對鍋爐的防爆要求會更高。

根據(jù)天然氣可能出現(xiàn)泄漏的地方，按GB 50058—2014《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》標準，對鍋爐進行防爆區(qū)域劃分，并對防爆區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備進行防爆改造升級，按改造工程量和成本最少的原則進行。

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。原熱一次風道和風粉管道上的執(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執(zhí)行器?；饳z風機及火檢風系統(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

燃煤鍋爐改燃氣鍋爐，符合國家綠色低碳、節(jié)能環(huán)保的能源政策，在環(huán)保要求更高的地區(qū)，燃煤改燃氣可能會成為一種趨勢。

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)燃煤改燃氣的項目提供借鑒。