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(lái)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(guò)最小的改造工程量來(lái)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(jiàn)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(kāi)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(jiàn)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?，原燃煤鍋爐的爐膛空間能夠滿(mǎn)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(méi)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(lái)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(guò)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(mǎn)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(jiàn)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(méi)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(guò)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(wèn)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(mǎn)足改燃?xì)夂蟮呐欧乓?。燃燒產(chǎn)物變化見(jiàn)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(guò)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(méi)有了固體不完全燃燒熱損失。因此，燃煤改燃?xì)夂?，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(dòng)，以縮短改造工期，避免對(duì)化工生產(chǎn)線(xiàn)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(kāi)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(kāi)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?zhuān)虚g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(kāi)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(mén)。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(mén)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(mǎn)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(lái)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(guò)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(lái)的平臺(tái)扶梯進(jìn)行調(diào)整或者新增。原來(lái)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(mén)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?；饳z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(mǎn)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。