摘 要：為實(shí)現(xiàn)污染物減排、控制煤炭消耗量，國內(nèi)某石化基地內(nèi)電站鍋爐實(shí)施了煤改氣項(xiàng)目，利用燃?xì)庾鲥仩t燃料，不僅減少了污染物排放，提高了鍋爐效率，而且實(shí)現(xiàn)了鍋爐燃料多元化。現(xiàn)通過對改造項(xiàng)目實(shí)施過程詳細(xì)分析、多種燃?xì)怦詈峡尚行匝芯考案脑旌笮Ч?yàn)證，確定了大型電站鍋爐煤改氣可行性，為火電行業(yè)今后多燃料耦合及碳減排技術(shù)提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐；燃煤；燃?xì)?；煤改氣；燃料耦?/p>

中圖分類號：TK22? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0073-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.019

0? ? 引言

隨著國家“雙碳”目標(biāo)確定，各地區(qū)對燃料用煤指標(biāo)及環(huán)保排放管控更加嚴(yán)格，為積極踐行綠色低碳發(fā)展理念，近年來國內(nèi)燃煤發(fā)電機(jī)組積極推動燃料改造或多燃料耦合技術(shù)。本文對某電站鍋爐煤改氣項(xiàng)目實(shí)施過程進(jìn)行全面分析，對改造后效果進(jìn)行驗(yàn)證，希望可以為火電行業(yè)今后多燃料耦合及碳減排技術(shù)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1? ? 鍋爐設(shè)備簡介及燃料參數(shù)

1.1? ? 鍋爐主要參數(shù)

鍋爐為額定蒸發(fā)量670 t/h、超高壓、無中間再熱、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[1]。

1.2? ? 鍋爐燃燒系統(tǒng)

原燃煤鍋爐燃料系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)正壓冷一次風(fēng)機(jī)直吹式系統(tǒng)，燃燒設(shè)備四角布置，切向燃燒，除16.69 m層4只煤粉燃燒器采用微油點(diǎn)火燃燒器外，剩余4層煤粉燃燒器均為百葉窗式水平濃淡直流擺動式燃燒器。

1.3? ? 燃料參數(shù)

（1）設(shè)計燃煤收到基低位發(fā)熱量22 MJ/kg；

（2）燃?xì)庀到y(tǒng)按天然氣設(shè)計，天然氣進(jìn)氣壓力0.6 MPa，甲烷含量99.61%（v/v%），無氫氣組分，低位熱值34 MJ/Nm3。

1.4? ? 環(huán)保設(shè)施

鍋爐煙氣脫硝采用低氮燃燒+SCR法，煙氣脫硫采用海水脫硫，煙氣除塵采用低溫靜電除塵器+濕式電除塵器。

2? ? 鍋爐煤改氣改造原則

（1）改造后能滿足鍋爐安全運(yùn)行及各種負(fù)荷下主蒸汽壓力、溫度的要求；

（2）燃料改造后能保證鍋爐出力；

（3）原有設(shè)備及系統(tǒng)應(yīng)盡可能利舊；

（4）改造后污染物排放濃度滿足超低排放要求。

3? ? 鍋爐煤改氣性能計算

3.1? ? 鍋爐改造性能計算對比

100%THA工況參數(shù)如表1所示，60%THA工況參數(shù)如表2所示。

3.2? ? 性能計算結(jié)論

3.2.1? ? 鍋爐效率

從表1、表2可以看出，燃?xì)馊紵时葻熋焊撸@是因?yàn)槿細(xì)庵鹑紶a好，無機(jī)械未燃燼熱損失。

3.2.2? ? 主汽溫度

由于燃?xì)鉄嶂当热济焊?，改燒燃?xì)鈺r，產(chǎn)生的煙氣量有一定減少，從計算結(jié)果看，高負(fù)荷時主汽溫度可以達(dá)到額定值，但60%THA負(fù)荷時因煙氣量減少，對流傳熱亦減少，主汽出口溫度僅能達(dá)到530 ℃。為了使鍋爐在燃?xì)獾拓?fù)荷工況汽溫達(dá)到540 ℃，需要增加對流換熱量來提高主汽溫度，因此需要增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。

3.2.3? ? 風(fēng)量

改燒燃?xì)鈺r，已經(jīng)不需要參與制粉的一次風(fēng)，而鍋爐所需二次風(fēng)量卻大幅增加，原設(shè)計的二次風(fēng)量明顯不夠，因此可以考慮將原一次風(fēng)量并入二次風(fēng)系統(tǒng)。經(jīng)過計算，100%THA工況時，燃?xì)庑枰傦L(fēng)量較燃煤需要總風(fēng)量多35 152 Nm3/h，原一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)TB點(diǎn)總風(fēng)量為779 169 Nm3/h，燃?xì)馑栾L(fēng)量僅為原風(fēng)機(jī)TB點(diǎn)的77.6%，且燃?xì)馑瓒物L(fēng)壓頭小于原一次風(fēng)機(jī)TB點(diǎn)壓頭，一次風(fēng)量并入二次風(fēng)系統(tǒng)完全可以滿足燃?xì)庑枰傦L(fēng)量，因此原一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)均可利舊。但燃?xì)馊紵杩傦L(fēng)量全從空預(yù)器二次風(fēng)側(cè)通過，則空預(yù)器二次風(fēng)側(cè)阻力和風(fēng)速都會超，因此原一次風(fēng)不能在空預(yù)器前并入二次風(fēng)，只能考慮一次熱風(fēng)并入二次風(fēng)系統(tǒng)來補(bǔ)充二次風(fēng)增量[2]。

3.2.4? ? 煙氣量

每爐原配置兩臺50%風(fēng)量的離心式引風(fēng)機(jī)，鍋爐改燒燃?xì)夂筝^改造前煙氣量及阻力略有減少。引風(fēng)機(jī)可通過變頻或液耦調(diào)速滿足改造后的流量、壓頭要求。

3.3? ? 各級受熱面溫升

受熱面溫升如圖1所示，改燒燃?xì)夂?，低過、全大屏、后屏、高過等受熱面進(jìn)出口汽溫沒有明顯變化，各受熱面焓增[3]均較燃煤時微降，壁溫也未超過原設(shè)計值，因此鍋爐本體受熱面可以不用改動。

3.4? ? 改造后環(huán)保性能

改燒燃?xì)夂?，鍋爐出口原始煙塵和SO2濃度很低，不投脫硫和除塵裝置即可滿足超低排放要求。NOx原始濃度改造前后基本保持不變，脫硝入口均在270～290 mg/Nm3范圍內(nèi)。改造前后環(huán)保數(shù)據(jù)對比如表3所示。

4? ? 鍋爐煤改氣具體改造方案

4.1? ? 燃燒器改造

因燃料發(fā)生改變，燃燒器必須改造。原煤粉燃燒設(shè)備為四角布置，切向燃燒，燃燒器噴口中心線與爐膛中心線的假想切圓相切，假想切圓直徑為？準(zhǔn)770/

？準(zhǔn)514。每角煤粉燃燒器分上、下兩組，共布置13層噴口，分別為5層二次風(fēng)噴口（包括3層帶油槍二次風(fēng)噴口）、5層煤粉噴口（包括1層配置微油點(diǎn)火器煤粉噴口）、3層降低NOx排放用燃燼風(fēng)口。為了使改動最小化，燃?xì)馊紵魅圆捎盟慕遣贾茫瑖娍谌苑譃樯?、下兩組，布置13層，除燃?xì)鈬娍谔鎿Q煤粉噴口外，其余噴口功能均保持不變。新的燃燒器尺寸也同原煤粉燃燒器尺寸保持一致，燃燒器冷卻用水冷夾套配合新燃燒器重新設(shè)計，施工時只需用新燃燒器替換煤粉燃燒器即可，原煤粉管道按與改造設(shè)備安裝不沖突的原則進(jìn)行局部拆除，以最大限度降低拆除工作量。

全爐共布置20只燃?xì)鈬娍?，燃?xì)饪偝隽ο喈?dāng)于鍋爐100%B-MCR輸入熱量，單個燃?xì)鈬娍陬~定出力約為2 648 Nm3/h，每個燃?xì)鈬娍谂渲?只燃?xì)鈿鈽專細(xì)鈿鈽尣捎枚鄻屝】资健?/p>

4.2? ? 新增煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

性能計算發(fā)現(xiàn)鍋爐60%THA負(fù)荷需要新增煙氣再循環(huán)系統(tǒng)方能主汽溫度達(dá)到540 ℃。煙氣再循環(huán)系統(tǒng)增加兩臺流量34 716 Nm3/h、壓頭2 160 Pa的風(fēng)機(jī)及風(fēng)機(jī)進(jìn)出口煙道。風(fēng)機(jī)布置在鍋爐0 m，風(fēng)機(jī)入口接至鍋爐省煤器出口煙道底部，風(fēng)機(jī)出口接至鍋爐冷灰斗區(qū)域側(cè)墻水冷壁處。因原冷灰斗區(qū)域側(cè)墻為膜式水冷壁，為了利于再循環(huán)煙氣流通進(jìn)入鍋爐，需將膜式水冷壁局部改造為拉稀管式水冷壁。另，鍋爐高負(fù)荷時主汽溫度可以達(dá)到540 ℃，此時可以停用煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)，但為了防止?fàn)t內(nèi)高溫?zé)煔夥锤Z損壞設(shè)備及高溫?zé)煔鈴脑傺h(huán)煙道短路直接進(jìn)入省煤器出口煙道造成熱量損失，在靠近冷灰斗區(qū)域的再循環(huán)煙道上設(shè)置耐高溫雙插板風(fēng)門，在再循環(huán)風(fēng)機(jī)入口處也設(shè)置雙插板風(fēng)門，為了保證雙插板風(fēng)門密封性，從熱二次風(fēng)道引入密封風(fēng)進(jìn)入雙插板門，在雙插板門關(guān)閉時聯(lián)鎖打開密封風(fēng)，保證插板門密封性。

4.3? ? 風(fēng)道改造

性能計算發(fā)現(xiàn)改燒燃?xì)夂螅辉傩枰淮物L(fēng)進(jìn)入制粉系統(tǒng)，但需要一次風(fēng)補(bǔ)充進(jìn)入二次風(fēng)系統(tǒng)。因此需要增加旁路風(fēng)道連接熱一次風(fēng)與熱二次風(fēng)。通過計算發(fā)現(xiàn)，直接連接熱一次風(fēng)與熱二次風(fēng)會造成匯合后風(fēng)道超流速，解決此問題最有效的措施是將原二次風(fēng)大風(fēng)箱擴(kuò)大，熱一次風(fēng)直接接入大風(fēng)箱，在大風(fēng)箱內(nèi)熱一次風(fēng)與熱二次風(fēng)可充分混合，且大風(fēng)箱尺寸較大，匯入的熱一次風(fēng)風(fēng)速會迅速降低，動壓轉(zhuǎn)變成靜壓，有利于提高大風(fēng)箱靜壓，促進(jìn)爐內(nèi)混合燃燒。

4.4? ? 新增燃?xì)饧暗獨(dú)夤艿?/p>

因燃料改變，需要新增燃?xì)夤艿篮偷獨(dú)夤艿?，氮?dú)庵饕糜谌細(xì)夤艿劳哆\(yùn)和退出時置換。因燃?xì)廨斔土看?，為了減小廠區(qū)燃?xì)廨斔凸軓匠叽纾瑢⑷細(xì)鈮毫μ岣咧?.6 MPa，到鍋爐本體后再通過減壓閥減壓到氣槍燃燒壓力。考慮點(diǎn)火安全性，每個燃燒器噴口氣槍均配置1只點(diǎn)火小氣槍，用點(diǎn)火小氣槍點(diǎn)燃主氣槍，因此鍋爐本體范圍內(nèi)燃?xì)夤艿婪譃橹魅細(xì)夤艿篮忘c(diǎn)火燃?xì)夤艿?，具體布置如下：

（1）主燃?xì)夤艿啦捎媚腹芏墱p壓，進(jìn)氣母管上設(shè)置有兩級調(diào)節(jié)閥組，一級調(diào)節(jié)閥組將燃?xì)鈮毫?.6 MPa調(diào)壓至0.2 MPa，并設(shè)置100%旁路，二級調(diào)節(jié)閥組將進(jìn)氣壓力從0.2 MPa調(diào)壓至氣槍燃燒所需30～50 kPa壓力，并設(shè)置100%旁路及30%旁路。減壓后燃?xì)庠儆赡腹芊峙渲粮鳉鈽屩Ч?，每只氣槍支管路上依次設(shè)置有手動球閥、調(diào)節(jié)閥、快關(guān)閥組、阻火器等設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)單只氣槍獨(dú)立操作。

（2）點(diǎn)火燃?xì)夤艿缽闹魅細(xì)庀到y(tǒng)流量計后引出，設(shè)計供氣量1 600 Nm3/h，單只點(diǎn)火小氣槍額定出力為80 Nm3/h，點(diǎn)火燃?xì)夤艿篱y門設(shè)置與主燃?xì)夤艿老嗤?/p>

（3）為保證燃?xì)庀到y(tǒng)安全及方便置換操作，主燃?xì)饽腹堋⒅Ч芗包c(diǎn)火燃?xì)饽腹?、支管上均設(shè)置有放散閥、手動閥、取樣閥、充氮、疏水及就地、遠(yuǎn)傳儀器儀表等設(shè)備。

4.5? ? 防爆區(qū)域劃分及改造

改燒燃?xì)夂?，需要根?jù)GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》的要求設(shè)定爆炸危險區(qū)域，對防爆區(qū)域的原設(shè)備進(jìn)行防爆升級、斷電或移位。防爆升級的設(shè)備有爐管泄漏探頭、消防箱報警按鈕、壓力/差壓變送器、儀表保溫箱、火檢壓力開關(guān)、火檢風(fēng)壓力變送器、鍋爐本體閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、省煤器輸灰倉泵儀表測點(diǎn)及氣動電磁閥、電源配電柜等。斷電設(shè)備有吹灰器系統(tǒng)電源柜、粉管執(zhí)行器及測量儀表、原燃油系統(tǒng)儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電除塵系統(tǒng)等。移位設(shè)備主要是將可以再利用的非防爆設(shè)備移出防爆區(qū)域，如火檢風(fēng)機(jī)等。

4.6? ? 土建改造

主要新增再循環(huán)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)及風(fēng)機(jī)進(jìn)出口煙道支墩。

5? ? 多種燃?xì)怦詈峡尚行匝芯?/p>

因天然氣價格波動較大且供應(yīng)不穩(wěn)定，為解決燃?xì)忮仩t燃料問題，進(jìn)行了石化基地內(nèi)自產(chǎn)多種燃?xì)怦詈峡尚行匝芯俊?/p>

5.1? ? 可供耦合燃?xì)?/p>

（1）煉油裝置產(chǎn)燃料氣，進(jìn)氣壓力0.6 MPa，甲烷含量73.23%（wt%），碳2～碳4組分含量26.24%（wt%），氫氣含量0.53%（wt%），低位熱值39.87 MJ/Nm3。

（2）制氫單元產(chǎn)合成氣，進(jìn)氣壓力0.6 MPa，一氧化碳含量82.33%（wt%），氫氣含量4.87（wt%），低位熱值9.2 MJ/Nm3。

5.2? ? 多燃?xì)怦詈舷拗茥l件

（1）合成氣、燃料氣熱值與天然氣均存在較大差異，不能單獨(dú)替代天然氣使用，必須耦合后才能作為鍋爐燃料使用。

（2）合成氣、燃料氣與天然氣最大區(qū)別是組分中含氫氣，天然氣管線設(shè)計時管道流速一般按15～30 m/s考慮，而合成氣、燃料管線設(shè)計時管道流速最高不超過15 m/s。因此，當(dāng)鍋爐本體燃?xì)夤芫€規(guī)格固定后，合成氣與燃料氣輸送量就受到限制，經(jīng)過計算，耦合后的管路最大輸氣量為41 000 Nm3/h。

5.3? ? 鍋爐不同負(fù)荷下耦合量計算

通過燃?xì)夤艿雷畲筮M(jìn)氣量反算混合氣熱值和摻燒合成氣比例：

（1）當(dāng)燃?xì)鉅t100%負(fù)荷時，燃料氣與合成氣無法耦合。

（2）當(dāng)燃?xì)鉅t80%THA以下負(fù)荷時，燃料氣與合成氣可以耦合，合成氣最大耦合量8 533 Nm3/h，合成氣耦合比例20.8%，耦合后燃?xì)鉄嶂?5 MJ/Nm3。

（3）為保證主蒸汽溫度，燃?xì)鉅t負(fù)荷不建議低于65%THA，此時合成氣最大耦合量16 789 Nm3/h，合成氣耦合比例40.9%，耦合后燃?xì)鉄嶂?8.5 MJ/Nm3。

5.4? ? 耦合實(shí)施

為保證多種燃?xì)怦詈暇鶆?，需增加靜態(tài)混合器及在線熱值儀，混合器前各燃?xì)夤艿涝O(shè)置調(diào)閥及在線熱值儀，根據(jù)混合前后熱值調(diào)整各燃?xì)獗壤?/p>

6? ? 結(jié)論

（1）改造后鍋爐各項(xiàng)性能均滿足要求，證明了大型電站鍋爐煤改氣的可行性。

（2）煤改氣后，鍋爐效率保證值達(dá)94%，高于燃煤鍋爐的設(shè)計效率92.9%。

（3）煤改氣后各污染物排放量均有降低，SO2排放量降低可達(dá)51.7%，可為改善周圍區(qū)域的大氣環(huán)境做出巨大貢獻(xiàn)。

（4）此次改造項(xiàng)目實(shí)施為火電行業(yè)今后多燃料耦合及碳減排技術(shù)提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 周強(qiáng)泰.鍋爐原理[M].3版.北京：中國電力出版社，2013.

[2] 何川，郭立君.泵與風(fēng)機(jī)[M].5版.北京：中國電力出版社，2013.

[3] 陶文銓.傳熱學(xué)[M].5版.北京：高等教育出版社，2019.

收稿日期：2023-04-06

作者簡介：魏大偉（1981—），男，江蘇人，工程師，研究方向：熱能與動力工程。