煤粉鍋爐煤氣-煤粉混合燃燒技術(shù)改造實踐

摘 要

摘要：對一臺75t/h煤粉鍋爐進行了煤氣(干餾煤氣)-煤粉混合燃燒技術(shù)改造。除對煤粉燃燒器和受熱面進行改造外，增加了煤氣輸送系統(tǒng)和煤氣燃燒系統(tǒng)。在原煤粉燃燒器下方增設(shè)了6只
摘要：對一臺75t/h煤粉鍋爐進行了煤氣(干餾煤氣)-煤粉混合燃燒技術(shù)改造。除對煤粉燃燒器和受熱面進行改造外，增加了煤氣輸送系統(tǒng)和煤氣燃燒系統(tǒng)。在原煤粉燃燒器下方增設(shè)了6只雙通道煤氣燃燒器，采用六角切圓傾斜向下布置方式。實際運行中，煤氣輸送系統(tǒng)能安全可靠運行，鍋爐能穩(wěn)定高效燃燒，熱力參數(shù)滿足要求。
關(guān)鍵詞：煤粉；干餾煤氣；混合燃燒；煤氣輸送系統(tǒng)；煤氣燃燒系統(tǒng)
Practice on Technical Reconstruction of Multifuel Combustion of CoaI Gas and Pulverized Coal in Pulverized Coal Boiler
WEN Dazhui，CHEN Donglin，XU Huifang，LIU Chuang，LUO Rui，ZHANG Peiwen，GAO Dianqiang，YAN Wenguang
Abstract：The technical reconstruction of multifuel combustion of coal gas(carbonization gas)and pulverized coal is conducted in a 75t/h pulverized coal boiler.In addition to reconstruction of pulverized coal burners and surface heated，a coal gas transportation system and a coal gas combustion system are added.Six coal gas burners with dual passages are installed under the original pulverized coal burners and arranged in hexagonal tangential and tilted down mode.In the practical operation，the coal gas transportation system can be operated safely and reliably，the boiler can be operated stably and effectively，and the thermodynamic parameters meet the requirement.
Key words：pulverized coal；carbonization gas；multifuel combustion；coal gas transportation system；coal gas combustion system
1 鍋爐設(shè)備及設(shè)計背景
   內(nèi)蒙古遠興能源股份有限公司堿湖試驗站現(xiàn)有一臺SG-75/3.82-M498型煤粉鍋爐，是由上海鍋爐廠設(shè)計制造的中壓自然循環(huán)鍋爐，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。鍋爐采用露天布置，配一套鋼球磨中間儲倉式乏氣送粉制粉系統(tǒng)，過熱器采用噴水減溫器減溫，采用直流燃燒器四角切圓燃燒方式燃燒。公司為了充分利用200×104t/a碎煤加氫熱解及IGCC多聯(lián)產(chǎn)項目一期120×104t/a干餾煤轉(zhuǎn)化工程中的干餾煤氣，提出了“75t/h煤粉鍋爐煤氣-煤粉混合燃燒技術(shù)改造項目”。該項目中，干餾煤轉(zhuǎn)化工程供給鍋爐的干餾煤氣設(shè)計流量為26000m3/h，低熱值為7524～8360kJ/m3，儲存在位于鍋爐房北偏西方向，直線距離為148m的儲氣罐中。煤氣中各組分的體積分數(shù)見表2。
    根據(jù)公司要求，鍋爐改造主要考慮全煤氣、全煤粉、煤氣-煤粉混合燃燒3種工況，各種工況均應保證鍋爐滿負荷安全經(jīng)濟運行。其中煤氣-煤粉混合燃燒按先煤氣、后煤粉的原則，即在完全燃燒煤氣后，補充部分煤粉，煤氣-煤粉混合燃燒工況應滿足的技術(shù)指標見表3。為達到公司要求，除對鍋爐煤粉燃燒系統(tǒng)及受熱面進行改造之外，對增加的煤氣輸送系統(tǒng)和煤氣燃燒系統(tǒng)進行了設(shè)計。
表1 鍋爐的主要技術(shù)參數(shù)
額定蒸發(fā)量/(t·h-1)
過熱蒸汽
給水
熱空
排煙
鍋爐
設(shè)計
壓力/MPa
溫度/℃
壓力
/MPa
溫度
/℃
氣溫度/℃
溫度/℃
熱效率/%
燃料
75
3.82
450
0.45
150
365
170
88
煙煤
表2 煤氣中各組分的體積分數(shù)    %
H2
CH4
C0
CmHn
C02
N2
02
其他
123.68
5.62
17.51
0.83
11.96
38.99
0.41
1.0
表3 煤氣-煤粉混合燃燒工況應滿足的技術(shù)指標
過熱蒸汽質(zhì)量流量/(t·h-1)
鍋爐熱效率/%
最高排煙溫度/℃
過熱蒸汽溫度
≥70
≥87
≤160
不超溫
2 煤氣輸送系統(tǒng)
    煤氣輸送系統(tǒng)是指將煤氣從儲氣罐輸送到鍋爐房的管道系統(tǒng)及裝置，主要由主煤氣管道、管道支架、電動蝶閥、電動盲板閥、孔板流量計、排水器、放散管、蒸汽吹掃管、取樣管、人孔等組成[1～3]。
   ① 輸送管道布置方案
   煤氣輸送系統(tǒng)的最大輸氣量為26000m3/h，儲氣罐出口煤氣溫度為40℃，壓力為4～6kPa。根據(jù)煤氣管道內(nèi)的推薦流速(12～18m/s)，設(shè)計中選定煤氣流速為15m/s，計算管徑為812.8mm，工程中采用DN 800mm。由于鄂爾多斯年最低氣溫約-30℃，因此煤氣管道采用Q235B牌號的螺旋縫埋弧焊鋼管(Φ820×8)。由于該地區(qū)土壤較為疏松，因此管道跨距不宜過大，支架不宜過高，綜合考慮多種因素，選定支架最大跨距為15m，高度為4m。初步確定的煤氣輸送系統(tǒng)布置方案見圖1，圖1中數(shù)值單位為m，最終方案經(jīng)校核計算后確定。
    ② 熱膨脹與支架載荷校核
    煤氣管道安裝地的冬季最低溫度約-30℃，管道吹掃用蒸汽溫度為130℃左右，因此熱膨脹計算的溫差為160℃。經(jīng)計算，煤氣管道中ABC段L形自然補償短臂最小長度為26.71m，則BC段長度32m足夠滿足ABC段自然補償要求，CDEF段空間立體自然補償驗算系數(shù)為17.39，小于動力管道空間立體管段自然補償驗算上限系數(shù)(20.8)，則該管段自然補償能力也滿足要求。因此。管道整體能夠滿足自然補償要求，無需設(shè)置補償裝置。根據(jù)圖1所示管道支架布置情況，各支架載荷經(jīng)校核均滿足支架穩(wěn)定性要求。
    ③ 阻力校核
    根據(jù)煤氣狀態(tài)參數(shù)及煤氣組成，汁算得圖1管系中煤氣管道的最大阻力為1193.05Pa。儲氣罐出口煤氣壓力不僅可以克服煤氣管道阻力，而且足以克服各種類型煤氣燃燒器的阻力。
    ④ 方案確定
    根據(jù)校核計算，初步確定的煤氣輸送系統(tǒng)布置方案滿足動力管道設(shè)計要求，確定為最終方案。
3 煤氣燃燒系統(tǒng)
煤氣燃燒系統(tǒng)是指將煤氣從鍋爐房外的煤氣輸送系統(tǒng)引入鍋爐煤氣燃燒器，使煤氣與空氣混合、點燃和燃燒的管道系統(tǒng)及相關(guān)裝置，主要由煤氣支管、燃燒器以及快速關(guān)斷閥、電動調(diào)節(jié)閥、手動調(diào)節(jié)閥、膨脹節(jié)、放散管、排水器等組成。煤氣燃燒系統(tǒng)的布置方案見圖2。
 
   鍋爐原煤粉燃燒器為四角切圓布置，考慮到煤氣燃燒與煤粉燃燒的兼容性和爐內(nèi)空氣動力場的穩(wěn)定性，煤氣燃燒器仍以切圓布置方式為宜。經(jīng)計算，若煤氣燃燒器采用布置在原煤粉燃燒器下的四角切圓燃燒，則要求原煤粉燃燒器下層噴嘴至運行層的間距應不小于1000mm，而實際間距僅有700mm，四角切圓方案難以實現(xiàn)。因此，煤氣燃燒系統(tǒng)最終采用六角切圓布置方式，其中4只煤氣噴嘴直接布置在煤粉噴嘴下部，另外2只煤氣噴嘴布置在左右側(cè)墻的中心，主煤氣輸送管道進入鍋爐房后分為兩根煤氣分管道布置于鍋爐兩側(cè)，每根分管道再各分出3根支管連接煤氣燃燒器，見圖2。為擴大切圓直徑，增加受熱面的吸熱量，降低火焰中心位置，煤氣燃燒器出口軸線分別在原煤粉燃燒器噴嘴出口軸線方向上水平向外偏轉(zhuǎn)20°，向下偏轉(zhuǎn)20°。改造前后燃燒器布置見圖3。綜合考慮低熱值煤氣著火與燃燒的穩(wěn)定性及火焰的長度，煤氣燃燒器采用雙通道煤氣噴嘴，具有部分預混作用，噴嘴出口煤氣流速約32m/s，空氣流速約35m/s[4～7]。
 

4 煤氣安全保護
    為防止鍋爐運行系統(tǒng)斷電、送引風機故障及煤氣壓力過低等工況引起管內(nèi)煤氣回火、爐內(nèi)煤氣外泄及爐膛滅火等事故，需實施煤氣快速關(guān)斷閥連鎖保護。即從送、引風機的接觸器、壓力變送器上引出信號線，與快速關(guān)斷閥上相關(guān)的繼電器連接，實現(xiàn)信號反饋，在事故工況下實現(xiàn)快速關(guān)斷閥的自動快速關(guān)斷，切斷煤氣供應。各路保護信號通過繼電器及時反饋到煤氣快速關(guān)斷閥的PLC控制單元，從而實現(xiàn)對煤氣輸送系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的安全保護。
    煤氣快速關(guān)斷閥主要有氣動和液動兩種執(zhí)行方式，均能在1s內(nèi)快速響應。由于該鍋爐房現(xiàn)場沒有壓縮氣源，且購置氣體壓縮設(shè)備的費用較高，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，選用液動快速關(guān)斷閥，安裝在鍋爐兩側(cè)的煤氣分管末端。液動快速關(guān)斷閥由主閥、齒輪齒條油缸傳動裝置、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)4部分組成，各部分高度集成為一個整體，既節(jié)約了空間，又節(jié)約了成本?？焖訇P(guān)斷閥的電氣控制系統(tǒng)由操作元件、控制器、顯示器和報警單元及電控柜組成，電控柜內(nèi)自帶DC24V電源，即使意外停電，也可照?？刂瓶焖訇P(guān)斷閥啟閉。
5 應用效果
    該項目除對新增的煤氣輸送系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)進行設(shè)計改造外，還將鍋爐四角的原煤粉燃燒器整組(一次風與二次風噴嘴)向下傾斜8°～10°，將凝渣管和省煤器的受熱面積分別增加了22、97m2。整體改造完成后，在全燒煤氣、煤氣-煤粉混合燃燒(煤粉與煤氣熱量摻燒比例為1：4)、全燒煤粉3種工況下，對鍋爐主要運行參數(shù)進行了實測，實測結(jié)果見表4。
表4 改造后鍋爐主要運行參數(shù)實測結(jié)果
工況
蒸汽質(zhì)量流量/(t·h-1)
排煙溫度/℃
鍋爐熱效率/%
全燒煤氣
59
158.7
87.3
煤氣-煤粉混合燃燒
77
155.2
90.9
全燒煤粉
81
146.9
92.1
    改造后鍋爐在3種工況下的主要技術(shù)指標均達到了要求，煤氣輸送系統(tǒng)能夠安全可靠運行，鍋爐能夠穩(wěn)定高效燃燒。這說明該75t/h煤粉鍋爐煤氣一煤粉混合燃燒技術(shù)改造中煤氣輸送系統(tǒng)及煤氣燃燒系統(tǒng)的設(shè)計是成功的。
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(本文作者：文大綴1 陳冬林1 徐慧芳1 劉創(chuàng)1 羅睿1 張培文2 高殿強2 燕文廣2 1.長沙理工大學 能源與動力工程學院 湖南長沙 410114；2.內(nèi)蒙古遠興能源股份有限公司 堿湖試驗站 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017314)