開工鍋爐摻氣燃燒改造

諸國民

( 中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)700 kt/a 乙烯裝置開工鍋爐是一個承壓、高溫、受火焰燃燒的、有可能發(fā)生爆炸的特種設備，是幾臺乙烯大型壓縮機的驅動動力，能產(chǎn)生160 t/h 的超高壓蒸汽，蒸汽溫度達到525 ℃，在整個裝置中具有十分重要的位置。開工鍋爐是乙烯裝置燃料消耗大戶，原來以重油和乙焦為燃燒原料，煙塵排放達不到排放要求，對大氣環(huán)境影響巨大，為此，上海石化對其燃燒系統(tǒng)進行了改造，摻燒部分干氣，使其能達到排放標準的要求。

1 開工鍋爐燃氣改造的必要性

開工鍋爐現(xiàn)場安裝了在線分析儀，對煙塵、硫化物(主要為二氧化硫，SO2)、氮氧化物(NOx)的排放進行在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)上網(wǎng)，受上海市環(huán)保局直接監(jiān)控。鍋爐原設計燃料有重油和乙烯焦油兩種，2008 年8 月以后以乙烯焦油為主。

2008 年12 月31 日前鍋爐煙氣排放執(zhí)行國家標準，開工鍋爐能夠滿足排放指標。2009 年1月1 日起執(zhí)行上海市地方標準，因上海市地方標準比國家標準更為嚴格，按目前投用的燃料與鍋爐運行工況難以達到上海標準規(guī)定的指標。兩個標準具體數(shù)據(jù)見表1 所示。

在重油作為鍋爐的主要燃料時，開工鍋爐煙氣中煙塵、硫化物、NOx均超上海市地方標準。以乙烯焦油作為鍋爐的主要燃料時，根據(jù)前幾年在線數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，鍋爐負荷為120 t/h 時，煙氣中的SO2基本達到合格、NOx接近或達到標準，而煙塵是嚴重超標的;如燃料比例不變，鍋爐負荷提升，SO2合格，NOx、煙塵超標;如燃料中渣油比例增加，3 項指標均會超標。針對上述情況，上海石化對開工鍋爐專門立項，實施部分氣代油燃料改造，油氣混燒以降低煙塵排放。

表1 實際排放數(shù)據(jù)及國家與地方標準mg/m3

原乙焦燃料中殘?zhí)考傲虻馁|(zhì)量分數(shù)比較高(硫的質(zhì)量分數(shù)為0.14%，殘?zhí)繛?7.18%)，對煙氣的質(zhì)量存在明顯影響。燃料氣為煉廠干氣，主要組分為氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯等可燃氣體，其中硫化氫(H2S)的體積分數(shù)低于0.005%，氮氣和氧氣(N2+O2)的體積分數(shù)為14.75%。煉廠氣作為一種高清潔度的燃料，燃燒后對環(huán)境的污染較小，可使煙塵中有害物排放總量大幅減少，達到上海市煙塵排放標準。

2 開工鍋爐燃氣改造的可行性

2.1 燃料

由于乙焦密度高，進入爐膛后燃燒基本是平直的，而干氣密度較液體燃料輕很多，爐膛煙氣出口在爐膛后側上部，由于煙囪拔風效應，故干氣燃料總是飄向爐膛上部燃燒。同時，乙焦進入爐膛前，已被預加熱到150 ～160 ℃，而干氣則以常溫狀態(tài)進入爐膛燃燒，兩者相比，干氣著火時間相對延遲，致使干氣燃燒后溫度場后移，造成爐膛輻射換熱量減少，對流換熱量增加，排煙溫度相應提高［1］。根據(jù)相關經(jīng)驗，氣體燃料燃燒后排煙溫度一般比液體燃料高15 ～18 K，在其他損失不變的情況下，由于排煙熱的損失，鍋爐效率會降低超過1%［2］。單臺燒嘴最多可摻燒1 500 m3/h 干氣，每臺鍋爐有6 個燒嘴，所以單臺鍋爐可摻燒9 000 m3/h 干氣，干氣低位發(fā)熱值36.1 MJ/m3，計算出單臺鍋爐燒干氣最大可提供熱量為325 GJ/h。乙焦低位發(fā)熱值40.6 GJ/m3，以乙焦供給量12.5 t/h 計，單臺鍋爐燒乙焦最大可提供熱量為508 GJ/h。由于燃燒干氣提供給鍋爐受熱面總的熱量相對較少，在鍋爐本體不作改動的情況下，要保障過熱蒸汽品質(zhì)、過熱器強度和鍋爐安全性，摻氣量會受到一定限制。

根據(jù)相關鍋爐改造的經(jīng)驗，在70%摻氣和30%燒油的工況下，達到摻氣極限負荷。即在單燒氣的情況下，鍋爐出力可達到70%，即100～110 t/h(如需進一步提高出力，再投用部分油槍即可)，鍋爐部分油氣混燒時鍋爐運行負荷不低于改造前鍋爐的運行負荷。

2.2 過熱器

開工鍋爐過熱器由1 級、2 級組成，2 級過熱器的材質(zhì)為STBA24S，屬于合金鋼材料，使用溫度可達到580 ℃，已能滿足使用要求。而1 級過熱器的材質(zhì)為碳鋼和兩種規(guī)格的合金鋼，1 級過熱器由60 組蛇型管排(管屏)組成，每組管排有8根爐管，外形尺寸為572 mm ×7 000 mm，由3 種規(guī)格材質(zhì)的爐管組成，管內(nèi)蒸汽溫度由低溫向高溫排列，材質(zhì)依次提高，低溫段前5 根是STB42S材質(zhì)，中間2 根是STBA12S，最后一根出口管的材料是STBA22S。

式中:p 為鍋爐最大工作壓力，MPa;d 為一級過熱器管管子外徑，mm;t 為管壁實際厚度，mm;s 為允許拉伸應力，kg/mm2。

3 種材料的過熱器管壁厚計算結果如下:1 級過熱器管束(前5 根管子)的壁厚為4.51 mm，其材質(zhì)為STB42S，相當于我國的20G;中間2 根的壁厚為4.26 mm，材質(zhì)為TBA12S，相當于我國的15MoG;最后1 根的壁厚為4.08 mm，材質(zhì)為STBA22S 材料，相當于我國的12Cr1MoVG。

梁爽(1987-)，女，漢族，新疆烏魯木齊人，經(jīng)濟系碩士，研究方向：國際收支，國際投資，國際貨幣流動，國際儲備。

根據(jù)《JIS B8201 陸用鋼制鍋爐的構造》規(guī)范鋼材許用應力表，STB42S 的使用溫度在450 ℃以下，STBA12S 在500 ℃以下，STBA22S 在550 ℃以下。不考慮腐蝕和磨損，根據(jù)強度公式計算出3種規(guī)格的材料在極限應力下的溫度為:STB42S 材料極限金屬溫度425 ℃，減去40 K 的壁厚溫差，相應的蒸汽溫度極限值為385 ℃;STBA12S 的材料金屬溫度475 ℃，相應的蒸汽溫度在445 ℃;STBA22S 材料金屬溫度在532 ℃，相應的蒸汽溫度在502 ℃。

開工鍋爐在日常的使用中，以B 爐為例:鍋爐在檢修后運行一段時間，1 級過熱器的蒸汽溫度分別如下:在鍋爐負荷為103 t/h 時，蒸汽溫度為450 ℃，O2的體積分數(shù)為2.70%;在鍋爐負荷為120 t/h 時，蒸汽溫度為457 ℃，O2的體積分數(shù)為2.72%;在鍋爐負荷為130 t/h 時，蒸汽溫度為460 ℃，O2的體積分數(shù)為2.70%。顯然1 級過熱器的蒸汽溫度已超設計數(shù)據(jù)，鍋爐如果改燒干氣，1 級過熱器肯定超溫。據(jù)此認為:鍋爐如果要摻燒干氣，1 級過熱器必須升級材質(zhì)，應改為與STBA22S 相當?shù)牟牧?2Cr1MoVG。

3 改造實施

3.1 燃燒系統(tǒng)改造

本次燃燒系統(tǒng)改造施工，從界外用直徑為250 mm 的總管連接到爐前，再分別用直徑為150 mm 的支管連接到A/B 爐，距離比較長。主要更換了直徑125 ～250 mm 的管子約1 km，直徑15 ～40 mm 的管子約2 km，各類閥門、流量計、阻火器等約60 套，燃燒器面板共12 套。

3.1.1 控制與操作系統(tǒng)

鍋爐運行燃料由乙烯焦油摻燒重油改為摻燒干氣，增加了干氣供應系統(tǒng)，需要在鍋爐控制系統(tǒng)中新增干氣的控制。系統(tǒng)上設有干氣流量檢測，作為干氣流量的指示和控制;干氣流量調(diào)節(jié)閥參與到鍋爐負荷調(diào)節(jié)中;干氣噴前壓力變送器用來表征燒嘴的運行狀態(tài);3 只壓力開關的信號進入集散控制系統(tǒng)(DCS)，采用3 取2 方式作為干氣壓力低低工況的聯(lián)鎖信號;氣動切斷閥在需要停燒干氣或聯(lián)鎖時切斷干氣。在每臺鍋爐的干氣總管上設立了快速切斷閥。

由于改造后的鍋爐燃油量減少，原燃油供應系統(tǒng)、霧化蒸汽系統(tǒng)可以滿足要求，可保持不變。原點火系統(tǒng)、原火焰監(jiān)視系統(tǒng)及其他原控制和操作系統(tǒng)不作改變。

3.1.2 燃燒系統(tǒng)

新燃燒器為平流配風形式，可以進行低氧燃燒。一、二次風同時進入風筒，一次風經(jīng)過油槍穩(wěn)焰器，二次風進入外圍直流通道。進入穩(wěn)焰器的一次風為旋轉氣流，出口處產(chǎn)生一個適應于著火的高溫煙氣回流區(qū)，使火焰穩(wěn)定。然后二次風高速補入，并在離噴口較遠處與未燃盡的燃料氣流強烈混合，使燃燒后期供氧充分，從看火孔觀察火焰狀態(tài)，調(diào)節(jié)風門擋板進風量，達到低氧燃燒及降低煙氣中污染物的排放。

新燃燒器中燃油槍結構和關鍵尺寸保持不變，新面板預留好原油槍接口，單燒燃料油時，仍能保證原燃油系統(tǒng)的效果;原燃燒器的看火孔、點火裝置利舊。改造后的燃燒器，新面板材質(zhì)為Q235 -B，利用原火炬氣燒嘴接口安裝兩根新燃氣槍，在新的小面板上增加4 根直徑為40 mm 的燃氣噴槍，實現(xiàn)部分氣代油燃燒過程。

針對單燒燃料油(或燃料氣)時，燃料氣(或油)燒嘴的熱保護問題，燃氣槍材質(zhì)采用哈氏C 材料，該材料耐熱耐腐蝕，耐熱溫度高達1 100 ℃。同時槍管密封形式采用填料密封，可以在不燒氣的條件下退出工作位置保護燒嘴。其工作范圍內(nèi)本身處于高溫燃燒區(qū)域，故使用過程中不會出現(xiàn)脫火和回火。為保證負荷穩(wěn)定，除點火狀態(tài)外，同一燒嘴不可進行油氣混燒，即單燒油或單燒氣。

3.2 更換1 級過熱器

3.2.1 過熱器管屏制造

按原開工鍋爐圖紙?zhí)峁┑某叽邕M行加工，單臺數(shù)量為60 屏，每屏8 根爐管，采用彎頭焊接的連接型式，管子規(guī)格統(tǒng)一為Φ60 mm。在鍋爐總圖中前5 根材料由STB42S 改為12Cr1MoVG，長度為5 mm;中間2 根材料由STBA12S 改為12Cr1MoVG，長度為5 mm 和6 mm，最后1 根出口管材料由STBA22S 改為12Cr1MoVG，長度為7 mm。具體與集箱接口尺寸在距離一級過熱器出口集箱中心線700 mm 處。1 級過熱管屏的管子壁厚按照蒸汽壓力13 MPa，一級過熱蒸汽出口溫度500 ℃，蒸汽流量按160 t/h 進行校核設計，使最高承受溫度從532 ℃(對應蒸汽溫度502 ℃)升級為575 ℃(對應蒸汽溫度545 ℃)，強度校核按《JIS B8201 陸用鋼制鍋爐的構造》進行核算。管屏組裝完出廠前進行25 MPa 水壓合格檢驗。

3.2.2 過熱器更換

更換1 級過熱器主要工作是拆除原舊爐管，焊接新爐管，主要為60 道12Cr1MoVG 與STBA22S 對接口，60 道12Cr1MoVG 與20 G 對接口，焊口經(jīng)100%拍片合格，最后對鍋爐進行15 MPa 超壓水壓試驗合格，鍋爐主要部件更換檢修質(zhì)量達到國家及上海市相關標準。施工期間，得到上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院指導和監(jiān)督。

4 改造效果

部分氣代油改造后，選擇典型的鍋爐全部燒油、全部燒氣和其他工況進行對比(根據(jù)控制室自動記錄儀數(shù)據(jù)整理)，相關數(shù)據(jù)如表2 所示。

從表2 選取改造前6 個燃燒器全部燒乙焦(負荷為106 t/h)與改造后6 個燃燒器全部燒干氣(負荷為100 t/h)這兩個典型例子進行比較。不難發(fā)現(xiàn)，改造后飽和蒸汽溫度有明顯下降，下降值為13 K，說明爐膛內(nèi)干氣燃燒總熱量減少，使爐膛內(nèi)爐管吸收的總熱量減少，引起飽和蒸汽溫度下降，而排煙溫度上升17 K，說明爐膛內(nèi)干氣燃燒溫度場后移很明顯。從排放情況對比看，改造前煙塵101.88 mg/m3(超標)，SO2為246.3 mg/m3，NOx324.21 mg/m3。改造后煙塵7.28 mg/m3、SO2為103 mg/m3、NOx355 mg/m3。排放NOx變化不明顯，反而有所上升，但煙塵和SO2排放值下降十 分明顯，說明改造效果很好。

表2 不同操作條件下鍋爐排放指標對照

鍋爐負荷在全部燃氣狀況下可達100 t/h，從工藝安全考慮，可采用4 +2 燃料供應方式(4 根干氣燒嘴、2 根乙烯焦油燒嘴)或采用5 +1 燃料供應方式(5 根干氣燒嘴、1 根乙烯焦油燒嘴)比較合理。現(xiàn)在鍋爐按5 +1 燃料供應方式運行，通過鍋爐風門擋板調(diào)節(jié)來調(diào)整鍋爐燃燒含氧量等措施，使煙氣中煙塵的質(zhì)量濃度為2 ～9 mg/m3，SO2為20 ～80 mg/m3，NOx為280 ～320 mg/m3，完全達到所需排放指標要求。

5 結語

通過油氣混燒改造，開工鍋爐煙氣排放質(zhì)量已達到現(xiàn)有上海市地方標準。同時，燃燒器噪音也滿足1 m 處不大于70 dB 的控制要求。通過這次氣代油改造，減少直接火炬氣排放，節(jié)省下來的乙烯焦油作為其他裝置生產(chǎn)原料，取得了巨大的經(jīng)濟效益，鍋爐通過摻燒干氣，大大的減少了煙塵、SO2及NOx的排放，也為改善環(huán)境，建設美好社會作出了巨大的貢獻。

［1］ 徐旭常，周立行. 燃燒技術手冊［M］. 北京:化學工業(yè)出版社，2007:47.

［2］ 車德福，莊正寧. 鍋爐［M］. 西安:西安交通大學出版社，2010:103 -104.