130 t/h循環(huán)流化床鍋爐燃氣化改造技術(shù)

陸飛，劉誠誠，劉真(陜西北元集團錦源化工有限公司，陜西 神木 719319)

1 項目概況

陜西北元集團錦源化工有限公司(以下我“我公司”)發(fā)電機組共有兩臺130 t/h的循環(huán)流化床鍋爐，該機組于2010年10月18日投入使用。2020年榆林市人民政府以及神木市政府分別下發(fā)了關(guān)于火電行業(yè)落后產(chǎn)能淘汰的工作實施方案。該公司兩臺130 t/h循環(huán)流化床鍋爐不能夠滿足方案中關(guān)于“余氣摻燒固體燃料機組的供電標煤能耗不能高于400 g標煤/kW·h”的具體需求[1]。按照相關(guān)文件的要求，公司經(jīng)過多方面的考察與實地調(diào)研，開展改造論證會等方式，決定將該兩臺鍋爐改造成為使用純?nèi)細獾腻仩t。該項目于2020年11月開始改造，已于2021年3月進入試運行階段，目前鍋爐設(shè)備運行狀態(tài)良好，一切正常，有效提升了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

2 改造簡介

被改造的兩臺鍋爐的主要設(shè)備參數(shù)：鍋爐型號為TG-130/ 3.82-M1，額定蒸發(fā)量為130 t/h，過熱蒸汽壓力為3.82 MPa，過熱蒸汽溫度為450 ℃，給水溫度為150 ℃，鍋爐低位計算效率為88.7%，屬于CFB鍋爐類型，燃燒種類包括煤泥、焦沫以及煤沫混合物。

(1)針對兩臺130 t/h循環(huán)流化床鍋爐，將其由傳統(tǒng)的燃煤鍋爐改造為使用燃氣鍋爐系統(tǒng)，具體改造包含鍋爐本體改造、增加燃燒器和鍋爐房里燃氣管道、冷熱風道改造、送風系統(tǒng)改造、相關(guān)熱控及電氣系統(tǒng)改造、爐墻、保溫和脫硝系統(tǒng)的設(shè)計、制造、購置、運輸、安裝及調(diào)試等。

(2)煤氣供氣系統(tǒng)和入爐之前的煤氣增壓、凈化改造，包括煤氣系統(tǒng)整體安全附件、設(shè)備、材料等設(shè)計、制造、采購、運輸、安裝及調(diào)試等。

(3)兩臺130 t/h循環(huán)流化床鍋爐改造所關(guān)系到的安全、環(huán)保、消防、職業(yè)衛(wèi)生、通風、照明、光暖、土建、架構(gòu)等開展配套設(shè)計與改造。

(4)當前的煤氣管線直徑是1.2 m，如果不能滿足相應(yīng)鍋爐改造的要求，可以提高改造全套煤氣管線的煤氣增壓以及凈化，包括對新增煤氣系統(tǒng)全部的安全附件、設(shè)備以及材料等進行設(shè)計、生產(chǎn)、購置、運輸、安裝以及調(diào)試等。

3 改造具體情況

3.1 鍋爐本體

鍋爐使用燃料為蘭炭尾氣與電石尾氣混合兩種，點火燃料是蘭炭尾氣或者電石尾氣，煤氣發(fā)熱值不高，因此使用西熱專利技術(shù)燃氣燃燒器X-NG25-M1，在燃燒器出口處加設(shè)穩(wěn)燃裝置旋流式煤氣燃燒器進行輔助，保障煤氣的充分燃燒。二級省煤器使用螺旋翅片管的方式，高低省之間配備兩層SCR，三級空氣預(yù)熱器是管式，構(gòu)架為鋼結(jié)構(gòu)。汽包內(nèi)部使用旋風分離器，集中下降管。過熱汽溫調(diào)節(jié)采用噴水減溫裝置[2]。爐膛采用膜式水冷壁，平臺為柵格結(jié)構(gòu)。燃氣為蘭炭尾氣81 810 m3/h，電石尾氣12 200 m3/h，蘭炭尾氣熱值按照7 115.9 kJ/m3、電石尾氣熱值按照11 301.8 kJ/m3計算，將電石尾氣折算成蘭炭尾氣后，合計可利用煤氣101 186 m3/h。

電石煤氣是由5#、6#電石爐的母管引出DN600的管道至1#電石爐處混合集箱，然后又由1#電石爐、2#電石爐各引出DN600的管道以及3#、4#電石爐母管引出一根DN600的管道全部到混合集箱，最后由混合集箱引出DN800的管道至增壓風機入口，分成DN600的管道進入2臺增壓風機，2臺增壓風機出口DN600的管道進入DN800母管到鍋爐后墻，在鍋爐后墻由DN700的管道分別引至鍋爐4.5 m處，經(jīng)變徑成DN500的管道進入1個電石燃燒器進入爐膛燃燒。

蘭炭尾氣是由焦化爐到氣柜的管道上引出DN1600的管道至增壓風機入口，然后分別經(jīng)過DN1200的管道進入3臺增壓風機，3臺增壓風機再由DN1200的管道進入DN1600的母管到鍋爐后墻，然后分成2根DN1200的管道分別到1#、2#鍋爐的后墻，然后分成DN500的管道到5臺燃燒器，進入爐膛燃燒。

3.2 燃燒系統(tǒng)改造

鍋爐布置 6 臺燃燒器，每層布置 3 臺共兩層。其中，2#為電石燃燒器，燃用電石尾氣，設(shè)計工作壓力為0～0.25 MPa、設(shè)計流量為12 100 Nm3/h；其余 5 臺為蘭炭燃燒器，燃用蘭炭尾氣，設(shè)計工作壓力為0～0.25 MPa、設(shè)計流量為13 000 Nm3/h。為使煙氣更好地順著爐壁向上爬升，1#、4#燃燒器旋流方向為順時針，2#/3#/5#/6#燃燒器旋流方向為逆時針。蘭炭預(yù)電石尾氣分別作為獨立氣源送往鍋爐進行燃燒。

在燃燒器支管煤氣快切閥處部署一臺電液驅(qū)動快切閥，快關(guān)時間為3 s。并且在每個燃燒器管道前裝一臺阻火器，保證隔離清理不影響鍋爐正常使用。依據(jù)蘭炭與電石尾氣的熱值與氣量的不同，分別配備兩種燃燒器，設(shè)有自動點火、熄火保護等措施，燃燒器選用國內(nèi)最為成熟并且自動化比較高的西熱和武鍋品牌，滿足鍋爐在130 t/h滿荷運載的需求。

3.3 煤氣管道改造

嚴格按照煤氣鍋爐國家設(shè)計標準及行業(yè)煤氣系統(tǒng)管線布局設(shè)計，結(jié)合我公司實際煤氣管線布局情況，新增三臺Q=60 000 m3/h,H=12 kPa的增壓風機進行蘭炭尾氣的增壓，同時兼用原有的2臺Q=25 000 m3/h,H=12 kPa蘭炭尾氣增壓風機，并采取增壓風機開放式的部署。對于煤氣管道的改造，蘭炭尾氣采用DN1600管通過之前的增壓機房輸出到鍋爐房外邊，再利用分支管輸送到燃燒器；電石尾氣將原有的兩路DN600匯集為DN800輸送到鍋爐房外邊，再送入燃燒器，再加一路DN800輸送到白灰煤氣風機房中[3]。管道閥組采用電動蝶閥以及電動盲板閥(優(yōu)先選用平移式)。

3.4 脫硝系統(tǒng)

我公司此次改造的脫硝系統(tǒng)使用SNCR與SCR相結(jié)合的方式，充分利用原有脫硝車間設(shè)備，保持原有SNCR的噴槍位置不動，對SCR的位置進行重新規(guī)劃。選擇性催化劑還原(SCR)技術(shù)指的是通過向煙氣里邊注入還原劑(最常使用的是氨及氨水)，在催化劑以及適宜的溫度等作用下，還原劑和煙氣里邊的氮氧化物(NOx)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是不與煙氣里邊的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，進而生成沒有毒的氮氣及水。相關(guān)反應(yīng)如下： NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O (1)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O (2)

通過使用 SCR脫硝技術(shù)，脫硝還原劑為20%的氨水。根據(jù) SCR脫硝技術(shù)，脫硝所需要的反應(yīng)劑是氨氣，氨水經(jīng)過濾計量后進入氣化器，在經(jīng)過吸熱后氣化并過熱，經(jīng)氣相口輸出，進入氨空混合器和稀釋空氣進行充分混合后，將氨氣濃度降低到 5%以下送入噴氨格柵。通過將SCR催化效率提升至90%以上，保障氮氧化物能夠?qū)崿F(xiàn)超低排放(35 mg/Nm3，干基3% O2)標準。

3.5 控制系統(tǒng)及自動化聯(lián)鎖保護改造

3.5.1 控制系統(tǒng)

為提高自動化水平進行DCS改造，對DCS系統(tǒng)畫面進行重新組態(tài)；其中包括新增的煤氣燃燒系統(tǒng)、現(xiàn)場儀表(包括原儀表的改造及新增儀表)、新增系統(tǒng)閥門實現(xiàn)遠程以及就地聯(lián)合控制。燃燒器控制采用就地加DCS遠程控制雙重手段，燃燒器配備了就地控制柜，燃燒系統(tǒng)遠程控制點使用硬接線技術(shù)進入新DCS控制站，控制系統(tǒng)I/O依據(jù)高于實際需求量的20%為基礎(chǔ)進行配置，目前主機控制系統(tǒng)是和利時。并且將新控制站接入原DCS系統(tǒng)，在新控制站主控單元實現(xiàn)冗余控制。

3.5.2 自動化水平及聯(lián)鎖保護改造

此次改造實現(xiàn)了鍋爐自動點火，依照煤氣流量和壓力進行負荷的自動調(diào)整，達到鍋爐給水、減溫水、爐膛燃燒、負壓(送風、引風、煤氣量)、機爐自動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、連定排水自動排污等系統(tǒng)的自動化調(diào)節(jié)，并開發(fā)燃氣鍋爐自動化一鍵啟停功能(自動吹掃、點火啟動)，最大程度上降低員工工作量[4]。此外，還設(shè)置鍋爐從點火燃燒到正常運行的各系統(tǒng)、各環(huán)節(jié)的異常運作情況的提示、報警和聯(lián)鎖保護功能 (包含但不限于鍋爐MFT 跳閘系統(tǒng)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS、燃燒器控制系統(tǒng)BCS及各種運行指標的超溫、超壓、超速、設(shè)備跳停等)，針對重要的檢測點采用三取二的方式。

并且，為了保證生產(chǎn)安全，隨時觀測爐膛燃燒情況，此次改造對每臺鍋爐新增一套爐膛工業(yè)電視用孔，用來配備火焰監(jiān)視系統(tǒng)，顯示器安裝在目前公司新建的集中控制室。在熱工檢測主要包括對工藝系統(tǒng)的運行參數(shù)、輔機的運行狀態(tài)、電動、氣動和液動閥門的啟閉狀態(tài)和調(diào)節(jié)閥門的開度、儀表和控制用電源、氣源、水源及其他必要條件的供給狀態(tài)和運行參數(shù)、必要的環(huán)境參數(shù)等的檢測。

針對熱工保護設(shè)計有防止誤動和拒動的措施，保護系統(tǒng)電源中斷或恢復(fù)不會發(fā)出誤動作指令；爐、機跳閘保護系統(tǒng)的邏輯控制器單獨冗余設(shè)置；保護系統(tǒng)有獨立的I/O通道，并有電隔離措施；冗余的I/O信號通過不同的I/O模件引入；觸發(fā)機組跳閘的保護信號的開關(guān)量儀表和變送器單獨設(shè)置，當確有困難而需與其他系統(tǒng)合用時，其信號首先進入保護系統(tǒng)；機組跳閘命令不通過通信總線傳送[5]。在信息化方面DCS系統(tǒng)能自動生成報表并能按需求實現(xiàn)打印功能；且預(yù)留OPC通訊接口實現(xiàn)上層管理通訊功能。

3.6 燃氣泄漏報警設(shè)置

依據(jù)國家關(guān)于有毒有害、易燃易爆氣體的最新有關(guān)標準開展改造工作。在現(xiàn)有的19臺有毒氣體聲光報警儀的基礎(chǔ)上，新增加10臺報警音量高于105 dB的報警儀，并且研發(fā)并部署單獨的在線監(jiān)督控制應(yīng)用系統(tǒng)，保證做到實時的在線監(jiān)督管理，并對于監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)保留30 d。

4 結(jié)語

通過此次項目改造，鍋爐能夠帶在負荷30%～110%情況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，且熱效率高于90.5%(在130 t/h的工況下)。改造以后，鍋爐的氮氧化物初始排放濃度不高于350 mg/Nm3，經(jīng)過脫硝工藝之后在煙囪口處的氮氧化物濃度低于35 mg/Nm3，氨逃逸量控制在3.0 mg/L之下，并且SCR催化劑的脫硝效率高于90%，達到煙氣的超凈排放。在添加SCR反應(yīng)器以后，對鍋爐煙氣一側(cè)阻力的增加并不高于1 kPa。從改造試運行以來，設(shè)備運行狀況良好，鍋爐在純?nèi)細夤r下能長周期、滿負荷、安全、穩(wěn)定的運行。