焦?fàn)t煤氣在300 MW火電廠煤粉爐中的摻燒運(yùn)用

侯友龍，陳闊，何軍福，周早壽，黃邦開，萬(wàn)軍

（云南能投曲靖發(fā)電有限公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

焦?fàn)t煤氣是煉焦過(guò)程中的一種副產(chǎn)品，焦?fàn)t煤氣不同于高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣，焦?fàn)t煤氣主要成分為氫氣（55%-60% ）和甲烷（23%-27%），如表1所示，屬于中熱值氣，其熱值為每標(biāo)準(zhǔn)立方米17-19MJ，適合用做高溫工業(yè)爐的燃料和城市煤氣。焦?fàn)t煤氣為無(wú)色、易燃易爆、有腐蝕性、微有臭味的有毒氣體，當(dāng)焦?fàn)t煤氣與空氣或氧氣混合到一定比例，遇明火或550℃以上高溫就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈著火或爆炸。

表1 焦?fàn)t煤氣主要成分表

距離該電廠3.1公里處有一焦化廠，每小時(shí)可產(chǎn)生2.8×104Nm3焦?fàn)t煤氣?？紤]到煤炭資源的緊缺，充分利用焦?fàn)t煤氣，使其作為鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)與穩(wěn)燃用燃料，可以降低電廠的運(yùn)行成本，并保證電廠鍋爐設(shè)備運(yùn)行的安全性。

1 設(shè)備概況

該電廠現(xiàn)有裝機(jī)容量為4×300 MW燃煤火力發(fā)電機(jī)組，該電廠一期爐型：#1、#2鍋爐為單爐膛 ∏ 型露天布置、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒、自然循環(huán)汽包爐，型號(hào)為DG1025/18.2-Ⅱ8，制粉系統(tǒng)采用鋼球磨中間儲(chǔ)倉(cāng)式、干燥送粉系統(tǒng)，配備4臺(tái)DTM350/600型球磨機(jī)。燃燒設(shè)備為每角燃燒器分上下兩組，共布置15層噴口，其中有6層一次風(fēng)（A、B、C、D、E、F，其中A層煤粉燃燒器內(nèi)布置有微油槍）噴口，1層頂二次風(fēng)（OFA)噴口，8層二次風(fēng)噴口（其中BC、DE層布置有燃油裝置），一次風(fēng)噴口均布置有周界風(fēng)。

該電廠二期爐型：#3、#4鍋爐型號(hào)為DG1025/18.2-Ⅱ16，鍋爐型式為亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒、自然循環(huán)汽包爐。單爐膛Π型露天布置、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。制粉系統(tǒng)為中速磨冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式系統(tǒng)。配置5臺(tái)MPS200型磨煤機(jī)。燃燒設(shè)備為每角燃燒器分上下兩組，共布置13層噴口，其中有5層一次風(fēng)噴口（A、B、C、D、E，其中其中B層煤粉燃燒器內(nèi)布置有微油槍），1層頂二次風(fēng)（OFA)噴口，7層二次風(fēng)噴口(其中AB、BC、DE層布置有燃油裝置)，一次風(fēng)噴口均布置有周界風(fēng)。

2 焦?fàn)t煤氣摻燒要求

在鍋爐正常運(yùn)行階段以焦?fàn)t煤氣替代部分煤粉，在鍋爐點(diǎn)火階段和低負(fù)荷穩(wěn)燃階段以焦?fàn)t煤氣替代輕柴油對(duì)煤粉進(jìn)行直接點(diǎn)火和穩(wěn)燃，從而達(dá)到降低燃料消耗成本，提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益的目的，同時(shí)摻燒焦?fàn)t煤氣后不會(huì)對(duì)鍋爐正常運(yùn)行造成負(fù)面影響，改造完成后能保證鍋爐設(shè)備安全、正常運(yùn)行。

每臺(tái)鍋爐焦?fàn)t煤氣摻燒量按28000 Nm3/h設(shè)計(jì)。爐前焦?fàn)t煤氣供氣壓力8-15 kPa，最低供氣壓力為5 kPa，燃?xì)庀到y(tǒng)最高工作壓按20 kPa設(shè)計(jì)（即焦化廠放散水封的壓頭，電廠用氣突然全部中斷時(shí)燃?xì)夤艿乐锌赡墚a(chǎn)生的瞬時(shí)憋壓）。爐前焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣溫度不低于30℃。在對(duì)傳統(tǒng)的煤粉鍋爐進(jìn)行焦?fàn)t煤氣摻燒改造時(shí)，要注意防止焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)泄漏，預(yù)防發(fā)生安全事故，在關(guān)鍵位置加裝有毒可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)裝置，對(duì)于易泄漏位置加設(shè)閥門。摻燒系統(tǒng)還應(yīng)充分考慮機(jī)組運(yùn)行方式改變時(shí)的有效隔離。

3 焦?fàn)t煤氣輸送系統(tǒng)

煤氣中含有一定的水分，在管道中輸送時(shí)，煤氣溫度不斷下降，煤氣中的水分就會(huì)冷凝而析出，同時(shí)還帶有煤氣中的粉塵、煤焦油、氰酚等雜質(zhì)，具有很大的腐蝕性和毒性，如果不排出，將會(huì)嚴(yán)重腐蝕管道和閥門，極易造成管道、閥門損壞而出現(xiàn)泄漏事故。在焦?fàn)t煤氣輸送系統(tǒng)中，分別設(shè)置了廢液收集罐、焦?fàn)t煤氣加熱器、計(jì)量站，水封管，滿足焦?fàn)t煤氣輸送的安全和計(jì)量需求，焦?fàn)t煤氣輸送及爐前摻燒系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 焦?fàn)t煤氣輸送及爐前摻燒系統(tǒng)

3.1 焦?fàn)t煤氣排水器

在煤氣管道最低處，一般每隔200 m～250 m設(shè)置一個(gè)焦?fàn)t煤氣排水器，如圖1中④所示。煤氣排水器依靠水封的自然高度形成水壓封住管道內(nèi)煤氣，水封的總有效高度應(yīng)為煤氣計(jì)算壓力至少加500 mm。氣排水器主要是將防擊穿無(wú)泄漏煤氣排水器接入輸送煤氣的管道中(管道最低處)，煤氣管道內(nèi)的冷凝水經(jīng)排水管進(jìn)入排水器高壓室，然后經(jīng)過(guò)隔板上高低壓室的連通管道進(jìn)入排水器低壓室將冷凝水收集并通過(guò)水封自溢流口自動(dòng)排出煤氣管道中的冷凝水，通過(guò)溢流管，流到冷凝液收集器內(nèi)，保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)煤氣管網(wǎng)壓力波動(dòng)或其它原因引起的排水器有效水位異常降低被煤氣擊穿，在煤氣沖擊的作用下，觸動(dòng)防泄漏裝置，封閉溢流口，阻止煤氣向外泄漏，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 焦?fàn)t煤氣計(jì)量站

為滿足焦?fàn)t煤氣摻燒的計(jì)量結(jié)算需求，在焦?fàn)t煤氣輸送系統(tǒng)上安裝了計(jì)量裝置，在圖1中①加熱器后。計(jì)量站流量計(jì)管路分為五路，設(shè)計(jì)正常運(yùn)行為三運(yùn)兩備。當(dāng)運(yùn)行管路發(fā)生堵塞可切為備用管路運(yùn)行。每一路入口都裝有手動(dòng)門、眼鏡閥，出口裝有眼鏡閥、手動(dòng)門。

3.3 焦?fàn)t煤氣加熱器

為保證焦?fàn)t煤氣摻燒的溫度要求，在計(jì)量站前輸送系統(tǒng)管道上安裝了焦?fàn)t煤氣加熱器，如圖1中①所示。焦?fàn)t煤氣加熱器汽源來(lái)自該電廠#4機(jī)輔汽聯(lián)絡(luò)手動(dòng)門和電動(dòng)門之間，加熱蒸汽閥門站布置如圖1中②所示，加熱器回水回至各臺(tái)機(jī)組本體疏水?dāng)U容器，如圖1中⑥所示。

3.4 焦?fàn)t煤氣水封管

為滿足某臺(tái)鍋爐停運(yùn)檢修或爐前焦?fàn)t煤氣檢修隔離需求，在每臺(tái)鍋爐爐前設(shè)置了水封管，可將爐前管道與焦?fàn)t煤氣輸送系統(tǒng)母管有效隔絕，如圖1中③所示。

4 焦?fàn)t煤氣鍋爐摻燒系統(tǒng)

考慮到焦?fàn)t煤氣中含有大量的有毒物質(zhì)，因此焦?fàn)t煤氣鍋爐摻燒系統(tǒng)需要加裝各種調(diào)節(jié)閥、截止閥、流量計(jì)和壓力計(jì)等設(shè)備以保證其密封性。與此同時(shí)，加裝有毒可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)裝置加強(qiáng)對(duì)焦?fàn)t煤氣的監(jiān)測(cè)，防止發(fā)生焦?fàn)t煤氣泄露，造成安全隱患。為保證其安全性，焦?fàn)t煤氣鍋爐摻燒系統(tǒng)加裝了防雷防靜電設(shè)施和氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)，氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)可以滿足焦?fàn)t煤氣投運(yùn)前和切斷后純度置換，有效避免爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

焦?fàn)t煤氣鍋爐摻燒系統(tǒng)可以將送至廠區(qū)的焦?fàn)t煤氣分配至各煤氣燃燒器，保證各個(gè)煤氣燃燒器所輸送至的煤氣壓力基本相同，其兼具煤氣的分配、輸送、計(jì)量、監(jiān)測(cè)、保護(hù)等諸多功能。改造完成之后的爐前煤氣系統(tǒng)其最大供氣量為28000 Nm3/h，系統(tǒng)進(jìn)口處設(shè)計(jì)焦?fàn)t煤氣壓力為20 kPa。

5 鍋爐燃燒器改造

5.1 煤氣燃燒器的改造

焦?fàn)t煤氣鍋爐摻燒系統(tǒng)分三層布置，BC（3000 Nm3/h）、DD（4000 Nm3/h）層共布置8只氣體氣槍（大氣槍）；4只點(diǎn)火氣槍，單只點(diǎn)火氣槍出力為350 Nm3/h；4只微氣氣槍，單只氣槍出力為500 Nm3/h。兩層大氣槍分別布置在BC層二次風(fēng)和DD層二次風(fēng)中，其中BC層二次風(fēng)中原有的油槍保留，即摻燒改造后BC層二次風(fēng)中同時(shí)布置有油槍和摻燒用大氣槍。在DD層二次風(fēng)噴口中心區(qū)域布置DD層大氣槍、點(diǎn)火氣槍（點(diǎn)火氣槍斜插布置）和高能點(diǎn)火裝置。點(diǎn)火方式為：高能點(diǎn)火槍點(diǎn)燃點(diǎn)火氣槍，再由點(diǎn)火氣槍點(diǎn)燃大氣槍。BC層布置大氣槍及大油槍，大氣槍的點(diǎn)火方式為：高能點(diǎn)火槍點(diǎn)燃油槍，再由油槍點(diǎn)燃大氣槍，不另外設(shè)置點(diǎn)火氣槍和高能點(diǎn)火裝置。微氣氣槍（一期A層、二期B層）布置在原少油點(diǎn)火一次風(fēng)中，摻燒改造后該層一次風(fēng)即可用少油槍點(diǎn)火也可用微氣氣槍點(diǎn)火。

5.2 煤氣直接點(diǎn)火煤粉燃燒器改造

該4×300 MW機(jī)組煤粉爐原有的一次風(fēng)中心采用外燃燒式小油槍，此次改造保持不變，同時(shí)新加裝了外燃式微氣氣槍，單獨(dú)的外燃燒式小油槍達(dá)到150～200 kg/h的出力情況，加裝的小氣槍單獨(dú)出力可以達(dá)到500 Nm3/h。

改造完成之后，可以使用焦?fàn)t煤氣替代原有的輕柴油參與點(diǎn)火，考慮到焦?fàn)t煤氣參與摻燒，可能會(huì)有焦?fàn)t煤氣斷供的情況發(fā)生，因此改造完成之后的煤粉燃燒器可以分別采用少油點(diǎn)火和少氣點(diǎn)火兩種方式，無(wú)論采用哪一種點(diǎn)火方式，均共用一個(gè)配風(fēng)口、穩(wěn)燃罩，已達(dá)到在保證安全性的前提下盡量降低成本。為了進(jìn)一步保證其安全性能，加強(qiáng)對(duì)高溫位置的在線監(jiān)測(cè)，加裝了一套測(cè)溫?zé)犭娕?，保證燃燒器的安全性，防止其因高溫發(fā)生損毀。

6 焦?fàn)t煤氣的摻燒試驗(yàn)

2020年8月31日該電廠#2鍋爐焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)投運(yùn)成功，168運(yùn)行期間系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，鍋爐各參數(shù)正常。為進(jìn)一步對(duì)鍋爐摻燒焦?fàn)t煤氣進(jìn)行探索，對(duì)不同摻燒方式進(jìn)行了對(duì)比分析，焦?fàn)t煤氣摻燒后，主再熱汽溫變化不大，鍋爐總給粉量下降，輸煤電耗、制粉電耗相應(yīng)減少，相對(duì)鋼球消耗量也減少。在摻燒焦?fàn)t煤氣后，NOx、SO2、粉塵產(chǎn)生量相對(duì)減少，一方面有利于環(huán)保參數(shù)的控制，另一方面有效降低了除塵、脫硫電耗和脫硝系統(tǒng)氨耗。

焦?fàn)t煤氣摻燒后，鍋爐穩(wěn)燃效果明顯提升，可有效替代輕柴油的穩(wěn)燃。該電廠#1機(jī)組啟動(dòng)，#2機(jī)組停運(yùn)實(shí)現(xiàn)零用油記錄，在隨后的#3、#4機(jī)組啟停中實(shí)現(xiàn)了零用油，試驗(yàn)和實(shí)踐效果明顯。

7 基于焦?fàn)t煤氣的多燃料耦合摻燒

焦?fàn)t煤氣熱值較高，燃燒性能、穩(wěn)然效果較好，可以有效代替一部分穩(wěn)然煤摻燒，改善燃煤摻燒結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t煤氣資源高效利用，積極探索常規(guī)煤粉爐基于焦?fàn)t煤氣的多燃料耦合摻燒，通過(guò)對(duì)磨煤機(jī)筒體襯板、鍋爐水冷壁及后屏過(guò)熱器等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行性能改造提升，提升鍋爐對(duì)高比例摻燒低值煤的適應(yīng)性，使常規(guī)煤粉爐大比例摻燒低值煤，降低發(fā)電標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)，節(jié)約發(fā)電燃料成本，為地區(qū)煤炭資源綜合利用做出貢獻(xiàn)，推動(dòng)低值煤綜合利用，提高廢棄資源綜合利用效率，從而解決地區(qū)低值煤存量大、消耗難、污染大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn) “資源—產(chǎn)品—廢棄物—再生資源—再利用”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式。

通過(guò)“高熱煙煤+焦?fàn)t煤氣+低質(zhì)煤”摻燒方式，可實(shí)現(xiàn)降低燃油消耗及提升低質(zhì)煤摻燒比例，降低標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)，節(jié)約發(fā)電燃料成本。通過(guò)實(shí)踐，現(xiàn)階段該電廠已實(shí)現(xiàn)摻燒低質(zhì)煤比例達(dá)75%以上，在低質(zhì)煤摻燒比例達(dá)到75%時(shí)，每噸標(biāo)煤價(jià)格降低18元。以2021年36億kWh發(fā)電量耗用115萬(wàn)噸標(biāo)煤計(jì)算，一年可減少燃煤成本2070萬(wàn)元。

8 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該電廠4×300 MW機(jī)組煤粉爐進(jìn)行摻燒焦?fàn)t煤氣改造，鍋爐日常運(yùn)行階段可以用焦?fàn)t煤氣替代部分4000體系穩(wěn)燃煤，緩解高熱值煤采購(gòu)壓力；在鍋爐點(diǎn)火階段、低負(fù)荷或燃燒波動(dòng)穩(wěn)燃階段可以用焦?fàn)t煤氣替代柴油對(duì)鍋爐進(jìn)行直接點(diǎn)火和穩(wěn)燃，實(shí)現(xiàn)零用油啟停機(jī)組；實(shí)現(xiàn)低質(zhì)煤75%的高比例摻燒，有效降低燃料成本；鍋爐摻燒焦?fàn)t煤氣后可以有效解決因煤質(zhì)波動(dòng)導(dǎo)致鍋爐燃燒不穩(wěn)定問(wèn)題，提高鍋爐對(duì)煤質(zhì)變化的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性；可以最大限度利用2.45億標(biāo)立方焦?fàn)t煤氣，解決無(wú)法完全消納引發(fā)的化學(xué)污染問(wèn)題，為區(qū)域環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

通過(guò)常規(guī)煤粉爐摻燒焦?fàn)t煤氣的應(yīng)用，探索出了一條鍋爐在焦?fàn)t煤氣支撐下實(shí)現(xiàn)高比例摻燒低質(zhì)煤的可行之路，不但可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，助推火電企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，而且與貫徹落實(shí)國(guó)家“五大發(fā)展理念”，推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用的要求一脈相承，具有較好的應(yīng)用前景。