关于煤化工低热值排放气利用研究

郎慧云

(山西潞安煤基清洁能源有限责任公司，山西 长治 046200)

引 言

近年来煤制烯烃、煤制油、煤制气等煤化工企业在我国迅猛发展，尽管在节能降耗方面做了大量工作，如采用成熟、先进的技术，从源头保证减少放空气的排放，进行必要的废气回收，但由于许多运行参数仍在不断摸索，提高过程中，放空气的排放不可避免。气化装置放空气排放过程中，发现有一部分连续排放、高温、低热值放空气，经初步计算，该放空气平均热值为42 000 kJ/m3,如利用该放空气建焚烧炉，可副产蒸汽。同时，该放空气连续高温排放，不能进气柜回收，由于正常不能进主火炬(流速太小，火炬头内烧)，只可进火炬常年燃烧排放，对环境热污染影响较大。

1 煤气排放参数的确定

煤气化连续排放高温废气排放参数见表1。

从表1可看出，正常生产4台炉运行时，连续排放量30 220 m3/h,低位发热值为5 065 kJ/m3

表1 高温低热值气统计表

主要成分：φ(N2)=41.8%;φ(CO)=14.1%;φ(H2)=22.3%;φ(H2S)=0.003 8%；

加权平均温度：132 ℃～288 ℃；

排放压力：0.02 MPa。

2 处理方案的选择

燃烧一直是处理废气最有效的方法之一，国内外处理低热值气燃烧技术即人为地建造一个稳定的燃烧场，将组分不稳定的低热值气排放气引入燃烧场中，以达到达标排放的目的。

国内废气处理的低热值为410 kJ/m3,锅炉掺烧高炉煤气(热值2 500 kJ/m3)，已是很成熟的技术。为了减少热污染、回收一定能量，建议处理方案如下：

方案1) 煤气化自用，作惰性气发生器原料；

方案2) 送锅炉作辅助燃料；

方案3) 建焚烧炉、余热回收产生蒸汽。

2.1 方案1)

回收废气最佳用途是返回工艺装置作原料或送工业炉作燃料，节约液化气或燃料油。但由于废气成分较复杂，且组份、压力、流量波动范围大，返回工艺装置直接作原料使用有较大难度。

煤气化装置用燃料气主要为煤干燥需热惰性气，主要流程为设置惰性气发生器(又称为热风炉)，燃烧产生不燃的烟气作为惰性气，用回流气量控制使用温度，对煤粉进行干燥。

热风炉设有水冷壁，燃烧温度1 100 ℃～1 300 ℃，对高温低热值气处理极为有利，掺烧低热值气后，燃烧温度可降低到1 100 ℃，有利于回流气冷却混合。

煤气化装置自用废气系统实施没有技术风险、投资少、管理简单，不仅可不用石油液化气，还可减少燃料气耗量3 700 m3/h。

2.2 方案2)

一般热电厂锅炉容量大，适应燃料性强，国内多将回收废气送电厂作锅炉燃料。如，大庆、南京的石化企业就是将回收的废气送热电厂作燃料。煤粉炉掺烧废气时，煤粉与废气在炉膛燃烧时，火焰的辐射成份、炉膛中有效辐射成份的浓度场、燃烧方式及燃烧工况均不同，炉膛吸热量在锅炉受热面中占较大份额，因此，炉膛吸热综合指标的一个重要参数，即炉膛出口烟温的控制成了混烧技术能否过关的关键。所以，只要锅炉炉膛出口温度不变，烟气量基本不变，尾部受热面吸热量可不变，利用煤粉炉掺烧废气方案即可成立。

由于煤粉与废气燃烧特性不一样，废气易被点燃，两者共有特性是不稳定、易灭火、易爆炸，两者混合燃烧爆炸危险性更大。煤粉爆炸质量分数为35%～45%，在这个浓度下有明火就会发生爆炸。废气爆炸下限为10%，废气进炉30 s内就可达到爆炸浓度。可见，废气的燃烧稳定和灭火保护是十分必要的。

由以上分析可知，要保证掺烧废气后煤粉炉能安全、经济运行，必须解决以下问题：

1) 选择合适掺烧比，保证对原锅炉炉膛燃烧场及锅炉整个燃烧工况影响最小；

2) 调整燃烧场，控制火焰中心在合适位置，保证锅炉热力工况不变；

3) 掺气燃烧系统设计应安全、可靠。

按掺烧废气要求，仅需将煤粉燃烧器进行调整。在原燃烧器下部增设废气喷嘴，在下层煤粉喷嘴和废气喷嘴之间增设一个二次风口，保证煤粉和废气二次风的分配。在中二次风和下二次风燃烧器上加设6层导流隔板，同时，将上二次风改为反向偏转结构，以加强火焰的扰动。

锅炉掺烧废气前、后理论值与实际运行值比较见表2。

表2 锅炉掺烧废气前、后理论值与实际运行值比较表

表2证明，废气回收后在燃煤锅炉掺烧技术上是可行的，且实践证明，掺烧废气后，锅炉烧劣质煤不结焦。电厂掺烧废气后，节省劣质燃料煤70 000 t/a；少排灰渣7 000 t/a，同时,少排CO2、SO2等有害物质；

锅炉掺烧废气对锅炉结构尺寸基本没有影响，主要影响烧嘴结构。掺烧废气后，锅炉烟气成分变化不大，烟气净化排放仍然利用原有锅炉的脱硫脱硝及除尘装置。

2.3 方案3)

近年来，随着环保节能意识的加强，国外开发了高效燃烧焚烧炉，针对不同处理介质，设不同温度场组成。为控制燃烧过程中NOx的产生，对燃烧温度分级控制，取得了预计效果。

焚烧炉处理废气属于成熟技术，本项目环保配套焚烧炉一座，后配置助燃空气、废气预热、余热回收副产蒸汽设施一套。

将此废气量25 000 m3/h～40 000 m3/h、废气热值3 347 kJ/m3～6 279 kJ/m3，送到焚烧炉处理。

3 方案比较

参照已建工程，各种方案的比较见表3。

表3 方案比较表

根据表3分析，得出以下结论：方案1) 牵涉到热风炉的改造及工艺调整；方案2) 有备用炉，可利用备用炉不停产改造；方案3) 将焚烧炉燃烧器进行改造，进一步论证改为低热值气对二燃室的影响。综合经济效益及现场场地，建议采用方案1)和方案3)。