工业废气在循环流化床锅炉中的掺烧应用

张 丹

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150046）

本文要介绍的是北京东方石油化工有限公司，该公司是20世纪90年代建成的，目前该工厂的乙烯装置规模为16万t/y，其在日常运行中所产生工业废气总量大概在4 000m3/h，工厂的日常低位发热量在25 116kJ/m3，所以对工厂来说，这些废弃的再次回收利用具有很高的价值。尽管该工厂最近几年已经对于所产出的废气进行更合理化的处理，但还是出现大量的火炬气只能通过火炬管网燃烧后就直接排入周围大气中，这样的做法对工厂周围环境产生的影响是比较不好的，此外，还增加了东方乙烯装置能源消耗的部分。所以，企业通过多方面的考量决定对工厂中的流化床锅炉进行优化改造，把工厂中剩下部分的火炬气引入到如今电厂中的两台循环流化床锅炉中，对废气进行回收利用处理，这能大幅降低工厂中对于乙烯装置能耗、生产成本的投入，从而最终实现企业经济效益的提高。

1 装置的情况

现存于东方化工厂中的两台锅炉的型号是CG-75/3.82-MX10，关于该装置的详细设计参数为：额定蒸发量为75t/h，额定蒸汽压力为3.82MPa，其额定蒸汽温度约为450℃，锅炉给水的温度为104℃，锅炉的连续排污率大概在2%左右，冷风的温度为20℃，其中，一次风热风温度大概在100℃左右，二次风冷风温度大概在180℃，排烟温度为150℃，锅炉设计的热效率为89%左右，炉膛截面为3 410mm×5 630mm，锅炉的净高在21 500mm左右，锅炉中采用的高温水冷旋风分离器，且设计燃用煤种都是优质烟煤，每一台锅炉燃烧量为10t/h。其中火炬气指的是工厂的乙烯装置生产过程中产生的工业废气，并且在其工业分析中：水分约为2.8%，灰分约为12.35%，挥发分约为33%，固定碳约为58%。对其中的元素进行分析：碳约为71%，氢约为3%，氧约为8%，氮约为0.7%，火炬气的主要成分是甲烷和氢气，大约占70%左右，并且工厂为了能对火炬进行再次回收利用，新建了一个浮顶气柜和一台低压燃气锅炉，但这两台设备对火炬气的回收利用率也才25%，回收利用量还是达不到要求。

2 对锅炉掺气进行改造的原则

①改造后的锅炉在锅炉出力，热效率以及主要工艺参数等方面都要与以前基本保持不变，改造完成后的设备不能影响循环流化床锅炉循环流化燃烧的炉内动力场，除此之外，也不可以影响炉膛出口水冷旋风分离器，以及锅炉尾部设备的正常使用。②由于锅炉是一种特殊的设备，因此，对于锅炉的总体结构是不能改变的，尤其是锅炉的受热面结构，必须保证最后的系统能够实现简单实用的目的。③改造完成后的锅炉应该具备一套独立的燃料气供气系统及仪表控制系统，这两套系统必须相互独立，但在锅炉的安全保护方面又能做到相互联系。锅炉最后的主要功能是掺烧火炬气，所以改造完的锅炉的安全等级必须有所提高，对锅炉进行改造时，必须严格遵守燃油燃气的规范，进行相关操作。④改造完的锅炉的热负荷调节方式不能改变，必须保证其仍然使用燃煤进行调节，且掺烧火炬气的系统依然采用定烧方式，锅炉中燃气系统的调节也依旧是靠停运、投运质量部的燃烧器方式运行的。⑤改造完的锅炉在使用时要尽可能达成燃烧器火炬可以充满整个炉膛空间，并且能够让火炬保持在炉膛的中心位置，让锅炉中的火焰能够在炉膛横截面周围均匀地伸展开来，在对火炬气进行掺烧的过程中不能发生火焰直接对炉管进行冲刷的情况。

3 掺烧改造的主要系统

3.1 火炬气回收和供气系统

实现火炬气回收利用的主要基础是火炬气回收以及其供气系统，目前的石油化工行业对于其产生的工业废气的各个方面都不能够达到直接利用的条件，所以石油化工企业必须先建立起一整套比较完备的废气回收、加压以及处理系统。该系统通常情况下，主要有气柜、燃气压缩机、气水分离以及过滤装置等。首先，工厂中所生产的废气必须集中在临时储存的浮顶式气柜中，该气柜还必须具备可以增加燃气系统的缓冲容量，这样可以保证整个回收系统的稳定性，在燃气压缩机加压到0.45MPa时，再次经过汽水分离装置，实现燃气中的水气分离，对其中的杂质进行过滤，并且气水分离装置必须安装两个，一个在燃气压缩机出口，另一个在用户端火炬气阀组前面，随后经过减压至120kPa，再通过相关调节装置，将火炬气压控制在60kPa左右，最终废气在燃烧器中得到充分的燃烧，接着进入到锅炉参与热交换。

3.2 燃气燃烧器

锅炉中的燃气燃烧器是对火炬气进行掺烧的核心，因此，燃烧器改造的成败与之后锅炉进行掺烧时的安全与稳定直接相关联，在原有锅炉的燃烧系统基础上，锅炉改造成单独的火炬气燃烧器，将预混方式，对火炬气与空气按照比例进行混合后，经过专门的点火烧嘴火焰式进行点燃，这样可以充分保障火炬气能够完全燃烧，以防火炬气发生爆燃的情况。除此之外，燃烧器采用预混或者半预混的方式，不论哪种方式都可达到火焰刚强，实现废气在锅炉的火墙中能够在其内部进行全面掺烧的目的。

3.3 PLC控制系统

对于锅炉中PLC控制系统的选用，经过多方面的考虑，最终选择了西门子公司的PLC控制系统。锅炉的控制系统在改造时，必须严格遵守电力规范。设计的内容主要是：锅炉中火炬气燃烧器的自动程序点火方面，设计成既可以在盘上进行遥控操作，也可以工作人员在现场中进行手控操作；改造完的锅炉必须实现对火炬器火焰进行监测，这样可以确实保证锅炉掺烧火炬气后的各项安全性，要提高工作人员在操作时的灵活性，锅炉中新增加的火炬气控制系统以及DCS控制系统，二者能够做到在控制和调节方面彼此独立，但在连锁保护方面，二者却相互联系。如此一来，尽管锅炉的相关系统出现停止等意外情况，锅炉的燃烧系统也不会受其影响，还能够投入到废气掺烧过程中。

4 锅炉中需要重点关注的问题

4.1 锅炉掺烧后的安全性

锅炉的安全性能方面是必须得到重视的，一旦安全性能得不到保证，将会出现财产损失以及人员伤亡的事件。因此，为了切实保证锅炉掺烧火炬气过程中，以及掺烧后的运行安全，对火炬气管路等改造，必须严格遵守燃气规范进行操作。对锅炉中的各种仪器、各种切断阀和调节阀都应该采用防爆型，并且在锅炉运行的周围现场还应该布置一定数量的可燃烧气报警仪器，对于设备的各种管线阀门也必须严格进行接地处理，也必须将锅炉中的燃气流速严格控制在正常范围之内。锅炉的各项程序控制应该有比较完善的自动点火和炉膛火焰保护监视系统，并且该程序是人为无法进行干预的。锅炉进行掺烧时，一旦出现掺烧的燃气气压过高或者过低，燃烧的火焰出现熄灭等情况时，能够保障火炬气燃烧器会出现自动退出运行，与此同时，锅炉还会关闭火炬气的总阀，以及各个分支阀，这样才能切实保证锅炉在掺烧后的各项安全。

4.2 锅炉掺烧比例的确定

目前，锅炉掺气比例越高，则企业在废气回收利用中所产生的经济效益也会相对比较高，但如果锅炉掺气的比例过高，对锅炉的各个方面所产生的影响是比较大的，也会影响到锅炉的安全稳定性。锅炉中使用的燃料如果不同，就会对锅炉的炉内传热和炉膛出口烟气温度造成影响，所以锅炉在燃烧时必须保证燃烧气体燃料要比燃烧煤时炉膛出口温度要高出约50℃。除此之外，由于燃煤以及燃气存在较大的不同，锅炉燃烧中所需要的空气量，以及燃烧后所产生的烟气量也有较大不同，因此对锅炉掺烧比例的确定，对于锅炉运行稳定性有较大帮助。

4.3 锅炉掺烧位置的选择

要想切实保障火炬气燃烧烟气和原有的燃烧烟气能够进行充分良好的混合，应避免锅炉对废气进行处理时，造成破坏炉内正常烟气流动工况，或者是锅炉中的火焰对燃煤硫化燃烧的影响，因此，必须将火炬气燃烧器安至于炉膛中部上排二次排风封口的地方，这样能够有效让预混气体进入炉膛中。并且锅炉原本的上排二次风应该安置于两侧墙上，每侧墙各三只，在火炬气燃烧器尺寸以及数量的选择方面，必须以二次风口尺寸和数量为考量标准。

5 锅炉改造完成后的效益

5.1 经济效益

改造后的锅炉能够对火炬气进行掺烧，让企业能够直接取得经济效益，主要包括企业在废气回收利用上而带来的节约燃煤所产生的效益，以及企业减少煤使用过程中对于节约脱硫剂方面所取得的效益。通过相关数据的计算，两台锅炉每年可以为企业节约燃煤中取得的经济效益在1 470万元左右，在帮助企业节约石灰石方面上所创造的经济效益为10万元左右，所以，企业的两台锅炉在进行掺烧工业废气中，每一年能够为企业带来的经济效益直接超过1 000万元。

5.2 社会及环保效益

企业对火炬气进行回收利用，可以大幅减少火炬气因为直接排放而造成工厂周围环境的不利影响，主要包括工厂周围的燃烧噪音，各种污染物的排放，以及工业灰渣污染。与此同时，企业还消除了火炬燃烧后对社会所造成的种种负面影响，从而改善了人们原本心目中工厂不好的形象。

6 结束语

通过实践有效证明了东方化工厂通过对锅炉进行改造后，在工业废气的回收利用方面是成功的。东方化工厂的两台循环流化床锅炉在进行一系列改造后，对于工厂所产生的火炬气的掺烧，能够为企业带来种种效益。锅炉在进行掺烧火炬气之后，锅炉中的燃煤系统和燃气系统都能够比较稳定的运行，锅炉中的联锁保护和相应的控制系统的运行也是相对稳定的。就算锅炉的燃烧器突然出现退出的情况，只要对锅炉的各项系统进行及时的调整，也不会对其运行造成比较大的影响。因此，工厂对所产生的工业废气进行掺烧利用是一条可走之路。