循环流化床锅炉点火系统柴油改天然气应用总结

班云福

(山东阳煤恒通化工股份有限公司， 山东郯城 276100)

随着工业经济的不断发展，环境污染问题越来越严重。近年来，雾霾、酸雨等大气污染尤为严重，因此，对大气环境的治理刻不容缓。能源的清洁及高效利用成为环境治理的重要途径[1]。传统的锅炉点火系统普遍采用柴油作为燃料，柴油燃烧后产生大量的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、颗粒物等污染性气体，排入大气会造成大气污染进一步恶化。

天然气是一种安全、经济、环保的优质能源，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生的二氧化碳(CO2)少于其他化石燃料，造成的温室效应较小，故能从根本上改善环境质量。采用天然气点火将有利于降低烟尘排放浓度，解决点火过程中烟气排放不稳定的现象。将锅炉点火系统由柴油改造为天然气可以有效减少污染性气体排放，有效治理大气污染问题；同时，使用天然气后可以降低锅炉点火成本[2-5]。

1 机组概况

山东阳煤恒通化工股份有限公司(简称阳煤恒通)热电厂6台循环流化床锅炉由济南锅炉厂生产，1#～5#炉型号为YG-240/9.8-M1， 6#炉型号为YG-240/9.8-M6，锅炉均采用气泡雾化和机械雾化轻柴油点火系统，配置2支床下点火油枪和3支床上点火油枪，点火油枪喷油质量流量为400～500 kg/h，点火用油由储油罐经点火油泵加压供给。改造前锅炉点火系统使用柴油点火，雾化效果差，燃烧不完全，冒黑烟严重，给周围环境带来严重影响。随着国家对烟气排放标准的逐步提高，该热电厂的尾气排放已不能满足环保要求；燃烧不完全的油渍会污染布袋除尘器滤袋，使滤袋阻力增大，可能造成尾部选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂、脱硫系统的损坏；同时，储油罐长期使用，其底部未及时清理，沉淀杂质较多，点火期间，点火油枪容易出现堵塞，点火油枪雾化效果差，柴油燃烧不完全，导致锅炉床体温度(简称床温)无法及时达到要求的温度，易产生黑烟，烟气排放不达标,从而污染环境。

2 考察论证

为了更好地进行锅炉点火系统改造和调试工作，对比了山东济南鲁能领秀城热电厂(简称领秀城热电厂)和曲阜市圣方热力有限公司热力热电厂(简称圣方热电厂)锅炉使用天然气点火情况,以及设备配置和使用情况。

2.1 领秀城热电厂设备配置情况

领秀城热电厂现有4台新型水煤浆热水锅炉，2台58 MW，2台70 MW(100 t/h)。锅炉点火系统为江阴创捷电器设备有限公司生产的天然气点火系统;由盐城市大丰燃气设备有限公司负责燃气系统安装供气，进厂燃气母管配置Φ325管道，单炉分支配置Φ219管道，2支床下点火气枪配置Φ159管道，每只点火器均配置Φ38的放散管，放散母管配置Φ76管道。点火气枪采用三级点火枪带主气枪结构,三级点火枪为点火小气枪、高能点火枪、离子探枪三枪一体式。高能点火枪由电产生火花，点火小气枪产生的较大火炬(明火)点燃主气枪燃气，离子探枪探测点火小气枪和主气枪的火检信号。点火前，先将燃气管道放散吹扫合格(现场配置3个氮气置换钢瓶，使用氮气置换)，检查各处燃气压力和压缩空气压力。减压站前燃气压力为0.4 MPa，锅炉前燃气压力为220 kPa，减压阀后燃气压力为140 kPa，压缩空气压力为0.7 MPa，压缩空气减压后压力为0.4 MPa。检查试验点火小气枪喷射强度(通过调整压缩空气及燃气配比)，待点火小气枪点火稳定后，投入主气枪(6个)喷头，主气枪燃烧稳定后，退出点火小气枪;若点火失败，需要联锁关燃气总阀，并对燃气管道系统进行放散处理，合格后再重新点火。领秀城热电厂每台锅炉配置2支点火气枪，每次点火需投入2 h，每支点火气枪耗气体积流量为850 m3/h,则单台锅炉点火1次消耗燃气3 400 m3。

2.2 圣方热电厂设备配置情况

圣方热电厂现有3台供热锅炉，其中3#炉为2017年新投运的太原锅炉厂与青岛特利尔环保有限公司合作生产的新型水煤浆供热锅炉，额定热功率为70 MW，额定压力为1.6 MPa。配置6个氮气置换钢瓶，每次点火置换消耗氮气约1瓶。圣方热电厂每台锅炉配置2支点火气枪,每次点火需投入4 h,每支点火气枪耗气体积流量为500 m3/h,则单台锅炉点火1次,消耗燃气4 000 m3。

3 经济性分析

以1台锅炉点火1次为例，阳煤恒通热电厂锅炉采用0#柴油，点火需要6 h。每次消耗柴油12 t，柴油单价为5 700元/t，则柴油费用为68 400元。

如改用天然气点火1次耗气量大约为10 000 m3，燃气单价为3元/m3，则燃气费用为30 000元。改用天然气点火1台锅炉点火1次可以节约资金38 400元，每年6台锅炉点火按12次计算，年可节约资金46万元。

4 改造方案

将天然气从地下引至各台锅炉点火现场，在锅炉风室后左右两侧各布置1台燃烧器，燃烧器采用天然气点火，整个点火系统由组合式燃气燃烧装置、火检装置、燃气点火装置、防爆气动快关阀、防爆压力开关、可编程逻辑控制器(PLC)自动灭火保护控制柜等构成。

原燃烧器为油点火燃烧器，需改为天然气点火燃烧器，需要对燃烧器本体部分进行改造，将燃烧器后部(燃烧风筒)更换为天然气燃烧器，燃烧器前部本体部分可继续使用，不需要更换。

由于燃烧介质为天然气，原火焰检测器为可见光式，不适于天然气点火系统，应改为紫外式火焰检测器。

原高能点火器只适用于柴油点火，为了确保天然气点火的安全性，将柴油点火的两级点火枪改为天然气点火的三级点火枪。

控制柜即点火平台阀组需要全部更换，阀门口径均有较大变化，同时所有设备应采用防爆类型。

4.1 规格及标准

锅炉点火系统改造设备规格型号及数量见表1。

4.2 工艺技术方案

4.2.1 炉前天然气系统

将天然气从热电厂西墙地下引入，顺柴油机房南侧向东铺设，地下铺设管路至各台锅炉现场，将0.4 MPa天然气通过减压阀减压到30 kPa后，引入逐台锅炉炉前，进入锅炉的主管线上设置快速切断阀(电磁阀)、过滤器、气动关断阀、流量计流量调节阀、放散管、取样阀、氮气吹扫系统；从主管线分支管，分别进入2个启燃室。

4.2.2 放散系统

锅炉系统的天然气主管线设置了放散系统，在点火系统退出运行或者故障时，通过放散系统将管道内部天然气全部排放干净。在管线的末端设置阻火器，防止外部明火引燃管道内天然气。

4.2.3 氮气吹扫系统

主管线快速切断阀后、主气枪开关阀后、点火小气枪开关阀后均设置氮气吹扫，根据不同需要可分段进行吹扫，吹扫气体通过主管线上的放散阀排放至锅炉顶部进行排放;当点火结束后，首先自动进行主管线的吹扫,吹扫气体放散到大气，然后分别对各支管进行吹扫。

表1 锅炉点火系统改造设备规格型号及数量

4.2.4 天然气点火系统

天然气点火系统在锅炉风室左右两侧各布置1台燃烧器，燃烧器采用天然气点火。该系统由组合式燃气燃烧装置、火检装置、燃气点火装置、防爆气动快关阀、防爆压力开关、PLC自动灭火保护控制柜、泄漏报警装置等构成。

该系统采用PLC程控柜对系统进行燃烧监控，燃烧器具有自动点火、灭火保护的功能。自动点火功能的最大优点是点火安全性高，点火成功率高：先点燃小流量点火小气枪，在有火检信号的情况下，才打开燃气阀，利用点火小气枪产生的较大火炬(明火)点燃主气枪燃气，成功率为100%;点火时由于点火小气枪气耗非常小，即使未点燃点火小气枪，也不会造成主气枪燃气大量进入锅炉炉膛，再配合火焰检测器的投用，从根本上杜绝了因燃气灭火而造成爆燃的可能性，同时也避免了以往用点火器直接点主气枪燃气失败而造成燃气大量泄漏到炉膛内的情况。灭火保护功能为当燃烧器正常投入使用后，若出现气源故障(流量太小、压力太低等原因)或其他非正常因素导致燃烧器灭火，通过燃烧器喷嘴处设置的火焰检测器，如实反映出燃烧器灭火状态，此时PLC程控柜自动进行灭火保护，系统迅速关断燃气阀及主燃气阀，同时进行吹扫放散，确保锅炉安全可靠运行。

4.3 工程建设投资估算

锅炉点火系统改造投资估算见表2。由表2可以看出锅炉点火系统改造总投资费用约为583万元。

表2 锅炉点火系统改造投资估算表 万元

5 点火试验

5.1 锅炉天然气点火调试过程

1#锅炉自2019年4月12日完成天然气系统安装和调试，4月13日进行点火试验，因减压阀问题受阻，更换减压阀后，将燃气减压阀后压力调整至42 kPa；4月14日早上，调试点火系统，10：00：00 后点火成功，但是烟气SO2含量超标；点火初期天然气调节阀开度20%，逐渐增加到33%，燃气体积流量由初期800～900 m3/h增加到2 000 m3/h，在调节阀开度继续增加到35%时，由于没有及时调节燃气量，造成低压联锁，速断阀关断，导致点火气枪灭火。2019年4月15日再次试验，更换减压阀(由20～40 kPa更换为40～60 kPa)并在减压阀出口增加1根Φ159管道，4月16日经调试，点火气枪点火成功。点火期间09:20:00，进行调节试验，点火气枪前调节阀开度在1%～5%时，减压阀反应滞后，但是仍可以缓慢满足调整需要；当点火气枪前调节阀开度增加到10%，阀后压力低(因减压阀至点火气枪流程太短，该管段内燃气量太少)，造成低压切断。重新点火，在11:30:00左右，因燃气外网故障，切断燃气供应，造成减压站超压(达到0.5 MPa)，燃气安全阀起跳，点火系统因燃气压力下降，床温降低，待燃气供应正常后，锅炉床温升温正常。14:40:00床温升至540 ℃，再次因燃气外网故障，造成送减压站气量切断，减压站进气压力最低降至0.02 MPa(点火器进口最低20 kPa)，体积流量为4 400 m3/h，险些造成锅炉灭火，床温降低150 K。送气恢复后，逐渐增加调节阀开度(A侧最大为51%，B侧最大为56%)，燃气体积流量达到3 185 m3/h，待床温升温至500 ℃时，锅炉投煤成功，点火气枪退出运行。此次锅炉点火共消耗天然气9 800 m3。

5.2 点火试验过程中存在的问题及改进措施

(1) 燃气公司缺少电站锅炉天然气设计及安装经验，设计者对锅炉点火期间用气变化情况了解不充分，其设计不能满足锅炉点火用气调整变化需要。

(2) 天然气管道设计余量不足，减压阀选型低于燃烧器设计需要(原设计要求30～50 kPa,实现为20～40 kPa)且反应滞后运行中不能调节压力，最好改为减压调节阀并实现在微机远程调节。另外减压阀安装位置太靠近点火器且阀后管道较短，给调整时预留的缓冲余量不足，应将减压阀后移，增加减压阀后至点火气枪前的缓冲余量。

(3) 点火期间天然气外网压力波动较大，燃气公司未设置应急预案，无法保证锅炉点火期间用气量需求。

(4) 试车人员准备不足，无点火器及减压阀的使用经验，短时未掌握其使用特点和调整特性。

(5) 燃气点火期间烟气中SO2含量超标，证明天然气中H2S含量高。在锅炉天然气点火送气前，应取样分析天然气成分，保证天然气纯度符合技术协议要求(H2S质量浓度为0～23 mg/m3)，保证锅炉点火期间烟气达标排放。

(6) 点火结束后，减压阀关闭，减压阀前至总管电磁速断阀之间管路无法置换放散，存在盲区。

(7) 锅炉8 m层东北侧电磁速断阀在系统波动时关闭，造成燃气切断，导致联锁无法正常投入。

5.3 锅炉天然气点火的安全措施

(1) 开手动点火阀及三级点火枪上点火小气枪的手动助燃风阀(0.05～0.2 MPa)。

(2) 按下点火按钮(点火器点火设定时间为10 s),同时迅速按下就地控制柜上的开点火气阀(此阀主要用来点燃点火小气枪)。

(3) 点火时间结束后，可通过人工观火孔或离子火焰检测器判断点火小气枪是否被点燃，若小气枪火检无信号，则应立即关闭点火阀。

(4) 当点火小气枪被点燃后(点火小气枪火检有信号)且能稳燃后才可以开燃气阀，即用点火小气枪产生的火炬点燃主气枪燃气，确保点火安全可靠。

(5) 若在2 s内能检测到主气枪火检有信号且能稳燃则说明点火成功，点火小气枪伴烧10～20 s后，按下关闭点火小气枪的燃气阀按钮(助燃风阀可不关)。

(6) 若未能检测到火焰信号，应立即关闭燃气阀并打开放散阀将管道中的气体对空排放，并用蒸汽进行管路吹扫，保证吹扫合格。

(7) 炉膛及水冷风室取样分析，合格后方可再次点火。

6 结语

锅炉天然气点火技术已经成功应用于锅炉点火，燃气燃烧仅生成CO2和水，无明显碳颗粒及其他附着物，燃烧过程不产生黑烟，锅炉烟气达标排放，完全满足环保的要求，节能减排效果显著，有效降低锅炉点火费用。