800 t/h煤粉锅炉改烧天然气技术方案分析

熊 鹏，冉燊铭，李小兵，李家全，李小荣

（1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001）

0 引言

我国现有的能源结构决定了未来一段时间仍以煤炭等化石能源为主，而天然气作为最清洁的化石能源，对环境污染小，碳排放量也要远低于煤炭［1-4］，因此天然气替代煤炭符合国家绿色环保的能源政策，对于碳减排也具有积极的作用。

响应国家环保政策，实施天然气替代煤炭技术改造，将多台煤粉锅炉改造为天然气锅炉。煤粉锅炉如何通过最小的改造工程量来适应天然气的燃烧，并保证锅炉出力和主蒸汽温度不变是技术改造的关键。该项目是对煤粉锅炉的燃烧系统、烟风道系统、钢结构、防爆区域等进行改造，使其能够适应天然气燃烧，锅炉出力和主蒸汽温度不变，并保证锅炉安全稳定运行。

1 锅炉设备情况

锅炉为额定蒸发量800 t/h 超高压参数（无中间再热，主汽压力12.5 MPa，温度540 ℃）的工业蒸汽锅炉，主要为下游炼化提供工业蒸汽。

采用自然循环、单炉膛、平衡通风、固态排渣、尾部单烟道、全钢构架、全悬吊结构、切圆燃烧方式、露天布置、背靠背式煤粉锅炉，锅炉布置如图1所示。

图1 锅炉断面

每台锅炉配两台三分仓回转式空气预热器。每台锅炉设5台中速磨煤机，4台运行，1台备用。燃烧器为四角布置，切向燃烧。每角燃烧器布置有1 层微油，4层一次风喷口，5层二次风喷口，3层燃尽风喷口。

2 技术改造可行性分析

2.1 燃料分析

原设计燃料为比较优质的烟煤（w（Mt）=14.33%，w（Aar）=12.80%，w（Vdaf）=35.96%，Qnet.ar=22.00 MJ/kg），改造后天然气成分和典型指标见表1和表2。

表1 天然气成分体积分数 单位：%

表2 天然气典型指标

天然气热值高，相同锅炉出力下，燃料消耗量更低。天然气基本不含尘，含硫量也更低，因此天然气燃烧更清洁，更环保。

2.2 炉膛适应性

在设计煤粉锅炉的炉膛时，一方面为了防止炉膛结渣，另一方面为了保证煤粉在离开炉膛之前充分燃尽，需要选择合适的炉膛尺寸及炉膛热负荷。

天然气的燃烧速度较快，容易燃烧完全，并且不存在炉膛结渣的情况，天然气锅炉的炉膛热负荷相对燃煤锅炉可以设计得更高，燃气锅炉和燃煤锅炉的炉膛热负荷选取见表3 和表4。在相同锅炉出力下，天然气锅炉的炉膛空间一般比燃煤锅炉要小。

表3 炉膛容积热负荷qV值［5］ 单位：MW/m3

表4 炉膛断面热负荷qF值［5］ 单位：MW/m2

因此，本项目在锅炉出力不变的情况下，改烧燃气后，原燃煤锅炉的炉膛空间能够满足燃气燃烧的需求。

2.3 传热特性分析

燃煤锅炉炉内辐射传热主要是三原子气体（CO2、H2O 为主）和悬浮的固体粒子，而天然气燃烧后烟气中基本没有固体粒子，三原子气体中二氧化碳气体会减少，但水蒸气含量比燃煤要高很多［6］。同时，由于天然气中几乎不含灰，燃天然气时水冷壁管子表面比燃煤更干净，吸热能力更强。所以在相同炉膛空间及火焰中心不变的情况下，燃气锅炉炉内辐射吸热要更多，炉膛出口烟温比燃煤锅炉要低20～29 ℃。

锅炉出力不变的情况下，改烧天然气后，烟气量减少，烟气流速降低，对流吸热会减少。为了保证中低负荷下主汽出口温度达到额定值而不影响下游化工的生产，考虑增加烟气再循环系统来加强对流换热。

2.4 烟风量变化

天然气燃烧速度快，燃烧更充分，过量空气系数（一般取1.10）比燃煤锅炉要低，并且天然气热值更高，在相同锅炉出力下，燃料消耗量更少。因此改烧天然气后，烟气量和空气量均会减少，原回转式空预器受热面面积能够满足烟风换热需求，送风机和引风机裕度也会增加。烟风量变化见表5。

2.5 污染物排放

相比燃煤，天然气燃烧产物更干净，烟气中基本没有SO2和粉尘，可以减少后端除尘器和脱硫设备的运行成本。

天然气中氮的含量很低，燃烧过程中所生成的燃料型NOx很少，一般可以忽略不计，主要以热力型NOx为主［7-8］。天然气理论燃烧温度比燃煤高出较多，可采用分级燃烧技术分散火焰，降低尖峰问题，同时，增加烟气再循环系统也可以降低燃烧温度，减少热力型NOx的生成。预计改烧天然气后，燃烧生成的NOx浓度与原燃煤相比相当或小幅降低，脱硝设备不需要改造就可以满足改燃气后的排放要求。燃烧产物变化见表5。

表5 燃煤与天然气燃烧变化（额定工况）

2.6 热效率

改燃天然气后，受热面不考虑积灰，传热条件更好，过量空气系数减少，排烟温度降低，并且天然气燃烧更充分，没有了固体不完全燃烧热损失。因此，燃煤改燃气后，锅炉热效率可提高至94%以上。

3 改造内容

改造基本原则为炉内受热面尽量不做改动，以缩短改造工期，避免对化工生产线造成影响。

3.1 炉膛改造

炉膛整体不做改造，只涉及局部水冷壁开孔、密封等。

原四角煤粉燃烧器整体更换为天然气燃烧器，燃烧器区域水冷壁弯管需一并进行更换。

再循环烟气引入炉膛下部区域，水冷壁需进行弯管开孔。该处水冷壁现场切割，加工坡口后再与新制弯管管组进行焊接。

改烧燃气后，炉底不再需要进行排渣。对炉底进行密封后，烟气不再串入除渣机，整个除渣机系统可以停运，减少运行维护成本。采用钢板+浇注料的形式密封，并预留一个Φ108 mm的落灰管，供锅炉长时间运行后有落灰需求的时候用。

3.2 燃烧系统改造

3.2.1 燃烧器

改烧天然气后，燃烧器仍采用四角布置，原四角煤粉燃烧器和燃尽风整体拆除，更换为天然气燃烧器和对应燃尽风。

每角燃烧器采用天然气喷口和二次风喷口间隔布置方式。全炉布置5层天然气喷口，共20只天然气燃烧器。天然气喷口周向均布多个主气枪，中间布置一个点火枪。主气枪采用多枪小孔式。

每只燃烧器都配置有一只点火气枪和高能点火器，并设有火焰检测装置。

每角燃烧器上方布置3 层燃尽风喷口，燃尽风喷口可以上下摆动，采用防爆型电动执行器控制。

3.2.2 天然气系统

改烧天然气后，为了布置天然气管道及阀组的方便，原煤粉管道及点火油系统需进行拆除。

天然气进气母管上设置两级调压阀组，分别将进气压力由0.6 MPa调压至0.2 MPa、30～50 kPa，并设有流量计、疏水、充氮、取样、放散。每个进燃烧器的支管上依次设置有手动球阀、调节阀、快关阀组、阻火器，并在支管上设置有放散阀、取样阀及就地压力表。

点火天然气在天然气母管一级调节阀组后引出，点火进气母管上设置调节阀组，点火支管上的阀组及配套仪表、管路系统设置原则与燃烧器燃气支管相同。

3.3 烟道改造

天然气燃烧产生的烟气量比燃煤要少，对流吸热会减弱，为了保证中低负荷下主汽温度达到额定值，增加烟气再循环系统。

再循环烟气从省煤器出口烟道引出，烟温约370～380 ℃，从冷灰斗侧墙水冷壁处开孔引入炉膛，烟气再循环系统如图2所示。

图2 再循环烟气系统

再循环风机按2×60%进行选型，采用液耦调节。再循环风机放置于地面，风机进出口均设置双插板门。为了防止再循环风机停运时出现炉膛烟气反串的情况，增加了密封风系统，密封风接至再循环烟道双插板门中间。

两台再循环风机之间增加了联络烟道，保证两台风机并联运行时的稳定性和安全性。

3.4 风道改造

改烧天然气后，空气量和烟气量均会减少，原三分仓回转式空预器能满足换热要求，因此不需对空预器进行改造，仅对风道进行改造。

天然气燃烧不再需要一次风参与制粉。空预器加热后的热风需都汇入大风箱再分配给各燃烧器及燃尽风。因此，原来去制粉系统的热一次风道需采取封堵措施，新增旁路风道将热一次风引入大风箱入口与热二次风汇合后一起进入大风箱，风道改造如图3所示。

图3 风道改造

一次风机压头比二次风机压头更高，为防止热一次风和热二次风在进入大风箱前汇合处出现乱流或串流，除常规调节挡板外，旁路风道上设置额外的节流孔板进行减压，并在减压后的风道上设置压力测点。通过数值模拟，对汇合处进行流场优化设计。

3.5 钢结构改造

针对新增的天然气阀组、天然气燃烧器等设备，对原来的平台扶梯进行调整或者新增。原来主钢架结构不变。

对悬吊或支撑再循环烟道和旁路风道的钢梁进行增设或者加固。

对燃烧器区域刚性梁进行局部改造调整。

3.6 防爆区域改造

当天然气泄漏后，在空气中的体积浓度达到爆炸极限（5%～15%）［9-10］的范围内，遇到明火、静电、操作不当或者温度达到着火点温度时，就会发生爆炸、火灾事故。因此改烧天然气后，对锅炉的防爆要求会更高。

根据天然气可能出现泄漏的地方，按GB 50058—2014《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》标准，对锅炉进行防爆区域划分，并对防爆区域内的电气设备进行防爆改造升级，按改造工程量和成本最少的原则进行。

改烧天然气后，炉膛及受热面不再需要吹灰，吹灰系统按断电处理。原热一次风道和风粉管道上的执行器、仪表按断电处理。原燃油系统操作台移位并断电处理。除渣系统、灰斗排灰系统按断电处理。在防爆区域内的阀门电动执行器优先考虑移位，若移位工程量比较大，再考虑更换为防爆型电动执行器。火检风机及火检风系统考虑移出防爆区域。新增设备若在防爆区域内均按防爆型考虑。

4 结语

燃煤锅炉改燃气锅炉，符合国家绿色低碳、节能环保的能源政策，在环保要求更高的地区，燃煤改燃气可能会成为一种趋势。

所述改造方案最大程度保留了原炉膛及受热面，改造投资省、改造工程量小。改造后锅炉热效率提高，NOx排放满足环保要求。本改造技术方案可以为后续燃煤改燃气的项目提供借鉴。