三废炉环保节能提标改造运行优化研究

穆彦怀，吕 迪，杨丑伟，张宁波

（晋能控股装置备制造集团天源山西化工有限公司，山西 高平 048400）

引言

目前国内以煤为原料生产液氨、甲醇企业,有的以常压固定床间歇式气化装置生产半水煤气。间歇式气化炉运行过程中，因提升炉温需要产生大量的吹风气,其中可燃成分CH4+H2约占8%～12%,并含有大量的可燃煤粉尘。据不完全统计，每生产1 万t 合成氨约排放250 万Nm3～400 万Nm3可燃气体，接近百吨的煤粉尘，不仅污染周边环境，并造成较大的浪费[1-2]。因此，气化装置须将吹风气进一步回收利用，同时回收仳工生产排放的合成弛放气中可燃成分的显热和潜热，进入三废炉燃烧，为化工生产提供稳定的动力蒸汽及热量，解决吹风气排放存在的环保问题。实现吹风气的综合利用价值，达到节约燃料，降低生产成本，提高产品竞争力，增加经济效益、实现环境效益的目的。

1 项目背景

晋能控股装备制造集团天源山西化工有限公司4060 合成氨尿素项目，即设计产能为年产36 万t 成氨、4 万t 甲醇、60 万t 大颗粒尿素，经过近几年生产系统节能挖潜、升级优化，装置产能不断提升。4060合成氨尿素工程气化装置采用传统常固定床间歇式气化工艺，配置2 800 mm 气化炉32 台，每16 台炉配套一台三废炉运行。在运行过程中存在的问题有：吹风气夹带的粉尘进入U 型水封后，经常将U 封的排水管堵塞；在气化炉停开期间，都需要加水封进行隔离，由于水封溢流口和补水管都在U 型水封的进气段，导致吹风气和水混合从溢流口排出，造成环境污染；三废炉运行中采用皮带给煤机加螺旋给煤机的运行方式，在皮带给煤机向螺旋给煤机转运处，经常会有烟气和粉尘冒出；上述3 个问题导致空气中PM10经常在40 μm/m3～100 μm/m3左右和PM2.5在100 μm/m3～200 μm/m3左右。

根据我国《环境空气质量标准》中规定，PM10一级标准年和24 小时平均浓度限值分别为40 μm/m3和50 μm/m3，二级标准年和24 h 平均浓度限值分别为100 μm/m3和150 μm/m3[3-4]。天源公司三废炉运行不能满足环保要求，必须经过优化升级改造才能达到环保要求。

2 改造目标及方案

改造目标：达到环保排放要求、提高锅炉燃烧效率、降低吨蒸汽燃烧料消耗、改善锅炉操作环境，实际三废炉安全环保经济运行。

2.1 三废混燃锅炉改造前情况

公司有一台75 t/h 三废混燃锅炉，主要燃料为煤、气化炉废渣、气化吹风气、化工生产过程中的驰放气。煤和气化炉渣以1∶1 的比例混合后进入煤仓，经给煤机进入锅炉燃烧，气化吹风气从锅炉上部与空气混合后进入锅炉燃烧，化工生产过程中的施放气从锅炉上部与空气混合后进入锅炉燃烧[5]。

问题一是由于锅炉给煤机系统设计不合理，选用皮带给煤机加螺旋给煤机组合的方式向炉内给煤，导致在运行过程中在大量烟气夹带煤粉从给煤机入口处向外喷出，造成锅炉周围环境扬尘较大。

问题二是气化吹风气水封补水管和排溢流口设计不合理，补水管和溢流口设计在U 型水封同一侧，导致会有少量气化吹风气排出，污染环境。

问题三是U 型水封排水口控制阀和U 型管段连接管太长，在运行中或停开系统期间加水封时，水封排水管也控制阀连接处，每次都会有粉尘把管段堵塞，导致不能正常排水。

2.2 改造方案及思路

要对U 型水封和给煤机系统进行改造优化，达到环保排放要求。

针对第一个给煤系统外喷粉尘问题，首先对给煤机进行选择，现在锅炉采用的给煤机分为螺旋给煤机、皮带式给煤机、往复式给煤机、刮板式给煤机与圆盘式给煤机等，皮带式给煤机主要由壳体，皮带输送，密封空气系统，称重机构，驱动机构，清理机构，断煤及堵煤信号机构等组成，主要通过皮带进行运输工作，运输过程中，通过皮带下的皮带秤完成称重。往复式给煤机主要由底板，架，漏斗，传动平台等组成，体积较小，生产能力较大，主要用于矿井及选煤厂。在使用过程中，底板做往复式直线运动。刮板式给煤机主要由链条，台板，刮板，调节板，链轮，及转动装置等组成，在使用过程中，被运煤落到台板上，然后通过装在链条上的刮板，由刮板刮落入出煤管；刮板式给煤机通过调节给煤机转速和调节闸板位置实现调节给煤量。它可制成全封闭式，煤种适用性较广，但占地较大，运行中当煤压实之后刮板有时浮起，易被煤中木块、石块卡住而断煤。圆盘式给煤机利用调节圆盘转速、内套管位置改变圆盘上的给煤量;调节刮刀角度以改变刮煤量。它具有结构紧凑、密封性好等优点，但遇高水分煤时易产生堵煤和打滑。

经过对各种给煤机的对比后，结合现场实际情况，我们讨论决定在原给煤机系统上进行改造优化，由皮带给煤机和螺旋给煤机的组合，改为去掉皮带给煤机，将螺旋给煤机加长，单独用螺旋给煤机向锅炉给煤，并相应的对煤仓进行技改，合理利用原有的煤仓直段，对原煤仓的斜坡段和下料口进行改造，煤仓斜坡下料口靠近给煤机这一面拉直，煤仓三个面根据实际，以给煤机入口为中心，进行改造，这样煤仓和给煤机就实现无缝对接，满足生产的同时，消除对环境的影响。这样还减少两台皮带给煤机运行，降低电耗的同时，美化了环境。

三废炉DCS 系统及电路系统改造，在原有的给煤系统上进行改造，将皮带给煤调控系统删掉，重新对DCS 进行组态，利用原有的螺旋给煤控制系统进行调节，不增加负荷DCS 费用。

针对第二和第三个U 型水封问题的解决办法：利用系统停运检修期间，将补水管溢流管和排水管进行改造。将U 型水封原有溢流管拆除，在U 型水封的出气口重新开孔，安装溢流管，这样补水管和溢流管分开，分别在U 型水封的进出段上，并且U 型水封的出气段与三废锅炉连接，运行期间为微负压状态，不会对环境造成环境。

针对U 型水封排水管经常堵塞的问题，经过多次向U 型水封加水和排水后观察发现，主要原因是排水管控制阀与U 型水封底部的连接管太长，加水封后，水会将管道里沉积的粉尘冲洗下来，在连接管段积聚，导致连接管堵塞，水封水无法排除。针对这些现象，我们利用系统检修期间，将U 型水封排水管拆除，重新制作新的排水管，并将U 型水封排水管控制阀与U 型水封底部连接管，只留50 mm 的距离，彻底解决U 型水封排水堵塞问题，达到安全稳定运行。

3 改造过程

项目实施过程历经施图设计，对原锅炉炉墙拆除一部分，给煤机重新安装就位后，再对锅炉炉墙进行恢复；在施工现场制作新给煤机，将原煤仓的堆体部分进行拆除，根据图纸设计，在现场重新进行制作安装。将原U 型水封溢流管和排水管拆除，在现场重新进行预制安装。将原皮带给煤机电路系统和控制系统拆除，利用原螺旋给煤机控制 系统进行调节给煤量。经过历时20 天完成改造,实现U 型水封和给煤机投入运行。具体改造前后对比图，如图1、图2 所示。

图1 改造前后给煤机对比图

图2 改造前后水封对比图

4 实施效果

U 型水封和给煤机技改投入运行后，对运行模式进行了探讨，并对三废炉的运行数据进行分析，最终确定U 型水封和锅炉给煤机的运行方式。

4.1 改造前的运行模式

开停三废炉期间，U 型水封补水阀一直保持长开，确保溢流口长流水，来确保U 型水封的正常运行。

三废炉正常运行期间，锅炉给煤由皮带给煤机调整给煤量，螺旋给煤机变频是皮带给煤机变频的2 倍转速运行，改造前现场数据检测见表1 所示。

表1 改造前现场数据检测

4.2 改造后运行模式

U 型水封在开停三废炉期间，由进气侧进水，出气侧排水，保持长流水，现场再没有废气排出现象，彻底解决了环保污染问题。

三废炉给煤机把皮带给煤机去掉后，螺旋加长直接将煤送入三废炉内，彻底解决了烟气和粉尘污染问题，改造后现场数据检测，如表2 所示。

表2 改造后现场数据检测

从表2 中可以看出，三废炉U 型水封和给煤机改造后，现场PM10和PM2.5浓度高，波动大的问题得到彻底的解决。达到改造预期的效果，实现达标排放。

5 结论

天源山西化工有限责任公司三废炉优化提标改造项目避开了投资高、占地大、设备多的改造路线，采用与生产密切联系的系统思维方式，去掉无用的设备，合理利用现有的资源，最终达到安全环保要求，生产也能长周期安全稳定运行。