煤粉锅炉煤气-煤粉混合燃烧技术改造实践_工程实践

摘要

摘要：对一台75t/h煤粉锅炉进行了煤气(干馏煤气)-煤粉混合燃烧技术改造。除对煤粉燃烧器和受热面进行改造外，增加了煤气输送系统和煤气燃烧系统。在原煤粉燃烧器下方增设了6只

摘要：对一台75t/h煤粉锅炉进行了煤气(干馏煤气)-煤粉混合燃烧技术改造。除对煤粉燃烧器和受热面进行改造外，增加了煤气输送系统和煤气燃烧系统。在原煤粉燃烧器下方增设了6只双通道煤气燃烧器，采用六角切圆倾斜向下布置方式。实际运行中，煤气输送系统能安全可靠运行，锅炉能稳定高效燃烧，热力参数满足要求。

关键词：煤粉；干馏煤气；混合燃烧；煤气输送系统；煤气燃烧系统

Practice on Technical Reconstruction of Multifuel Combustion of CoaI Gas and Pulverized Coal in Pulverized Coal Boiler

WEN Dazhui，CHEN Donglin，XU Huifang，LIU Chuang，LUO Rui，ZHANG Peiwen，GAO Dianqiang，YAN Wenguang

Abstract：The technical reconstruction of multifuel combustion of coal gas(carbonization gas)and pulverized coal is conducted in a 75t/h pulverized coal boiler.In addition to reconstruction of pulverized coal burners and surface heated，a coal gas transportation system and a coal gas combustion system are added.Six coal gas burners with dual passages are installed under the original pulverized coal burners and arranged in hexagonal tangential and tilted down mode.In the practical operation，the coal gas transportation system can be operated safely and reliably，the boiler can be operated stably and effectively，and the thermodynamic parameters meet the requirement.

Key words：pulverized coal；carbonization gas；multifuel combustion；coal gas transportation system；coal gas combustion system

1 锅炉设备及设计背景

内蒙古远兴能源股份有限公司碱湖试验站现有一台SG-75/3.82-M498型煤粉锅炉，是由上海锅炉厂设计制造的中压自然循环锅炉，其主要技术参数见表1。锅炉采用露天布置，配一套钢球磨中间储仓式乏气送粉制粉系统，过热器采用喷水减温器减温，采用直流燃烧器四角切圆燃烧方式燃烧。公司为了充分利用200×10⁴t/a碎煤加氢热解及IGCC多联产项目一期120×10⁴t/a干馏煤转化工程中的干馏煤气，提出了“75t/h煤粉锅炉煤气-煤粉混合燃烧技术改造项目”。该项目中，干馏煤转化工程供给锅炉的干馏煤气设计流量为26000m³/h，低热值为7524～8360kJ/m³，储存在位于锅炉房北偏西方向，直线距离为148m的储气罐中。煤气中各组分的体积分数见表2。

根据公司要求，锅炉改造主要考虑全煤气、全煤粉、煤气-煤粉混合燃烧3种工况，各种工况均应保证锅炉满负荷安全经济运行。其中煤气-煤粉混合燃烧按先煤气、后煤粉的原则，即在完全燃烧煤气后，补充部分煤粉，煤气-煤粉混合燃烧工况应满足的技术指标见表3。为达到公司要求，除对锅炉煤粉燃烧系统及受热面进行改造之外，对增加的煤气输送系统和煤气燃烧系统进行了设计。

表1 锅炉的主要技术参数

额定蒸发量/(t·h^-1)	过热蒸汽		给水		热空	排烟	锅炉	设计
额定蒸发量/(t·h^-1)	压力/MPa	温度/℃	压力 /MPa	温度 /℃	气温度/℃	温度/℃	热效率/%	燃料
75	3.82	450	0.45	150	365	170	88	烟煤

表2 煤气中各组分的体积分数 %

H₂	CH₄	C0	C_mH_n	C0₂	N₂	0₂	其他
123.68	5.62	17.51	0.83	11.96	38.99	0.41	1.0

表3 煤气-煤粉混合燃烧工况应满足的技术指标

过热蒸汽质量流量/(t·h^-1)	锅炉热效率/%	最高排烟温度/℃	过热蒸汽温度
≥70	≥87	≤160	不超温

2 煤气输送系统

煤气输送系统是指将煤气从储气罐输送到锅炉房的管道系统及装置，主要由主煤气管道、管道支架、电动蝶阀、电动盲板阀、孔板流量计、排水器、放散管、蒸汽吹扫管、取样管、人孔等组成^[1～3]。

① 输送管道布置方案

煤气输送系统的最大输气量为26000m³/h，储气罐出口煤气温度为40℃，压力为4～6kPa。根据煤气管道内的推荐流速(12～18m/s)，设计中选定煤气流速为15m/s，计算管径为812.8mm，工程中采用DN 800mm。由于鄂尔多斯年最低气温约-30℃，因此煤气管道采用Q235B牌号的螺旋缝埋弧焊钢管(Φ820×8)。由于该地区土壤较为疏松，因此管道跨距不宜过大，支架不宜过高，综合考虑多种因素，选定支架最大跨距为15m，高度为4m。初步确定的煤气输送系统布置方案见图1，图1中数值单位为m，最终方案经校核计算后确定。

② 热膨胀与支架载荷校核

煤气管道安装地的冬季最低温度约-30℃，管道吹扫用蒸汽温度为130℃左右，因此热膨胀计算的温差为160℃。经计算，煤气管道中ABC段L形自然补偿短臂最小长度为26.71m，则BC段长度32m足够满足ABC段自然补偿要求，CDEF段空间立体自然补偿验算系数为17.39，小于动力管道空间立体管段自然补偿验算上限系数(20.8)，则该管段自然补偿能力也满足要求。因此。管道整体能够满足自然补偿要求，无需设置补偿装置。根据图1所示管道支架布置情况，各支架载荷经校核均满足支架稳定性要求。

③ 阻力校核

根据煤气状态参数及煤气组成，汁算得图1管系中煤气管道的最大阻力为1193.05Pa。储气罐出口煤气压力不仅可以克服煤气管道阻力，而且足以克服各种类型煤气燃烧器的阻力。

④ 方案确定

根据校核计算，初步确定的煤气输送系统布置方案满足动力管道设计要求，确定为最终方案。

3 煤气燃烧系统

煤气燃烧系统是指将煤气从锅炉房外的煤气输送系统引入锅炉煤气燃烧器，使煤气与空气混合、点燃和燃烧的管道系统及相关装置，主要由煤气支管、燃烧器以及快速关断阀、电动调节阀、手动调节阀、膨胀节、放散管、排水器等组成。煤气燃烧系统的布置方案见图2。

锅炉原煤粉燃烧器为四角切圆布置，考虑到煤气燃烧与煤粉燃烧的兼容性和炉内空气动力场的稳定性，煤气燃烧器仍以切圆布置方式为宜。经计算，若煤气燃烧器采用布置在原煤粉燃烧器下的四角切圆燃烧，则要求原煤粉燃烧器下层喷嘴至运行层的间距应不小于1000mm，而实际间距仅有700mm，四角切圆方案难以实现。因此，煤气燃烧系统最终采用六角切圆布置方式，其中4只煤气喷嘴直接布置在煤粉喷嘴下部，另外2只煤气喷嘴布置在左右侧墙的中心，主煤气输送管道进入锅炉房后分为两根煤气分管道布置于锅炉两侧，每根分管道再各分出3根支管连接煤气燃烧器，见图2。为扩大切圆直径，增加受热面的吸热量，降低火焰中心位置，煤气燃烧器出口轴线分别在原煤粉燃烧器喷嘴出口轴线方向上水平向外偏转20°，向下偏转20°。改造前后燃烧器布置见图3。综合考虑低热值煤气着火与燃烧的稳定性及火焰的长度，煤气燃烧器采用双通道煤气喷嘴，具有部分预混作用，喷嘴出口煤气流速约32m/s，空气流速约35m/s^[4^～7]。

4 煤气安全保护

为防止锅炉运行系统断电、送引风机故障及煤气压力过低等工况引起管内煤气回火、炉内煤气外泄及炉膛灭火等事故，需实施煤气快速关断阀连锁保护。即从送、引风机的接触器、压力变送器上引出信号线，与快速关断阀上相关的继电器连接，实现信号反馈，在事故工况下实现快速关断阀的自动快速关断，切断煤气供应。各路保护信号通过继电器及时反馈到煤气快速关断阀的PLC控制单元，从而实现对煤气输送系统和燃烧系统的安全保护。

煤气快速关断阀主要有气动和液动两种执行方式，均能在1s内快速响应。由于该锅炉房现场没有压缩气源，且购置气体压缩设备的费用较高，经技术经济比较，选用液动快速关断阀，安装在锅炉两侧的煤气分管末端。液动快速关断阀由主阀、齿轮齿条油缸传动装置、液压系统、电气控制系统4部分组成，各部分高度集成为一个整体，既节约了空间，又节约了成本。快速关断阀的电气控制系统由操作元件、控制器、显示器和报警单元及电控柜组成，电控柜内自带DC24V电源，即使意外停电，也可照常控制快速关断阀启闭。

5 应用效果

该项目除对新增的煤气输送系统和燃烧系统进行设计改造外，还将锅炉四角的原煤粉燃烧器整组(一次风与二次风喷嘴)向下倾斜8°～10°，将凝渣管和省煤器的受热面积分别增加了22、97m²。整体改造完成后，在全烧煤气、煤气-煤粉混合燃烧(煤粉与煤气热量掺烧比例为1：4)、全烧煤粉3种工况下，对锅炉主要运行参数进行了实测，实测结果见表4。

表4 改造后锅炉主要运行参数实测结果

工况	蒸汽质量流量/(t·h^-1)	排烟温度/℃	锅炉热效率/%
全烧煤气	59	158.7	87.3
煤气-煤粉混合燃烧	77	155.2	90.9
全烧煤粉	81	146.9	92.1

改造后锅炉在3种工况下的主要技术指标均达到了要求，煤气输送系统能够安全可靠运行，锅炉能够稳定高效燃烧。这说明该75t/h煤粉锅炉煤气一煤粉混合燃烧技术改造中煤气输送系统及煤气燃烧系统的设计是成功的。

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(本文作者：文大缀¹ 陈冬林¹ 徐慧芳¹ 刘创¹ 罗睿¹ 张培文² 高殿强² 燕文广² 1.长沙理工大学能源与动力工程学院湖南长沙 410114；2.内蒙古远兴能源股份有限公司碱湖试验站内蒙古鄂尔多斯 017314)