循環流化床鍋爐點火系統柴油改天然氣應用總結

班云福

(山東陽煤恒通化工股份有限公司， 山東郯城 276100)

隨著工業經濟的不斷發展，環境污染問題越來越嚴重。近年來，霧霾、酸雨等大氣污染尤為嚴重，因此，對大氣環境的治理刻不容緩。能源的清潔及高效利用成為環境治理的重要途徑[1]。傳統的鍋爐點火系統普遍采用柴油作為燃料，柴油燃燒后產生大量的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、顆粒物等污染性氣體，排入大氣會造成大氣污染進一步惡化。

天然氣是一種安全、經濟、環保的優質能源，幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質，燃燒時產生的二氧化碳(CO2)少于其他化石燃料，造成的溫室效應較小，故能從根本上改善環境質量。采用天然氣點火將有利于降低煙塵排放濃度，解決點火過程中煙氣排放不穩定的現象。將鍋爐點火系統由柴油改造為天然氣可以有效減少污染性氣體排放，有效治理大氣污染問題；同時，使用天然氣后可以降低鍋爐點火成本[2-5]。

1 機組概況

山東陽煤恒通化工股份有限公司(簡稱陽煤恒通)熱電廠6臺循環流化床鍋爐由濟南鍋爐廠生產，1#～5#爐型號為YG-240/9.8-M1， 6#爐型號為YG-240/9.8-M6，鍋爐均采用氣泡霧化和機械霧化輕柴油點火系統，配置2支床下點火油槍和3支床上點火油槍，點火油槍噴油質量流量為400～500 kg/h，點火用油由儲油罐經點火油泵加壓供給。改造前鍋爐點火系統使用柴油點火，霧化效果差，燃燒不完全，冒黑煙嚴重，給周圍環境帶來嚴重影響。隨著國家對煙氣排放標準的逐步提高，該熱電廠的尾氣排放已不能滿足環保要求；燃燒不完全的油漬會污染布袋除塵器濾袋，使濾袋阻力增大，可能造成尾部選擇性催化還原(SCR)脫硝催化劑、脫硫系統的損壞；同時，儲油罐長期使用，其底部未及時清理，沉淀雜質較多，點火期間，點火油槍容易出現堵塞，點火油槍霧化效果差，柴油燃燒不完全，導致鍋爐床體溫度(簡稱床溫)無法及時達到要求的溫度，易產生黑煙，煙氣排放不達標,從而污染環境。

2 考察論證

為了更好地進行鍋爐點火系統改造和調試工作，對比了山東濟南魯能領秀城熱電廠(簡稱領秀城熱電廠)和曲阜市圣方熱力有限公司熱力熱電廠(簡稱圣方熱電廠)鍋爐使用天然氣點火情況,以及設備配置和使用情況。

2.1 領秀城熱電廠設備配置情況

領秀城熱電廠現有4臺新型水煤漿熱水鍋爐，2臺58 MW，2臺70 MW(100 t/h)。鍋爐點火系統為江陰創捷電器設備有限公司生產的天然氣點火系統;由鹽城市大豐燃氣設備有限公司負責燃氣系統安裝供氣，進廠燃氣母管配置Φ325管道，單爐分支配置Φ219管道，2支床下點火氣槍配置Φ159管道，每只點火器均配置Φ38的放散管，放散母管配置Φ76管道。點火氣槍采用三級點火槍帶主氣槍結構,三級點火槍為點火小氣槍、高能點火槍、離子探槍三槍一體式。高能點火槍由電產生火花，點火小氣槍產生的較大火炬(明火)點燃主氣槍燃氣，離子探槍探測點火小氣槍和主氣槍的火檢信號。點火前，先將燃氣管道放散吹掃合格(現場配置3個氮氣置換鋼瓶，使用氮氣置換)，檢查各處燃氣壓力和壓縮空氣壓力。減壓站前燃氣壓力為0.4 MPa，鍋爐前燃氣壓力為220 kPa，減壓閥后燃氣壓力為140 kPa，壓縮空氣壓力為0.7 MPa，壓縮空氣減壓后壓力為0.4 MPa。檢查試驗點火小氣槍噴射強度(通過調整壓縮空氣及燃氣配比)，待點火小氣槍點火穩定后，投入主氣槍(6個)噴頭，主氣槍燃燒穩定后，退出點火小氣槍;若點火失敗，需要聯鎖關燃氣總閥，并對燃氣管道系統進行放散處理，合格后再重新點火。領秀城熱電廠每臺鍋爐配置2支點火氣槍，每次點火需投入2 h，每支點火氣槍耗氣體積流量為850 m3/h,則單臺鍋爐點火1次消耗燃氣3 400 m3。

2.2 圣方熱電廠設備配置情況

圣方熱電廠現有3臺供熱鍋爐，其中3#爐為2017年新投運的太原鍋爐廠與青島特利爾環保有限公司合作生產的新型水煤漿供熱鍋爐，額定熱功率為70 MW，額定壓力為1.6 MPa。配置6個氮氣置換鋼瓶，每次點火置換消耗氮氣約1瓶。圣方熱電廠每臺鍋爐配置2支點火氣槍,每次點火需投入4 h,每支點火氣槍耗氣體積流量為500 m3/h,則單臺鍋爐點火1次,消耗燃氣4 000 m3。

3 經濟性分析

以1臺鍋爐點火1次為例，陽煤恒通熱電廠鍋爐采用0#柴油，點火需要6 h。每次消耗柴油12 t，柴油單價為5 700元/t，則柴油費用為68 400元。

如改用天然氣點火1次耗氣量大約為10 000 m3，燃氣單價為3元/m3，則燃氣費用為30 000元。改用天然氣點火1臺鍋爐點火1次可以節約資金38 400元，每年6臺鍋爐點火按12次計算，年可節約資金46萬元。

4 改造方案

將天然氣從地下引至各臺鍋爐點火現場，在鍋爐風室后左右兩側各布置1臺燃燒器，燃燒器采用天然氣點火，整個點火系統由組合式燃氣燃燒裝置、火檢裝置、燃氣點火裝置、防爆氣動快關閥、防爆壓力開關、可編程邏輯控制器(PLC)自動滅火保護控制柜等構成。

原燃燒器為油點火燃燒器，需改為天然氣點火燃燒器，需要對燃燒器本體部分進行改造，將燃燒器后部(燃燒風筒)更換為天然氣燃燒器，燃燒器前部本體部分可繼續使用，不需要更換。

由于燃燒介質為天然氣，原火焰檢測器為可見光式，不適于天然氣點火系統，應改為紫外式火焰檢測器。

原高能點火器只適用于柴油點火，為了確保天然氣點火的安全性，將柴油點火的兩級點火槍改為天然氣點火的三級點火槍。

控制柜即點火平臺閥組需要全部更換，閥門口徑均有較大變化，同時所有設備應采用防爆類型。

4.1 規格及標準

鍋爐點火系統改造設備規格型號及數量見表1。

4.2 工藝技術方案

4.2.1 爐前天然氣系統

將天然氣從熱電廠西墻地下引入，順柴油機房南側向東鋪設，地下鋪設管路至各臺鍋爐現場，將0.4 MPa天然氣通過減壓閥減壓到30 kPa后，引入逐臺鍋爐爐前，進入鍋爐的主管線上設置快速切斷閥(電磁閥)、過濾器、氣動關斷閥、流量計流量調節閥、放散管、取樣閥、氮氣吹掃系統；從主管線分支管，分別進入2個啟燃室。

4.2.2 放散系統

鍋爐系統的天然氣主管線設置了放散系統，在點火系統退出運行或者故障時，通過放散系統將管道內部天然氣全部排放干凈。在管線的末端設置阻火器，防止外部明火引燃管道內天然氣。

4.2.3 氮氣吹掃系統

主管線快速切斷閥后、主氣槍開關閥后、點火小氣槍開關閥后均設置氮氣吹掃，根據不同需要可分段進行吹掃，吹掃氣體通過主管線上的放散閥排放至鍋爐頂部進行排放;當點火結束后，首先自動進行主管線的吹掃,吹掃氣體放散到大氣，然后分別對各支管進行吹掃。

表1 鍋爐點火系統改造設備規格型號及數量

4.2.4 天然氣點火系統

天然氣點火系統在鍋爐風室左右兩側各布置1臺燃燒器，燃燒器采用天然氣點火。該系統由組合式燃氣燃燒裝置、火檢裝置、燃氣點火裝置、防爆氣動快關閥、防爆壓力開關、PLC自動滅火保護控制柜、泄漏報警裝置等構成。

該系統采用PLC程控柜對系統進行燃燒監控，燃燒器具有自動點火、滅火保護的功能。自動點火功能的最大優點是點火安全性高，點火成功率高：先點燃小流量點火小氣槍，在有火檢信號的情況下，才打開燃氣閥，利用點火小氣槍產生的較大火炬(明火)點燃主氣槍燃氣，成功率為100%;點火時由于點火小氣槍氣耗非常小，即使未點燃點火小氣槍，也不會造成主氣槍燃氣大量進入鍋爐爐膛，再配合火焰檢測器的投用，從根本上杜絕了因燃氣滅火而造成爆燃的可能性，同時也避免了以往用點火器直接點主氣槍燃氣失敗而造成燃氣大量泄漏到爐膛內的情況。滅火保護功能為當燃燒器正常投入使用后，若出現氣源故障(流量太小、壓力太低等原因)或其他非正常因素導致燃燒器滅火，通過燃燒器噴嘴處設置的火焰檢測器，如實反映出燃燒器滅火狀態，此時PLC程控柜自動進行滅火保護，系統迅速關斷燃氣閥及主燃氣閥，同時進行吹掃放散，確保鍋爐安全可靠運行。

4.3 工程建設投資估算

鍋爐點火系統改造投資估算見表2。由表2可以看出鍋爐點火系統改造總投資費用約為583萬元。

表2 鍋爐點火系統改造投資估算表 萬元

5 點火試驗

5.1 鍋爐天然氣點火調試過程

1#鍋爐自2019年4月12日完成天然氣系統安裝和調試，4月13日進行點火試驗，因減壓閥問題受阻，更換減壓閥后，將燃氣減壓閥后壓力調整至42 kPa；4月14日早上，調試點火系統，10：00：00 后點火成功，但是煙氣SO2含量超標；點火初期天然氣調節閥開度20%，逐漸增加到33%，燃氣體積流量由初期800～900 m3/h增加到2 000 m3/h，在調節閥開度繼續增加到35%時，由于沒有及時調節燃氣量，造成低壓聯鎖，速斷閥關斷，導致點火氣槍滅火。2019年4月15日再次試驗，更換減壓閥(由20～40 kPa更換為40～60 kPa)并在減壓閥出口增加1根Φ159管道，4月16日經調試，點火氣槍點火成功。點火期間09:20:00，進行調節試驗，點火氣槍前調節閥開度在1%～5%時，減壓閥反應滯后，但是仍可以緩慢滿足調整需要；當點火氣槍前調節閥開度增加到10%，閥后壓力低(因減壓閥至點火氣槍流程太短，該管段內燃氣量太少)，造成低壓切斷。重新點火，在11:30:00左右，因燃氣外網故障，切斷燃氣供應，造成減壓站超壓(達到0.5 MPa)，燃氣安全閥起跳，點火系統因燃氣壓力下降，床溫降低，待燃氣供應正常后，鍋爐床溫升溫正常。14:40:00床溫升至540 ℃，再次因燃氣外網故障，造成送減壓站氣量切斷，減壓站進氣壓力最低降至0.02 MPa(點火器進口最低20 kPa)，體積流量為4 400 m3/h，險些造成鍋爐滅火，床溫降低150 K。送氣恢復后，逐漸增加調節閥開度(A側最大為51%，B側最大為56%)，燃氣體積流量達到3 185 m3/h，待床溫升溫至500 ℃時，鍋爐投煤成功，點火氣槍退出運行。此次鍋爐點火共消耗天然氣9 800 m3。

5.2 點火試驗過程中存在的問題及改進措施

(1) 燃氣公司缺少電站鍋爐天然氣設計及安裝經驗，設計者對鍋爐點火期間用氣變化情況了解不充分，其設計不能滿足鍋爐點火用氣調整變化需要。

(2) 天然氣管道設計余量不足，減壓閥選型低于燃燒器設計需要(原設計要求30～50 kPa,實現為20～40 kPa)且反應滯后運行中不能調節壓力，最好改為減壓調節閥并實現在微機遠程調節。另外減壓閥安裝位置太靠近點火器且閥后管道較短，給調整時預留的緩沖余量不足，應將減壓閥后移，增加減壓閥后至點火氣槍前的緩沖余量。

(3) 點火期間天然氣外網壓力波動較大，燃氣公司未設置應急預案，無法保證鍋爐點火期間用氣量需求。

(4) 試車人員準備不足，無點火器及減壓閥的使用經驗，短時未掌握其使用特點和調整特性。

(5) 燃氣點火期間煙氣中SO2含量超標，證明天然氣中H2S含量高。在鍋爐天然氣點火送氣前，應取樣分析天然氣成分，保證天然氣純度符合技術協議要求(H2S質量濃度為0～23 mg/m3)，保證鍋爐點火期間煙氣達標排放。

(6) 點火結束后，減壓閥關閉，減壓閥前至總管電磁速斷閥之間管路無法置換放散，存在盲區。

(7) 鍋爐8 m層東北側電磁速斷閥在系統波動時關閉，造成燃氣切斷，導致聯鎖無法正常投入。

5.3 鍋爐天然氣點火的安全措施

(1) 開手動點火閥及三級點火槍上點火小氣槍的手動助燃風閥(0.05～0.2 MPa)。

(2) 按下點火按鈕(點火器點火設定時間為10 s),同時迅速按下就地控制柜上的開點火氣閥(此閥主要用來點燃點火小氣槍)。

(3) 點火時間結束后，可通過人工觀火孔或離子火焰檢測器判斷點火小氣槍是否被點燃，若小氣槍火檢無信號，則應立即關閉點火閥。

(4) 當點火小氣槍被點燃后(點火小氣槍火檢有信號)且能穩燃后才可以開燃氣閥，即用點火小氣槍產生的火炬點燃主氣槍燃氣，確保點火安全可靠。

(5) 若在2 s內能檢測到主氣槍火檢有信號且能穩燃則說明點火成功，點火小氣槍伴燒10～20 s后，按下關閉點火小氣槍的燃氣閥按鈕(助燃風閥可不關)。

(6) 若未能檢測到火焰信號，應立即關閉燃氣閥并打開放散閥將管道中的氣體對空排放，并用蒸汽進行管路吹掃，保證吹掃合格。

(7) 爐膛及水冷風室取樣分析，合格后方可再次點火。

6 結語

鍋爐天然氣點火技術已經成功應用于鍋爐點火，燃氣燃燒僅生成CO2和水，無明顯碳顆粒及其他附著物，燃燒過程不產生黑煙，鍋爐煙氣達標排放，完全滿足環保的要求，節能減排效果顯著，有效降低鍋爐點火費用。