兖州煤业榆林能化有限公司 榆林 719000
摘要:兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂通过对国内可燃废气送入锅炉装置掺烧自动控制系统进行调查分析，从锅炉结构、工艺流程、控制方案等方面进行深入的分析研究，开发了锅炉引入可燃废气掺烧的工艺流程和控制方法，并在实际应用中获得了成功，经济效益显著。
关键词:煤粉锅炉 可燃废气 自动控制 联锁保护
1.背景
能源化工或石油化工企业在生产过程中产生大量的可燃工业废气，而这些大型企业一般都建设有自备热电装置，部分企业将可燃废气送往热电装置锅炉系统掺烧，但由于工艺技术不成熟，安全无法得到有效保障；大部分企业将可燃废气送往火炬装置进行燃烧排放，造成了能源浪费。
兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂600kt/a甲醇合成装置正常生产过程中产生大量的甲醇驰放气，其中氢气体积含量在67%左右，一氧化碳含量在3%左右，热值在2100kcal/Nm3以上。甲醇合成装置可燃废气除部分用于气化、硫回收装置外，富余部分直接送往火炬装置燃烧排放，流量为3000～3500Nm3/h，造成极大浪费。对此，兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂在煤粉锅炉掺烧可燃工业废气系统中成功开发应用了自动控制系统和氮气安全隔离系统，实现了异常情况下燃气系统联锁控制自动退出且燃气系统能够与锅炉系统可靠隔离。
2.研究内容
2.1锅炉装置掺烧化工可燃废气的可行性研究
热电装置采用DGJ260/9.8-I1型锅炉是由东方锅炉厂按燃用烟煤设计和制造的煤粉锅炉，采用中速磨直吹制粉系统送粉，单炉膛四角切圆燃烧、固态排渣、π型布置的自然循环煤粉锅炉。锅炉为室外布置，紧身封闭。前部竖井为炉膛，四周布满水冷壁。在炉膛上部锅炉出口处布置全辐射式大屏式过热器，折焰角上方布置高温过热器，水平烟道布置低温过热器。过热器采用两次混合，一次左右交叉，两级喷水减温。锅炉炉膛、过热器采用全悬吊结构。尾部竖井从上到下交叉布置两级省煤器和两级管式空气预热器。炉膛、过热器区域及省煤器区域装有蒸汽吹灰装置。
燃料经筛分、破碎后送至锅炉炉前原煤仓，经耐压式计量给煤机送入中速磨煤机，经磨煤机磨制的煤粉由热风干燥后送至粗粉分离器，小部分不合格煤粉经粗粉分离器分离后回到磨煤机，大部分合格的煤粉经煤粉分配器和送粉管道被送入分布在炉膛四角的燃烧器进入炉膛燃烧。
燃烧设备为四角布置，切向燃烧，水平浓淡直流式煤粉燃烧器，假想切圆直径为Φ606mm。每角燃烧器共布置9层喷口，其中有3层一次风喷口（一层备用，一次风喷口四周布置有周界风），4层二次风喷口，下二次风喷口内布置有高能点火装置和稳燃油枪，最下层预留有化工可燃废气喷口。
化工可燃废气喷口上侧预留有二次风口，可实现可燃气体同空气的充分混合；同燃烧器、稳燃油枪相比可燃废气喷口位于最下层，可防止燃气同空气混合后燃烧不充分进入过热器及省煤器区域形成爆炸性气体。
经分析，预留化工可燃废气喷口和二次风口设计合理，可以满足锅炉掺烧可燃气工艺要求。
2.2化工可燃废气送入锅炉掺烧的可行性研究
甲醇合成可燃废气压力为： 0.3～0.6MPa
甲醇合成可燃废气组成(mol%)为：
H2:67.0±8.0 CO：3.0±1.5 CO2:2.0±1.5 CH4：4.0±2.0
N2：18.0±3.0 Ar：4.0±1.5 CH3OH：210±100ppm H2O：740±200ppm
（1）经过计算，每标准立方米废气热值在2100千卡以上，具备回收利用条件。
（2）在气化装置双炉满负荷运行工况下，甲醇合成装置产生了的工业废气，直接送往火炬装置燃烧排放的气体流量范围3000～3500Nm3/h，锅炉单元掺烧的工业废气平均气量以3200 Nm3/h计，其热值以2100kcal/ Nm3计，甲醇厂燃料煤热值为6000kcal/kg计，则每小时掺烧工业废气提供的热能相当于1.12吨燃料煤提供的热能，具有进行化工可燃废气送入锅炉掺烧课题研究的必要性。
（3）正常工作状态下，锅炉炉膛为负压，甲醇合成驰放气压力为0.3～0.6MPa，经过减压后具备送入锅炉燃烧的条件。
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2.3工艺及安全控制系统的可行性研究
进入炉膛后，气体燃料的着火和燃尽时间都远低于煤粉，而火焰传播的稳定性和速度则要高于煤粉气流。气体燃料比重小、扩散快、易混合均匀、流动压损小等优点，但同时也具备易爆且大多具有毒性，使用中对控制措施和安全要求较高。针对可燃工业废气同煤粉在锅炉内燃烧特性的差别，课题组提出了保证安全燃烧的相关要求，并逐一进行研究解决。具体内容如下。
（1）在可燃工业废气送入锅炉前，需对管道的置换，以避免燃气与空气混合形成爆炸性气体。经过研究，解决措施为：新增一条氮气管线，由热电街区外引入氮气作为置换气源，在燃气送入锅炉前先对管道进行氮气置换，置换合格后再向锅炉内输送燃气。
（2）在燃气系统从锅炉中退出运行时，需对燃气系统与锅炉系统的隔离，避免燃气因阀门内漏进入锅炉中。经过研究，解决措施为：燃气切断阀采取双阀配置，两阀之间接入氮气管线，阀门关闭后，两阀之间充入氮气，氮气压力高于燃料气压力，实现燃气系统与锅炉系统隔离。
（3）锅炉运行中出现自动保护措施（MFT）动作、可燃气体泄露、氮气系统故障时，燃气系统要快速退出。经过研究，解决措施为：通过设置联锁保护系统完全可实现运行过程中燃气系统的快速退出。
经过初步估算实现单台锅炉掺烧可燃工业废气需要I/O接口50个左右，热电装置DCS系统预留接口余量满足其接入条件。
2.4工艺及控制流程
2.4.1燃气燃烧器的选型
锅炉最下层预留化工可燃废气喷口内径为142mm，喷口长度为2000mm，为保证可燃废气能在锅炉内稳定燃烧，安装有不锈钢材质燃气燃烧器，燃气器头部安装气体分布器，燃烧器外径为140mm，壁厚为5mm，安装长度为2000mm，燃烧器与锅炉采用法兰进行连接。
根据《工艺系统工艺规程设计规定》（HG/T20570）中表2.0.1中的规定，表压低于0.27MPa的煤气设计流速为8～12m，可燃废气送入锅炉燃烧必须经过减压后才能送入锅炉，减压后的可燃废气压力低于0.2MPa，设计流速取10m，经过计算单只燃气燃烧器每小时最大可输送950Nm3可燃废气，在一台锅炉安装四只燃气燃烧器即可满足回收全部可燃工业废气的能力。
2.4.2工艺流程
从燃气母管引出四条燃气支管接入炉膛四角，即每支燃气燃烧器分别对应一条燃气管线，每条燃气管线各设置两个气动切断阀门，配套惰性气体管线用于置换和吹扫使用，氮气系统亦装有气动切断阀门以保证系统的正常开停车。
在原四角燃烧器最下层二次风道燃气接口中各插入一只燃气燃烧器，四只燃气燃烧器分为两组，对角两只为一组，根据系统可燃气量投用一组或两组燃烧器，燃气燃烧器不单独设计点火器，只是在锅炉燃烧煤粉正常时投入燃气掺烧，在锅炉启炉、停炉及燃烧不稳定时不进行燃气掺烧，即燃气系统不脱离燃烧煤粉单独运行。
2.4.3控制流程
（1）燃气启动程序。在控制系统中点击“燃气启动”按钮，此时惰性气体切断阀1自动打开吹扫一段时间后该阀门关闭，同时燃气切断阀1打开、惰性气体切断阀2关闭，一段时间后燃气切断阀2打开，燃气系统投入运行。
（2）燃气退出程序。在计算机系统中点击“燃气退出”按钮或工艺运行条件不满足燃气系统运行时，燃气切断阀2自动关闭，同时惰性气体切断阀1和惰性气体切断阀2自动打开，吹扫置换一定时间后，燃气切断阀1和惰性气体切断阀1关闭，燃气系统退出运行。
（3）联锁保护程序。为保护锅炉安全，燃气系统设置炉膛压力、锅炉MFT动作、氢气泄漏、燃气压力、炉膛温度等保护联锁，上述全部条件满足燃气系统开车时，系统方可投入运行，当上述任一条件满足燃气系统停车时，燃气系统则自动退出运行。
3.经济效益分析
锅炉单元掺烧的甲醇驰放气平均气量以3200 Nm3/h计，其热值以2100kcal/ Nm3计，燃料煤热值以6000kcal/kg计，则每小时掺烧驰放气提供的热能相当于1.12吨燃料煤提供热能。按照年操作7200小时计算，煤价以每吨300元计，每年节省燃煤消耗可产生的经济效益为241.9万元。
4.主要应用效果
通过近两年的运行情况看，化工系统可燃废气能够全部送入锅炉系统掺烧，平均每小时回收可燃废气3200Nm3以上，采用自主开发的煤粉锅炉掺烧可燃工业废气自动控制系统，并在实际应用中获得成功，系统安全可靠，运行稳定，达到了预期目标。
论文作者:孙景泉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第7期
论文发表时间:2018/8/2
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