浅谈锅炉煤改气设计经验

摘要

本文以某热电厂410t/h锅炉煤改气项目为例，阐述了锅炉煤改气设计内容，总结了改造过程中的一些注意事项，并讨论了煤改气项目实施的可行性及设计原则。通过对改造前后消耗及产出进行比较，推导出天然气价格是影响改造效益的主要因素。

关键词：煤改气；锅炉改造；双燃料燃烧

1 背景

随着中国经济的高速发展，环境污染问题也日益严峻。我国是世界上少有的以煤为主要燃料的国家，燃煤锅炉排烟气中含有粉尘、氮氧化物、硫化物等是造成大气污染的重要因素，国家和地方政府相继出台了一系列政策，限制燃煤锅炉的发展。

在未来 10～20年内，我国的天然气储量将会保持快速增长的势头，为将燃煤锅炉改造为燃气锅炉提供了条件。为实现锅炉污染物达标排放，对现有的燃煤锅炉进行燃气改造，是一种见效快、投资少、切实可行的办法。

2技术改造方案

2.1技术上的可行性

1、一般的燃煤锅炉的炉膛容积热负荷qv≤1256×103KJ/（h·m³），炉膛容积对于燃气锅炉而言，气体燃烧快且充分，燃气锅炉的炉膛容积热强度一般在4180×103kJ/（h·m³），所以燃煤锅炉的炉膛适合燃气的燃烧。

2、燃煤锅炉在其炉膛内的传热主要是靠焦炭粒、灰粒以及三原子气体辐射完成。燃气锅炉烟气中没有固体热辐射，但因为燃气燃烧后的烟气中水蒸气含量高，虽然其二氧化碳含量相应减少，但水蒸气的热辐射能力比二氧化碳强，因此燃气锅炉的烟气总热辐射强度较燃煤锅炉高。

3、从放热形式上来看，燃煤锅炉的高温烟气主要是通过对流的形式进行传热，而燃气在锅炉管束当中的传热与原来的燃煤锅炉差不多（天然气燃烧产生烟气中无粉尘，与换热器传热系数更高）。根据工程经验，改造为燃气锅炉后基本不影响对流传热效果。

2.2改造方案设计原则

将一台410t/h高压煤粉锅炉改造为燃气锅炉，并保留100%燃煤的能力。改造后锅炉在100%燃气工况满足出力380t/h，改造原则如下：

1、改造后的燃气工况要达到原燃煤锅炉产汽的额定参数（蒸汽压力、温度等），保证较高的热效率，且改造后锅炉的排放要达到当地最新的环保标准要求。

2、进行锅炉热力校核计算，对水循环系统和烟风系统阻力等进行核算，结合锅炉设备的现状，尽可能减少项目投资，在满足安全环保要求的前提下进行改造。 

2.3改造方案设计内容

1、锅炉本体改造

在原锅炉各柱子间距、炉膛截面尺寸、顶棚管标高不变的前提下，对燃煤锅炉进行改造。锅炉本体主要改造水冷壁（由于保留100%燃煤能力，过热器、省煤器、空气预热器等对流受热面不进行改造）、炉膛四角部分密封以及炉墙保温等。

锅炉的钢结构需经相关专业机构检查合格后方可继续使用。

2、天然气输送系统

新建天然气减压站、天然气输送管线和炉前天然气系统。主要包括减压站、天然气主管线、调压系统、炉前操作台管线、燃气事故排放系统、氮气吹扫系统、蒸汽伴热系统和配套设施等。

3、制粉系统

现有制粉系统（中间仓储式钢球磨煤机乏气送粉系统）运行状态良好，且改造保留100%燃煤能力，该系统利旧不进行改造。煤粉燃烧器位置调整后，对炉前的输粉管道进行重新布置，以满足系统的接管要求。

4、烟风系统

燃气工况下送风机、引风机的负荷低于燃煤工况，均在风机设计值内。仅炉前风道系统配合燃烧器进行改造，烟风阻力基本没有变化，送风机和引风机不进行改造。

5、SCR脱硝系统

目前锅炉烟气的NOx含量为500mg/Nm3，脱硝效率约为80%；项目实施后，燃煤工况烟气NOx含量为400mg/Nm3，燃气工况烟气NOx含量小于350mg/Nm3，且烟气量与燃煤工况相当，理论上原脱硝系统SCR系统满足改造后使用要求。

6、脱硫系统

天然气含硫量低，经核算燃气工况下锅炉出口烟气SO2含量0.15mg/Nm3，远低于环保排放限值，脱硫系统利旧现有装置，不实施改造。

7、除尘系统

本项目采用电袋复合除尘器。锅炉燃气工况无烟尘产生，因保留100%燃煤能力，故对除尘系统不做调整。

8、锅炉除渣系统

由于燃煤工况没有变化，因此锅炉的排灰渣系统利旧。

9、其他系统

本改造项目锅炉改造前后，锅炉汽水系统、吹灰系统等均没有发生变化，利旧考虑。

2.4改造中的一些注意事项

1、分输站过来的天然气压力4.0MPa，送至炉前减压站减压至0.05MPa。目前采取二级减压，天然气温度由20℃（输气站送过来温度）降至-2℃。为防止低温对人员冻伤及对阀组和燃烧器的损坏，在一级减压站前管道设置蒸汽换热，将减压前天然气温度提高到40℃。

2、天然气是易燃易爆气体，需根据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》在可能的泄漏点设置燃气泄漏检测装置。

3改造后的技术经济比较

3.1 改造后锅炉消耗对比

改造后锅炉在燃煤工况及燃气工况消耗见下表。

表1  锅炉消耗对比表

注：本表中消耗量统一按锅炉出力410t/h考虑。

锅炉在纯燃气工况下，由于制粉、除尘系统停运，自用电量及循环冷却水量大幅降低，其他公用物料消耗基本不变。

3.2 改造后燃煤工况及燃气工况技术经济比较

目前热电厂燃料价格详见表2。

表2  燃料供应价格表

锅炉产410t蒸汽耗煤量为57.2t，核算每吨蒸汽的燃煤耗量为139.5kg，每吨蒸汽折合燃料成本132.5元；锅炉产410t蒸汽耗气量为33700Nm3，核算每吨蒸汽的天然气耗量为82Nm3，每吨蒸汽折合燃料成本262.4元。

同时由表1可知，燃煤工况与燃气工况相比，公用物料仅自用电及循环水耗量大。锅炉产410t蒸汽，燃煤工况比燃气工况多消耗循环水45t，自用电3100Kw·h，折合每吨蒸汽多消耗公用物料成本（45×0.3+3100×0.65）÷410=4.95元。

可见，对改造项目而言，燃气锅炉燃料成本比燃煤锅炉大幅提高（~2倍），而公用物料消耗基本相当（燃气锅炉略少）。

4结论

1、对燃煤锅炉进行燃气改造，符合当前的环保政策和产业趋势，取得良好的环保和社会效益。

2、锅炉煤改气项目在技术上是可行的。燃煤锅炉的炉膛适合燃烧天然气，燃气工况下的辐射传热和对流传热与燃煤工况基本相同。

3、经分析，在目前天然气价格较高的情况下，单位蒸汽燃料成本燃气锅炉比燃煤锅炉高出近2倍，改造为燃气锅炉后企业生产成本将大幅提高。