张金辉，王祥伟，郭志强，王祥磊
（贵州开阳化工有限公司，贵州 开阳550306）
［摘 要］ 贵州开阳化工有限公司500 kt/a合成氨装置所产0.17 MPa低压燃料气（流量13 000～14 000 m3/h）源自液氮洗系统及氨回收系统，因故长期作为废气排放至火炬燃烧；而合成氨装置配套的4台150 t/h循环流化床锅炉（三开一备）则经常因燃料煤煤质差及供应不稳定等原因运行状况较差。经统筹考虑及可行性分析，决定将低压燃料气引入循环流化床锅炉进行掺烧，且为调节低压燃料气的热值及低压燃料气总管压力，再引一部分变换系统的一氧化碳入低压燃料气总管作为燃料气。目前，循环流化床锅炉掺烧低压燃料气技改方案已完成，计划利用今后系统停车机会予以实施，以实现循环流化床锅炉系统的优质运行，预期将取得良好的节能减排、降耗增效效果。
［关键词］ 循环流化床锅炉；低压燃料气；掺烧；可行性分析；炉前管线布置；燃烧器位置；燃烧器设计；节能减排
［中图分类号］ TK229.6+6［文献标志码］ B［文章编号］ 1004-9932（2019）05-0032-03
0 引 言
贵州开阳化工有限公司（简称开阳化工）500 kt/a合成氨装置配套4台150 t/h循环流化床锅炉（三开一备），满负荷生产时单台锅炉燃料煤用量22.2 t/h，共计耗煤约55 t/h（燃料煤热值4 500 kcal/kg、灰熔点≥1 300 ℃、硫含量≤3%、水分≤3%），所产蒸汽压力为9.8 MPa，满足全厂生产所需。
开阳化工位于贵州地区，煤炭质量、运输等受地理、天气条件制约，经常出现燃料煤质量差、采购价格高、凝冻天气停运等现象，且燃料煤经常达不到设计指标要求，导致循环流化床锅炉操作弹性小且运行困难，常出现给粉机不下煤、蒸汽指标波动、返料器运行超温（1 100 ℃左右）、循环流化床锅炉下渣量大、冷渣机温度高等异常情况。生产中曾出现2台循环流化床锅炉同时高温结焦的现象，导致系统停车长达120 h。
而开阳化工合成氨装置生产过程中会产生约13 000～14 000 m3/h 的低压（0.17 MPa）燃料气，因故长期作为废气排放至火炬燃烧。为实现节能减排，并满足循环流化床锅炉稳定运行的需要，决定将低压燃料气引入锅炉进行掺烧。
1 低压燃料气概况
开阳化工合成氨装置共有2路低压燃料气——液氮洗系统低压燃料气、氨回收系统低压燃料气，汇入低压燃料气总管，其压力为0.17 MPa、温度20～30 ℃，具体情况如下。
1.1 液氮洗系统低压燃料气
第一路低压燃料气来自液氮洗系统。液氮洗系统基于焦耳·汤姆逊效应，利用氮气作为冷媒将氮气降温至-193 ℃后相变成液氮，液氮作为洗涤剂，利用H2与CO、Ar、CH4沸点相差较大的原理，将CO、Ar、CH4从气相中溶解到液氮中，从而达到脱除CO、Ar、CH4等杂质的目的。来自液氮洗氢气分离器Ⅱ（V4002）底部温度为-193 ℃的低压燃料气，依次经过原料气冷却器Ⅰ（E4006）、原料气冷却器Ⅱ（E4005）、高压氮气冷却器（E4004）加热后温度升至20～30 ℃，压力达0.17 MPa，组分（体积分数，下同）为CO 25.98%、CH4 2.27%、（N2+Ar）72%，流量13 000～14 000 m3/h，热值约3 114.96 kcal/m3。合成氨装置设计之初，为节能降耗，气化系统煤粉制备干燥器升温炉用的燃料气一共有2路，一路是变换系统来的一氧化碳，另一路是液氮洗系统来的低压燃料气。实际生产中，由于低压燃料气热值相对较低，导致干燥器升温炉运行不稳定，无法满足煤粉制备工艺所需，故干燥器升温炉长时间以来仅采用来自变换系统的一氧化碳作为燃料气，由此造成液氮洗系统低压燃料气长期作为废气排放至燃料气总管或通过放空阀（PV4012）排放至事故火炬燃烧，导致大量燃料气浪费及污染环境。
1.2 氨回收系统低压燃料气
第二路低压燃料气来自氨回收系统。氨回收系统低压氨闪蒸罐的闪蒸气洗涤除氨后，产生的燃料气并入低压燃料气管网，此路低压燃料气流量112 m3/h、压力0.3 MPa、温度45 ℃，组分为H2 89%、N2 11%。
2 低压燃料气掺烧的可行性分析
2.1 掺烧的可行性分析
结合系统的实际情况，经统筹考虑，开阳化工提出了将低压燃料气送入循环流化床锅炉掺烧的方案。低压燃料气掺烧的可行性分析如下。
（1）低压燃料气物化分析数据见表1。通过对低压燃料气气体组分、热值、压力及燃烧速度等数据的分析，低压燃料气中不含硫或H2S等腐蚀性气体，对燃料气管道、循环流化床锅炉本体不产生硫腐蚀，燃烧后不会产生硫化物，对烟气脱硫等环保设施的稳定运行无影响。
（2）循环流化床锅炉运行或停车期间，在引风机与烟囱效应的作用下炉膛内的压力为微负压，靠近引风机与烟囱一端最低点为-1 819 Pa；循环流化床锅炉掺烧低压烧燃料气时燃烧器出口处为微正压，在燃料气投用与退出时可保证系统的安全性。
（3）低压燃料气中含有72.88%的氮气，作为惰性气体，氮气进入循环流化床锅炉后会变成热量的载体，可减轻粉尘对设备的冲刷，降低循环流化床锅炉返料器与除尘器的负荷，对设备起到一定的保护作用，返料器的运行温度也可降至正常设计指标范围内；同时，由于掺烧了一部分低压燃料气（其燃烧不会产生煤渣），循环流化床锅炉排渣量也会减小，可恢复至正常排渣量。
（4）掺烧低压燃料气后，循环流化床锅炉运行温度可控（炉温可降至正常指标范围），可减少因炉温高生成较多的氮氧化物，同时可减少循环流化床锅炉的热量散失（1 mol氮气与1 mol氧气反应生成NO需吸收43.14 kcal的热量）；此外，烟气脱硫除尘系统除尘器负荷减轻并恢复至正常，可解决副产品酸硫铵含灰量大的问题。
（5）以低压燃料气气量13 000～14 000 m3/h、热值994.42 kcal/m3、全年掺烧300 d计，每小时可节约热值4 500 kcal/kg的燃料煤2.873～3.940 t，每年可节约燃料煤20 685.6～28 368 t，节能降耗效果显著。
总之，通过对低压燃料气组分、热值、燃烧速度、掺烧环境与掺烧后循环流化床锅炉运行状况的分析，温度20～30 ℃、压力0.17 MPa、流量13 000～14 000 m3/h的低压燃料气送入循环流化床锅炉掺烧完全可行。
2.2 低压燃料气掺烧流程
为保证循环流化床锅炉掺烧时低压燃料气总管压力的稳定，并保证掺烧时燃料气热值可达预期效果，在2路低压燃料气——液氮洗系统低压燃料气、氨回收系统低压燃料气的基础上，再引入第三路燃料气——变换工段燃料气洗涤系统的一氧化碳（压力0.17 MPa、温度45 ℃），通过自动调节阀自动或手动调节一氧化碳在低压燃料气总管燃料气中的比例（主系统原料气总量约140 000 m3/h，因而第三路燃料气流量可调范围相当宽），来调节低压燃料气的热值及低压燃料气总管的压力。
低压燃料气系统及掺烧流程见图1（注：图中“4×4”意指每台锅炉有4个燃料气燃烧器，即4台锅炉共16个燃料气燃烧器）。
3 燃烧器位置选取及炉前管线布置
低压燃料气总量为13 000～14 000 m3/h，4台循环流化床锅炉三开一备，则每台在运循环流化床锅炉低压燃料气掺烧量为4 333～4 666 m3/h。为进一步保证循环流化床锅炉运行稳定（不会对床层平面温差造成影响），保证运行、检修时的安全可靠性，采用同水平面4个燃烧喷嘴（直喷式燃烧喷嘴）供气的设计；据流化床燃烧特性，结合低压燃料气压力和热值综合考虑，无需在循环流化床锅炉本体重新设计燃烧器喷嘴的入口，经计算，单台锅炉需布置4个φ500 mm×4 mm的燃料气喷嘴，分别分布在二次风的4个入口，二次风流速控制在20～30 m/s，此时喷嘴燃料气流速约为26 m/s，即可在二次风入流化床处开口配置燃烧器（烧嘴），依托二次风管直接将低压燃料气投入炉膛，实际运行时可根据低压燃料气的实际产量及锅炉床层平面温差选择燃烧器的运行数量及运行方式。
更多内容详见《中氮肥》2019年第5期