斯 俊，馬 艷，趙漢成

（1.浙江能源伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆 伊寧835000；

2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州310018）

某公司20 億m3/a 煤制天然氣項(xiàng)目是“十二五”煤炭深加工國(guó)家示范項(xiàng)目，采用碎煤加壓氣化技術(shù)，生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生各種大量含H2S的酸性廢氣（如低甲酸性氣、煤氣水酸性氣、酚回收酸性氣、汽提氣、閃蒸氣），采用克勞斯硫回收工藝和尾氣外送氨法脫硫工藝進(jìn)行無害化處置。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，這種處理方法存在諸多問題：如酸性氣成分變化，導(dǎo)致硫回收工況不穩(wěn)定，回收尾氣成分復(fù)雜，嚴(yán)重影響氨法脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]；硫回收后尾氣含塵質(zhì)量濃度達(dá)250 mg/m3以上，導(dǎo)致脫硫漿液惡化和煙氣中的煙塵排放超標(biāo)；硫回收反應(yīng)過程中產(chǎn)生部分NOx，對(duì)鍋爐煙氣超低排放造成不良影響[2]。而在現(xiàn)有技術(shù)條件下，很難通過改造和運(yùn)行調(diào)整，達(dá)到滿足氨法脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行的要求，因此必須通過其他方法對(duì)酸性氣體進(jìn)行處理。

若將酸性氣入煤粉鍋爐摻燒，則鍋爐可以替代硫回收裝置，還可以實(shí)現(xiàn)煙氣的達(dá)標(biāo)排放。因此該公司聯(lián)合某高校研究中心開展了酸性氣入煤粉鍋爐摻燒的可行性研究，并在相關(guān)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，于2018 年進(jìn)行了煤制氣項(xiàng)目酸性氣入煤粉爐摻燒的改造，取得了良好的效果，投運(yùn)半年多來，鍋爐運(yùn)行未產(chǎn)生明顯不良影響，結(jié)渣情況可控，氨法超低排放脫硫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定并且煙氣實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，鍋爐運(yùn)行節(jié)煤效果明顯?，F(xiàn)將酸性氣入煤粉鍋爐摻燒改造和運(yùn)行情況介紹如下。

1 原酸性氣體處理工藝

該項(xiàng)目工藝過程中產(chǎn)生的酸性氣主要成分及流量見表1。

表1 酸性氣主要成分及流量

該項(xiàng)目酸性氣體處理采用的克勞斯硫回收工藝和尾氣外送氨法脫硫工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 克勞斯硫回收工藝和尾氣外送氨法脫硫工藝流程示意圖

硫回收裝置采用部分燃燒法工藝，即將低甲酸性氣等氣體送進(jìn)酸性氣燃燒爐內(nèi)，通過控制配風(fēng)量，使一部分酸性氣通過燃燒反應(yīng)生成單質(zhì)硫，一部分H2S燃燒生成SO2，未燃燒的H2S和SO2反應(yīng)生成單質(zhì)硫，并保證烴類大部分燃燒。剩余的H2S 氣體與煤氣水分離的酸性氣一起進(jìn)入尾氣焚燒爐，全部轉(zhuǎn)化成SO2后的煙氣送燃煤鍋爐煙氣氨法脫硫裝置，處理達(dá)標(biāo)后經(jīng)煙囪排放。

2 酸性氣體入煤粉鍋爐摻燒的可行性分析與模擬計(jì)算

該煤制氣項(xiàng)目配套的熱電鍋爐為480 t/h 煤粉鍋爐，與克勞斯硫回收尾氣焚燒爐相比，具有爐膛火焰溫度高、燃燒反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)充分等優(yōu)點(diǎn)[3]，并且熱電鍋爐出口設(shè)置了SCR 脫硝裝置和布袋除塵器。將酸性氣送入480 t/h 煤粉鍋爐摻燒后，可確保進(jìn)入氨法脫硫的鍋爐煙氣中粉塵和NOx達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)表1 可知，5 種酸性氣體中，低甲酸性氣H2S濃度高，而且具有較高的熱值，對(duì)鍋爐和脫硫系統(tǒng)的影響較大。因此，此次主要對(duì)低甲酸性氣入煤粉鍋爐摻燒方案進(jìn)行研究分析。

利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同工況煤粉鍋爐摻燒酸性氣后的燃燒狀況及氣體成分進(jìn)行計(jì)算及分析研究。在調(diào)研國(guó)內(nèi)相關(guān)煤化工企業(yè)酸性氣體入爐摻燒情況下（一般采用從鍋爐燃燒器中部送入酸性氣摻燒），考慮到低甲酸性氣特性，此次計(jì)算選取從鍋爐燃燒器中部的二次風(fēng)C 下層噴口送入酸性氣。不同工況下煤粉鍋爐摻燒酸性氣后的燃燒狀況及氣體成分計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同工況下煤粉鍋爐摻燒酸性氣后的燃燒狀況及氣體成分計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)5 種工況下的數(shù)值模擬計(jì)算和鍋爐熱力計(jì)算分析，得出酸性氣入鍋爐摻燒后存在以下幾方面的影響：

鍋爐結(jié)渣和腐蝕方面：酸性氣中H2S氣體因高溫很快就發(fā)生完全反應(yīng)生成SO2，避免了H2S高溫腐蝕；但由于摻燒后煙氣中SO2和SO3濃度的升高，與煤中堿金屬等反應(yīng)生成復(fù)雜的低熔點(diǎn)化合物，降低了煤的灰熔融性溫度，從而黏附在受熱面上形成高溫結(jié)渣，另外，SO3濃度升高后還存在低溫腐蝕的可能；酸性氣燃燒需消耗大量的氧氣，周圍還原性氣氛下，會(huì)使結(jié)渣更加嚴(yán)重。

脫硫脫硝方面：由于氨法超低排放脫硫效率達(dá)到99%左右，通常情況下脫硫能夠正常運(yùn)行，但在鍋爐臺(tái)數(shù)少或負(fù)荷較低條件下，可能存在脫硫排放超標(biāo)的情況，摻燒酸性氣時(shí)最好分3 臺(tái)爐或4 臺(tái)送入；摻燒后SO3濃度升高可能與堿土金屬（Ca、Mg 等）發(fā)生反應(yīng)，生成CaSO4、MgSO4等難溶的鹽，黏附并堵塞SCR 脫硝催化劑，使脫硝效率下降[4]。

鍋爐效率和減溫水量方面：摻燒酸性氣后，對(duì)煤粉鍋爐的熱效率和減溫水量都有一定的影響，即鍋爐效率有所下降，減溫水量有所提高，但對(duì)鍋爐影響相對(duì)較小，并且隨著送入鍋爐的臺(tái)數(shù)增加，影響的幅度減小。

3 酸性氣入煤粉鍋爐摻燒實(shí)踐應(yīng)用

3.1 改造情況

該煤制氣項(xiàng)目于2018 年進(jìn)行了酸性氣入煤粉鍋爐摻燒的改造，酸性氣體入鍋爐示意圖見圖2。

圖2 酸性氣體入煤粉鍋爐摻燒示意圖

具體改造包括以下幾個(gè)方面：（1）低甲酸性氣和汽提氣混合后，在鍋爐4 個(gè)角燃燒器二次風(fēng)C 下層位置設(shè)置噴槍。（2）煤氣水酸性氣在鍋爐4 個(gè)角燃燒器二次風(fēng)C 下層位置設(shè)置噴槍。（3）酚回收酸性氣在鍋爐4 個(gè)角燃燒器二次風(fēng)D 上層位置設(shè)置噴槍。（4）在燃燒器二次風(fēng)D 下層位置預(yù)留閃蒸氣接入口。（5）在每臺(tái)鍋爐的3 路氣體母管上，分別設(shè)置快關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥，用于快速切斷氣體和調(diào)節(jié)氣體的流量，并在鍋爐酸性氣管道區(qū)域配備相應(yīng)的安全監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置。（6）原有硫回收裝置保留，作為酸性氣體處理的備用裝置。

3.2 試運(yùn)行情況及分析

酸性氣入煤粉鍋爐摻燒改造后，試運(yùn)行時(shí)鍋爐總體運(yùn)行情況良好，在實(shí)際使用煤種條件下（設(shè)計(jì)煤種與實(shí)際煤種的煤質(zhì)分析結(jié)果見表3），對(duì)單臺(tái)鍋爐不同負(fù)荷（選取了400 t/h、250 t/h 兩個(gè)試驗(yàn)負(fù)荷）、不同酸性氣體投用量（額定負(fù)荷條件下，低甲酸性氣實(shí)際總量約為3 400 m3/h，試驗(yàn)單臺(tái)送氣量為800 m3/h、1 200 m3/h、1 600 m3/h）的情況下，進(jìn)行了酸性氣入煤粉鍋爐摻燒的試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表3 設(shè)計(jì)煤種與實(shí)際使用煤種的煤質(zhì)分析

表4 不同工況下酸性氣入煤粉鍋爐摻燒的試驗(yàn)結(jié)果

從表4 可以看出：

（1）5 種工況下，鍋爐和脫硫系統(tǒng)都不會(huì)超標(biāo)運(yùn)行，未對(duì)鍋爐造成明顯的不良影響，結(jié)渣情況在可控范圍內(nèi)，氨法超低排放脫硫系統(tǒng)煙氣也能達(dá)到排放要求。停爐檢修時(shí)，對(duì)鍋爐進(jìn)行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)受熱面和空預(yù)器有明顯腐蝕現(xiàn)象。

（2）在工況3 條件下（相當(dāng)于酸性氣體送入2 臺(tái)鍋爐），由于送入酸性氣體量較多，鍋爐爐膛出口煙溫和排煙溫度已接近運(yùn)行上限（爐膛出口煙溫上限值935 ℃，排煙溫度上限值155 ℃），酸性氣噴口周圍結(jié)渣量明顯增加，減溫水量已達(dá)到額定量（27 t/h）的90%左右，無調(diào)節(jié)余量。

（3）在工況3 條件下，脫硫超低排放SO2質(zhì)量濃度已經(jīng)壓紅線值（35 mg/m3）運(yùn)行，稍有波動(dòng)就存在環(huán)保指標(biāo)超標(biāo)的情況，因此必須加大脫硫劑氨水用量，但會(huì)使吸收塔漿液結(jié)晶情況變差，存在脫硫系統(tǒng)運(yùn)行狀況惡化的可能。

（4）在工況5 條件下（相當(dāng)于低負(fù)荷條件下酸性氣體送入3 臺(tái)鍋爐），脫硫前煙氣SO2質(zhì)量濃度超過設(shè)計(jì)值（5 150 mg/m3），雖然由于煙氣量較小，脫硫塔設(shè)計(jì)容量能滿足煙氣中的SO2指標(biāo)要求，但是脫硫排放指標(biāo)波動(dòng)較大，不利于穩(wěn)定運(yùn)行。因此建議低負(fù)荷條件下盡量減少酸性氣體的送入量。

（5）酸性氣體入爐摻燒后，鍋爐給煤量明顯減少。經(jīng)計(jì)算，額定負(fù)荷條件下，低甲酸性氣體全部入爐摻燒后，每小時(shí)可以減少煤量約13.6 t，年節(jié)約原煤約11萬t，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)論和建議

4.1 從模擬計(jì)算研究和實(shí)際應(yīng)用來看，480 t/h 煤粉鍋爐摻燒酸性氣是可行的，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，但需對(duì)摻燒方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化，使其對(duì)鍋爐的影響降到最小程度，并考慮預(yù)防低溫腐蝕的措施和對(duì)策。建議摻燒鍋爐臺(tái)數(shù)為3 臺(tái)，如有條件最好是4 臺(tái)鍋爐，盡量避免2 臺(tái)鍋爐運(yùn)行。

4.2 摻燒酸性氣后，鍋爐應(yīng)盡量在高負(fù)荷工況下運(yùn)行。負(fù)荷降低時(shí)，建議調(diào)整不同負(fù)荷鍋爐的送氣比例，如運(yùn)行負(fù)荷高的鍋爐可多送酸性氣，運(yùn)行負(fù)荷低的鍋爐少送酸性氣。

4.3 在不明顯加重鍋爐受熱面結(jié)渣、沾污的前提下，建議采用低氧運(yùn)行。低氧運(yùn)行能有效抑制SO2向SO3轉(zhuǎn)化，且有利于抑制NOx的生成，減小尾部SCR 脫硝的壓力。

4.4 建議盡量多臺(tái)鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行?？諝鉁囟鹊蜁r(shí)盡量投用暖風(fēng)器或熱風(fēng)再循環(huán)，提高入口風(fēng)溫，防止低溫腐蝕。加強(qiáng)受熱面和空預(yù)器吹灰，防止結(jié)灰，減少酸性氣長(zhǎng)期積累加劇腐蝕。建議更換空預(yù)器冷段換熱片為耐腐蝕較好的金屬材料。