天然气燃烧器应用于垃圾焚烧电厂
摘要：近年来国家不断提出“保护生态环境，建立美丽中国”的要求。国内垃圾电厂也逐步开展天然气燃烧器的改造工作，天然气属清洁能源，不仅能改善生产现场工作环境，而且能大幅降低大气污染物的排放量，取得较好的社会效益和环保效益。使用天然气燃烧器将延长垃圾焚烧炉和布袋除尘器滤袋等设备的使用寿命。使用天然气后可取消燃油罐和食堂液化气储罐，安全性较好。
关键词：天然气燃烧器；应用改造；分析
引言：目前在垃圾焚烧行业，按照国家环保标准的要求，在焚烧炉启、停过程需要投入助燃手段以保证炉膛温度。绝大多数垃圾焚烧厂助燃的手段主要通过燃烧器来实现，传统燃烧器普遍采用油燃烧器，可使用0#轻柴油，虽然燃烧热值高，但系统维护量加大，燃油精密喷嘴容易受到油中、空气中杂质的影响，导致雾化效果不佳，运行中容易跳闸；同时燃油属于易燃介质，储存时占地面积大，需单独配置消防、喷淋降温、防雷接地等安全系统，本质安全要求相对较高；同时燃油燃烧不充分时容易导致CO等参数异常波动，影响环保参数；在启停炉操作时，燃油的不充分燃烧导致油雾随着气流粘附在布袋除尘器表面，导致滤孔堵塞，影响酸性气体、粉尘的进一步处理；布置在烟囱上的连续在线监测系统（气态污染物CEMS），按照标准需要连续运行，极端情况下油雾会随着气流进入CEMS分析气室，造成不可逆的损伤，影响烟气测量数据。
近年来国内垃圾电厂逐步开展天然气燃烧器的改造工作，天然气属清洁能源，不仅能改善生产现场工作环境，而且能大幅降低大气污染物的排放量，取得较好的社会效益和环保效益。使用天然气燃烧器将延长垃圾焚烧炉和布袋除尘器滤袋等设备的使用寿命。使用天然气后可取消燃油罐和食堂液化气储罐，安全性较好。
为达到节能降耗，改善环境的目的，作者所在的广东某垃圾焚烧电厂积极推进天燃气燃烧器系统的改造。改造总共分为两个部分，一是厂内燃气管道工程，需在厂内建设一条DN150的燃气管道并建好锅炉房调压站设备。二是8套天然气燃烧器设备的采购及安装。
项目实施：
一.厂内燃气管道工程
项目工程必须满足锅炉房瞬时流量1520m3/H的用气要求。从厂外与DN400的燃气母管碰口开始，在厂内庭院埋地铺设接一根D160的燃气管至厂锅炉房墙外，并安装相应的流量表、调压阀、切断阀等设备。锅炉房燃烧器设备采用G400流量表进行燃气计量，设计流量为1520m3/H。以下为厂区燃气管道平面布置图。
二.天然气燃烧器系统
改造后的天然气燃烧器系统满足作者所在厂锅炉冷态、热态点火及稳燃要求。系统的工艺流程如下图所示：
从锅炉房墙外供气点调压阀后进行碰口，两台炉分两根DN100燃气管进入锅炉房内，每台炉分两根DN65的燃气支管给辅助燃烧器分别供气，分两根DN40的燃气支管给启动燃烧器分别供气。每台燃烧器跟前设置DN25放散管，8台燃烧器的放散管汇成一根DN50的放散母管伸到12米层高锅炉房墙外排入大气。以下为锅炉房内燃气管道走向图。
4台启动燃烧器采用RG20-2 S/M型一体化燃烧器，最大功率2.1MW，最大燃料消耗量为212NM3/H。燃烧器采用全自动操作，具有可靠的点火程序控制和熄火保护装置，自动点火、火焰跟踪检测、熄火保护（熄火自动报警并自动切断燃气供应）等。火焰监测为燃烧器的安全部件，采用国际上最常用的离子火焰检测。以下为燃烧器的实物照片、燃烧器配置及部分性能参数。
启动燃烧器内部配置表
启动燃烧器性能参数表
4台辅助燃烧器采用10A607-00 XRQ-21-600A型分体式燃烧器，最大功率6MW，最大天然气消耗量600NM3/H。以下为辅助燃烧器的主要技术参数表及现场照片。
辅助燃烧器系统主要技术参数表
为节约投资成本，4台辅助燃烧器的风机、变频器和风机管道仍利用原有。在辅助燃烧器上方安装有燃气泄漏报警探头，报警仪主机则设置在集控室，一旦检测到有燃气报警，集控室会发出声光报警并紧急切断燃气供气电磁阀。
原控制盘柜安装在现场，环境恶劣且故障率较高。本次改造将其移到集控室电子间。点击原燃烧器工作站中的燃烧器图标，即可进入燃烧器系统画面。可对8台燃烧器中的所有阀门，风机，点火枪等设备进行单步操作或者程控操作。辅助燃烧器的燃气流量和累计流量还设置有历史曲线记录随时可供查询。
燃气与空气的最佳配比为1：10，为了便于调试，在燃烧器画面中增加配方功能。将辅助燃烧器出力分为10档，每档对应的燃气量和风量可以根据实际燃烧的情况进行设置。点火成功后，燃烧器自动运行在运行人员设定的出力档位上。
三．完工时间及完工投用后的使用情况
烘炉结束后对辅助燃烧器进行了一次最大出力的试验。根据厂家提供的辅助燃烧器流量特性曲线，辅助燃烧器的出力与主气枪前的燃气压力基本成正比。提高主气枪前的燃气压力，即可提升辅助燃烧器的出力。
通过试验来检验单台辅助燃烧器的最大出力。我们将辅助燃烧器前供气压力调到100KPa，辅助燃烧器全开出力，燃气调节阀和风机变频100%全开。测得的燃气流量接近600NM3/H，主气枪前的燃气压力为70KPa左右，炉膛竖直烟道温度在850度以上。对比以前柴油枪，气枪更加绵柔，升温升负荷没有柴油枪来得猛烈，但温度控制较稳定。经分析和热值计算，燃气集团提供给作者所在厂的天然气品质符合国家二类天然气标准，其高位发热量大于31.4MJ/立方，一般均为33～35.6MJ/m3。按照1MJ=0.28KWH，热值按33MJ/m3进行热量换算，每立方天然气热值等于0.28*33=9.24KWH。若单台辅助燃烧器的流量到600NM3/H，其功率约为600*9.24=5.54MW。若燃气流量提到700NM3/H则功率可到6.5MW。启动燃烧器的最大燃气量为212NM3/H，对应功率可到2MW。由于目前辅助和启动燃烧器均已可满足日常使用，所以暂时不作改动。
国家天然气标准
辅助燃烧器流量特性曲线
四、项目实施后的效益分析和结论
1、直接经济效益
1.1燃烧器设备使用0#轻柴油，按柴油密度850kg/m3，每升柴油5.2元/升计算，每公斤柴油价格为6.117647元。按1立方米天然气热值相当于0.792公斤柴油热值来估算，同等热值下，使用柴油需花费6.117647*0.792=4.845176元，而使用天然气需花费4.6元。即，每使用1立方天然气较使用柴油可节约成本0.2451764元。作者所在厂年天然气用量预估为30万立方，则每年可直接节约成本73553元。
表-2 XX厂燃烧器使用成本比较
间接经济效益
2.1使用天然气将改善现场工作环境，提高安全文明生产水平。
2.2使用天然气预计将延长垃圾焚烧炉炉壁耐火材料的寿命约6个月；延长布袋除尘器滤袋的使用寿命约2年；同时，CEMS等环保设施在启停炉过程中的运行风险也降低了。
2.3满足国家环保标准和要求，通过燃烧器就能保证炉膛温度。
2.4使用天然气将大幅减少大气污染物排放。根据《环境统计手册》中的数据，使用重油、柴油、天然气的污染物排放量如表-3所示：
表-3 重油、柴油、天然气的污染物排放量
单位：Kg
若按照作者所在厂燃烧器每年烧柴油237.6吨计算，每年CO排放量为70.8kg：SO2排放量35640 kg，氮氧化物排放量2545.4kg。按1立方米天然气热值相当于0.792公斤柴油热值来估算，30万立方天然气的热值与237.6吨柴油相等。如表-4所示，使用天然气每年可减排CO排放量68.91kg；SO2排放量35637.99kg；氮氧化物排放量1525.4kg。减排比例约为97.33%；99.994%和59.93%。取得较好的社会效益和环保效益。
表-4 大气污染物排放量对比
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3、风险分析
3.1燃气泄漏风险。天然气的爆炸极限为5～15%。为防止发生可燃气体泄露产生爆炸危险，目前有以下几个措施来确保用气安全：一是锅炉房安装有5个燃气报警探头，集控室安装有1台燃气报警主机，探头检测的信号直接在集控室的主机上显示，主机与气站上的紧急切断电磁阀联动，一旦有探头报警，紧急切断电磁阀动作，切断管道供气。二是厂房庭院内的燃气管道由燃气集团统一管理，每周均有燃气集团工作人员上门巡视。三是锅炉房内的燃气管道有运行人员经常巡视，运行和检修人员定期使用肥皂水查漏，防止发生燃气泄漏。四是锅炉房通风系统24小时不停，一直对锅炉房的空气进行流通置换，确保锅炉房内没有残留气体滞留。
参考文献：
[1] 章素华.发电厂热工自动化技术丛书 燃气轮机发电机组控制系统.中国电力出版社.2013
[2] 黄德先//王京春//金以慧.过程控制系统.清华大学出版社.2011
[3] CJJ 51-2006 城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程
[4] CJJ33-2005城镇燃气输配工程施工及验收规范
[5] GB 50028-2006 城镇燃气设计规范
[6] 张城 天然气管输与安全 中国石化出版社有限公司
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