侯友龙，陈阔，何军福，周早寿，黄邦开，万军

（云南能投曲靖发电有限公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

焦炉煤气是炼焦过程中的一种副产品，焦炉煤气不同于高炉煤气、转炉煤气，焦炉煤气主要成分为氢气（55%-60% ）和甲烷（23%-27%），如表1所示，属于中热值气，其热值为每标准立方米17-19MJ，适合用做高温工业炉的燃料和城市煤气。焦炉煤气为无色、易燃易爆、有腐蚀性、微有臭味的有毒气体，当焦炉煤气与空气或氧气混合到一定比例，遇明火或550℃以上高温就会发生强烈着火或爆炸。

表1 焦炉煤气主要成分表

距离该电厂3.1公里处有一焦化厂，每小时可产生2.8×104Nm3焦炉煤气。考虑到煤炭资源的紧缺，充分利用焦炉煤气，使其作为锅炉点火启动与稳燃用燃料，可以降低电厂的运行成本，并保证电厂锅炉设备运行的安全性。

1 设备概况

该电厂现有装机容量为4×300 MW燃煤火力发电机组，该电厂一期炉型：#1、#2锅炉为单炉膛 ∏ 型露天布置、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、亚临界参数、四角切圆燃烧、自然循环汽包炉，型号为DG1025/18.2-Ⅱ8，制粉系统采用钢球磨中间储仓式、干燥送粉系统，配备4台DTM350/600型球磨机。燃烧设备为每角燃烧器分上下两组，共布置15层喷口，其中有6层一次风（A、B、C、D、E、F，其中A层煤粉燃烧器内布置有微油枪）喷口，1层顶二次风（OFA)喷口，8层二次风喷口（其中BC、DE层布置有燃油装置），一次风喷口均布置有周界风。

该电厂二期炉型：#3、#4锅炉型号为DG1025/18.2-Ⅱ16，锅炉型式为亚临界参数、四角切圆燃烧、自然循环汽包炉。单炉膛Π型露天布置、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢架悬吊结构。制粉系统为中速磨冷一次风机正压直吹式系统。配置5台MPS200型磨煤机。燃烧设备为每角燃烧器分上下两组，共布置13层喷口，其中有5层一次风喷口（A、B、C、D、E，其中其中B层煤粉燃烧器内布置有微油枪），1层顶二次风（OFA)喷口，7层二次风喷口(其中AB、BC、DE层布置有燃油装置)，一次风喷口均布置有周界风。

2 焦炉煤气掺烧要求

在锅炉正常运行阶段以焦炉煤气替代部分煤粉，在锅炉点火阶段和低负荷稳燃阶段以焦炉煤气替代轻柴油对煤粉进行直接点火和稳燃，从而达到降低燃料消耗成本，提高锅炉运行经济效益的目的，同时掺烧焦炉煤气后不会对锅炉正常运行造成负面影响，改造完成后能保证锅炉设备安全、正常运行。

每台锅炉焦炉煤气掺烧量按28000 Nm3/h设计。炉前焦炉煤气供气压力8-15 kPa，最低供气压力为5 kPa，燃气系统最高工作压按20 kPa设计（即焦化厂放散水封的压头，电厂用气突然全部中断时燃气管道中可能产生的瞬时憋压）。炉前焦炉煤气进气温度不低于30℃。在对传统的煤粉锅炉进行焦炉煤气掺烧改造时，要注意防止焦炉煤气系统泄漏，预防发生安全事故，在关键位置加装有毒可燃气体泄漏检测装置，对于易泄漏位置加设阀门。掺烧系统还应充分考虑机组运行方式改变时的有效隔离。

3 焦炉煤气输送系统

煤气中含有一定的水分，在管道中输送时，煤气温度不断下降，煤气中的水分就会冷凝而析出，同时还带有煤气中的粉尘、煤焦油、氰酚等杂质，具有很大的腐蚀性和毒性，如果不排出，将会严重腐蚀管道和阀门，极易造成管道、阀门损坏而出现泄漏事故。在焦炉煤气输送系统中，分别设置了废液收集罐、焦炉煤气加热器、计量站，水封管，满足焦炉煤气输送的安全和计量需求，焦炉煤气输送及炉前掺烧系统如图1所示。

图1 焦炉煤气输送及炉前掺烧系统

3.1 焦炉煤气排水器

在煤气管道最低处，一般每隔200 m～250 m设置一个焦炉煤气排水器，如图1中④所示。煤气排水器依靠水封的自然高度形成水压封住管道内煤气，水封的总有效高度应为煤气计算压力至少加500 mm。气排水器主要是将防击穿无泄漏煤气排水器接入输送煤气的管道中(管道最低处)，煤气管道内的冷凝水经排水管进入排水器高压室，然后经过隔板上高低压室的连通管道进入排水器低压室将冷凝水收集并通过水封自溢流口自动排出煤气管道中的冷凝水，通过溢流管，流到冷凝液收集器内，保证设备的正常运转。当煤气管网压力波动或其它原因引起的排水器有效水位异常降低被煤气击穿，在煤气冲击的作用下，触动防泄漏装置，封闭溢流口，阻止煤气向外泄漏，保证设备正常运转。

3.2 焦炉煤气计量站

为满足焦炉煤气掺烧的计量结算需求，在焦炉煤气输送系统上安装了计量装置，在图1中①加热器后。计量站流量计管路分为五路，设计正常运行为三运两备。当运行管路发生堵塞可切为备用管路运行。每一路入口都装有手动门、眼镜阀，出口装有眼镜阀、手动门。

3.3 焦炉煤气加热器

为保证焦炉煤气掺烧的温度要求，在计量站前输送系统管道上安装了焦炉煤气加热器，如图1中①所示。焦炉煤气加热器汽源来自该电厂#4机辅汽联络手动门和电动门之间，加热蒸汽阀门站布置如图1中②所示，加热器回水回至各台机组本体疏水扩容器，如图1中⑥所示。

3.4 焦炉煤气水封管

为满足某台锅炉停运检修或炉前焦炉煤气检修隔离需求，在每台锅炉炉前设置了水封管，可将炉前管道与焦炉煤气输送系统母管有效隔绝，如图1中③所示。

4 焦炉煤气锅炉掺烧系统

考虑到焦炉煤气中含有大量的有毒物质，因此焦炉煤气锅炉掺烧系统需要加装各种调节阀、截止阀、流量计和压力计等设备以保证其密封性。与此同时，加装有毒可燃气体泄漏检测装置加强对焦炉煤气的监测，防止发生焦炉煤气泄露，造成安全隐患。为保证其安全性，焦炉煤气锅炉掺烧系统加装了防雷防静电设施和氮气置换系统，氮气置换系统可以满足焦炉煤气投运前和切断后纯度置换，有效避免爆炸风险。

焦炉煤气锅炉掺烧系统可以将送至厂区的焦炉煤气分配至各煤气燃烧器，保证各个煤气燃烧器所输送至的煤气压力基本相同，其兼具煤气的分配、输送、计量、监测、保护等诸多功能。改造完成之后的炉前煤气系统其最大供气量为28000 Nm3/h，系统进口处设计焦炉煤气压力为20 kPa。

5 锅炉燃烧器改造

5.1 煤气燃烧器的改造

焦炉煤气锅炉掺烧系统分三层布置，BC（3000 Nm3/h）、DD（4000 Nm3/h）层共布置8只气体气枪（大气枪）；4只点火气枪，单只点火气枪出力为350 Nm3/h；4只微气气枪，单只气枪出力为500 Nm3/h。两层大气枪分别布置在BC层二次风和DD层二次风中，其中BC层二次风中原有的油枪保留，即掺烧改造后BC层二次风中同时布置有油枪和掺烧用大气枪。在DD层二次风喷口中心区域布置DD层大气枪、点火气枪（点火气枪斜插布置）和高能点火装置。点火方式为：高能点火枪点燃点火气枪，再由点火气枪点燃大气枪。BC层布置大气枪及大油枪，大气枪的点火方式为：高能点火枪点燃油枪，再由油枪点燃大气枪，不另外设置点火气枪和高能点火装置。微气气枪（一期A层、二期B层）布置在原少油点火一次风中，掺烧改造后该层一次风即可用少油枪点火也可用微气气枪点火。

5.2 煤气直接点火煤粉燃烧器改造

该4×300 MW机组煤粉炉原有的一次风中心采用外燃烧式小油枪，此次改造保持不变，同时新加装了外燃式微气气枪，单独的外燃烧式小油枪达到150～200 kg/h的出力情况，加装的小气枪单独出力可以达到500 Nm3/h。

改造完成之后，可以使用焦炉煤气替代原有的轻柴油参与点火，考虑到焦炉煤气参与掺烧，可能会有焦炉煤气断供的情况发生，因此改造完成之后的煤粉燃烧器可以分别采用少油点火和少气点火两种方式，无论采用哪一种点火方式，均共用一个配风口、稳燃罩，已达到在保证安全性的前提下尽量降低成本。为了进一步保证其安全性能，加强对高温位置的在线监测，加装了一套测温热电偶，保证燃烧器的安全性，防止其因高温发生损毁。

6 焦炉煤气的掺烧试验

2020年8月31日该电厂#2锅炉焦炉煤气系统投运成功，168运行期间系统运行稳定，锅炉各参数正常。为进一步对锅炉掺烧焦炉煤气进行探索，对不同掺烧方式进行了对比分析，焦炉煤气掺烧后，主再热汽温变化不大，锅炉总给粉量下降，输煤电耗、制粉电耗相应减少，相对钢球消耗量也减少。在掺烧焦炉煤气后，NOx、SO2、粉尘产生量相对减少，一方面有利于环保参数的控制，另一方面有效降低了除尘、脱硫电耗和脱硝系统氨耗。

焦炉煤气掺烧后，锅炉稳燃效果明显提升，可有效替代轻柴油的稳燃。该电厂#1机组启动，#2机组停运实现零用油记录，在随后的#3、#4机组启停中实现了零用油，试验和实践效果明显。

7 基于焦炉煤气的多燃料耦合掺烧

焦炉煤气热值较高，燃烧性能、稳然效果较好，可以有效代替一部分稳然煤掺烧，改善燃煤掺烧结构。为实现焦炉煤气资源高效利用，积极探索常规煤粉炉基于焦炉煤气的多燃料耦合掺烧，通过对磨煤机筒体衬板、锅炉水冷壁及后屏过热器等关键设备进行性能改造提升，提升锅炉对高比例掺烧低值煤的适应性，使常规煤粉炉大比例掺烧低值煤，降低发电标煤单价，节约发电燃料成本，为地区煤炭资源综合利用做出贡献，推动低值煤综合利用，提高废弃资源综合利用效率，从而解决地区低值煤存量大、消耗难、污染大的问题，实现 “资源—产品—废弃物—再生资源—再利用”的循环经济模式。

通过“高热烟煤+焦炉煤气+低质煤”掺烧方式，可实现降低燃油消耗及提升低质煤掺烧比例，降低标煤单价，节约发电燃料成本。通过实践，现阶段该电厂已实现掺烧低质煤比例达75%以上，在低质煤掺烧比例达到75%时，每吨标煤价格降低18元。以2021年36亿kWh发电量耗用115万吨标煤计算，一年可减少燃煤成本2070万元。

8 结束语

通过该电厂4×300 MW机组煤粉炉进行掺烧焦炉煤气改造，锅炉日常运行阶段可以用焦炉煤气替代部分4000体系稳燃煤，缓解高热值煤采购压力；在锅炉点火阶段、低负荷或燃烧波动稳燃阶段可以用焦炉煤气替代柴油对锅炉进行直接点火和稳燃，实现零用油启停机组；实现低质煤75%的高比例掺烧，有效降低燃料成本；锅炉掺烧焦炉煤气后可以有效解决因煤质波动导致锅炉燃烧不稳定问题，提高锅炉对煤质变化的适应性和经济性；可以最大限度利用2.45亿标立方焦炉煤气，解决无法完全消纳引发的化学污染问题，为区域环境保护做出贡献。

通过常规煤粉炉掺烧焦炉煤气的应用，探索出了一条锅炉在焦炉煤气支撑下实现高比例掺烧低质煤的可行之路，不但可以取得较好的经济效益和社会效益，助推火电企业高质量发展，而且与贯彻落实国家“五大发展理念”，推进资源全面节约和循环利用的要求一脉相承，具有较好的应用前景。