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500T/H全燃石油焦流体化床锅炉之运转经验

陈文瑞* 邱谷川**

台朔重工汽电共生处

*高专  **副经理

摘要：本文介绍台朔重工于2002在台湾省云林县麦寮六轻工业园区为台塑石化公司炼油厂承制两部500T/H全燃石油焦循环式流体化床锅炉投运后之运转情形。由于，石油焦有着低挥发性物质及低灰含量、低灰熔点、高硫份等特性，造成以石油焦当作燃料比起一般煤炭在设计及运转时，必须有较多考虑及遭遇燃煤时不一定会发生问题。六轻工业园区有相当严格的硫氧化物及氮氧化物之烟囱排放要求。为符合烟气排放要求，本厂设置有后段烟道的整合式脱硫除尘系统及烟气脱硝设备，本文也说明该系统运转后之烟气实际排放的情形。

关键词： 石油焦、流体化床锅炉、循环式流体化床锅炉、CFB

一、  整厂简介

台塑关系企业-台塑石化股份有限公司(Formosa Petrochemical Corp., FPCC)设于台湾省云林县麦寮的六轻工业园区内之炼油厂，为了处理该炼油厂之最大产能2,000 吨/天的石油焦(Delayed Petroleum Coke)，委托台朔重工股份有限公司(Formosa Heavy Industries Corp., FHI)进行两部500T/Hx150MW热电厂之整厂规划、设计、建造、调试。

锅炉采用循环式流体化床(Circulating Fluidized Bed)、非再热式(Non-Reheat)锅炉，由台朔重工与美国Alstom-CE公司技术合作，原始设计为可全燃石油焦，或与30%残余油混燃。

本厂设有室内之4.5万存放量的石油焦储场及7万吨存放量的石灰石储场，均采用自动布料及取料装置进行布料及取料。本厂也设有石油焦及石灰石破碎工厂进行进入锅炉前之破碎。

锅炉岛内石油焦是以重力皮带式给料机，藉由重力从炉膛前墙进入锅炉燃烧。残余油经由8支油枪从炉膛前墙及后墙喷入炉内混燃。4支启动用燃烧器各位于炉膛左右墙，以重油为燃料。石灰石以气送方式，从炉膛前墙及后墙送入炉膛。

流体化床锅炉本身可达到的排放设计值为：硫氧化物(SOx) 200 ppm，氮氧化物(NOx) 80 ppm。必须另外设置后段半干式脱硫设备、选择性非触媒转换脱硝设备(SNCR)，以达到严格的烟囱排放硫氧化物50 ppm及氮氧化物60 ppm之要求。

二、  锅炉本体介绍

本厂共有两套循环式流体化床锅炉，其设计的蒸汽条件及排放要求如表一。石油焦因灰份极低而含硫份极高，设计成份如表二，因此于第一回路(含炉膛、旋风分离器、密封槽及固体回流管)内持续循环的床料主要为石灰石及其产物(生石灰及石膏)。

注：以氧气浓度6%为基准。

表一 锅炉蒸汽及排放物设计值

注：单位为%及kcal/kg。

表二 石油焦、残余油、重油成份表

锅炉外形如图一，各部设计说明如下：

(1)、第一回路(Primary Loop)

第一回路含炉膛(furnace)、旋风分离器(cyclone separators)、密封槽(seal pots)、固体回流管(solid return line)等部份。即为固体颗粒流体化后，循环流动的路径，也是循环式流体化床之主要组件。

炉膛为平衡通风(balanced draft)、自然循环(natural circulation)、水管墙(water wall)式炉膛。设计为全燃石油焦，或以石油焦70%、残余油30%的比例混燃。

炉膛水管墙材料为碳钢。炉膛为悬吊式支撑(top-supported)，下部斗形部(hopper)及底部等的内缘以抗蚀铸性耐火泥(erosion resistant castable refractory)覆盖。斗形部与垂直管墙的转角，也就是有耐火泥内衬与无耐火泥内衬的交接处，为了避免炉内流动的固体颗粒对水管墙造成冲蚀，特别有偏移式(offset)设计，如见图二。

图一 循环式流体化床锅炉立体视图

图二、偏移式(offset)设计(右图)

燃气及流体化的固体颗粒经由后墙上部两个开孔离开炉膛，从旋风分离器收集之固体颗粒经由后墙下部两个开孔导入炉膛。

一次空气(primary air)经由遍布炉底的流体化空气喷嘴(fluidized air nozzles，如图三)进入炉膛。二次空气(secondary air)经由炉膛下部前后墙，上下两排的开孔，以及启动用燃烧器风箱(wind box)导入炉膛内。所有导入炉膛的二次空气风道，均设有自动动作之蝶型风门档板，维持稳定的二次风压。二次风设计除补足燃烧所需的过剩空气外，并有以阶段燃烧的方式，减少炉内氮氧化物形成的作用。

在炉膛上半部设有蒸发器(evaporator)及炉内过热器(in-furnace superheater)等管排。蒸发器的作用为补充水管墙不足的蒸发热负荷(evaporative heat duty)。炉内过热器的设计则有助于锅炉出口蒸汽温度的控制。这些蒸发器及炉内过热器的下部，均覆盖一层抗蚀塑性耐火泥(erosion resistant plastic refractory)，以保护管排免受从下方往上流动的颗粒冲蚀。

图三 流体化空气喷嘴外型及配置

两座旋风分离器接收从炉膛上部流出的烟气及固体颗粒。旋风分离器将绝大部份固体颗粒从烟气中分离出来，再经由密封槽及固体回流管送回炉膛。旋风分离器上部烟气出口处设计有旋风中心筒(vortex finder)，以提高旋风分离器收集效率(collection efficiency)。中心筒经特殊设计及材料选择，以达到最长的使用寿命。

密封槽(seal pots)如图四，主要作用是隔离正压的炉膛与负压的旋风分离器以防止逆流，达到炉膛密封的效果。密封槽底部为类似于炉膛底部的流体化空气喷嘴，帮助固体颗粒流动。

图四 密封槽外型

旋风分离器、密封槽及固体回流管的设计，有考虑将固体颗粒结块可能性降至最小。高收集效率的旋风分离器以及充足的流体化空气可确保固体颗粒的扰动及自由流动。

旋风分离器、密封槽及固体回流管外层为钢板制成，内层均有特殊设计的耐火隔热设计。耐火砖或耐火泥的选择须同时可抵抗石油焦的腐蚀性及流体化床本身的冲蚀性。

在旋风分离器直接受来自炉膛的高速固体颗粒冲击的部份，特别选用超厚、超抗冲蚀性的高铝氧化物耐火砖。固体颗粒可能聚集的旋风分离器顶部及入口风道部份，使用了超抗蚀的铸性耐火泥。

为了防止石油焦可能含有的钒氧化物以及铝氧化物的共镕混合物(eutectic compounds)对耐火材料的侵蚀，耐火材料选用高纯度聚合体(high purity aggregates)以及具有耐腐蚀特性的化学键结系统(binding system)。加以正确的调配、安装、烘干等程序，确保耐火材的耐久性、高强度、高耐腐蚀性、高抗冲蚀性，并将龟裂形成的机会减至最低。

(2)、第二回路(Secondary Loop)

第二回路包括传统的热对流后炉(convective backpass)以及旋转式空气预热器(regenerative air heater)。后炉包含水平式省煤器(economizer)、上下两段水平式过热器(superheater)及减温注水器(desuperheater)。

后炉周围为蒸汽冷却式管墙(steam cooled wall)，管材分别为低合金钢及碳钢。后炉前墙上部有两个开孔，接收从旋风分离器流出的烟气。吹灰器及维修用人孔配置在各段省煤器与过热器间。

饱和蒸汽从汽包先送至炉内过热器，经过第一段减温注水器再送至后炉蒸汽管墙。管墙的蒸汽聚集于后炉后墙中部的管集，再进入第一段水平式过热器，经过第二段减温注水器再送至第二段水平式最终过热器(finishing superheater)。过热器下方为省煤器。省煤器的热水聚集于省煤器上方的管集，再经兼作支撑的垂直管排穿出后炉顶部，然后再送至汽包。

空气预热器是采用旋转式，作用为冷却烟气，加热一次空气及二次空气，以提高锅炉整体的热效率。空气预热器内部分为三区，烟气、一次空气、二次空气分别通过作热交换。特别设计的密封系统(sealing system)可在运转中调整，以将空气泄漏量减至最低。烟气侧进出口各配有吹灰器以及水洗系统，以清除附着于内部的飞灰及油灰。

三、