毛秋榮

摘要:江漢油田鹽化工總廠有年產20萬噸氯堿廠，副產氫氣總量約7000Nm3/h，其中有1000Nm3/h用于鹽酸合成，其他外圍廠利用2000Nm3/h，約有4000Nm3/h氫氣作放空處理，這樣即浪費能源又損失了財源，為了利用H2我們提出將氫氣在鍋爐內摻燒回收利用

關鍵詞：氫氣節(jié)能脫硝

中圖分類號： TE08文獻標識碼： A

1概述

江漢油田鹽化工總廠配建有2臺75t/h供熱鍋爐，年消耗燃煤10萬噸左右，氯堿分廠在工業(yè)生產過程中副產氫氣，總量約7000Nm3/h其中有1000Nm3/h用于鹽酸合成，其他外廠利用2000Nm3/h，約有4000Nm3/h氫氣作放空處理。氫氣除作為化工生產原料外，還是一種清潔無污染燃料，燃燒產物是水，對環(huán)境不產生任何污染。其熱值高，居多種燃料之首，據(jù)測定每千克氫燃燒釋放的熱量為1.4*108。為石油熱值的3倍?，F(xiàn)擬將這部分富余氫氣作為燃料來回收利用，減少煤炭消耗，降低燃料成本，既解決了環(huán)保安全問題也在為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟效益。

2、基礎條件

2.1、氫氣

體積比：≥99%（體積比），酸堿性基本為中性（含堿量≤PPM級）

含水率<0.5%

壓力：40～100kpa

流量：Max 4000 Nm3/h以上

溫度：≤40℃

2.2、儀表氣

壓力0.7MPa（G）

溫度常溫

2.3、氮氣

壓力0.04～0.1MPa（G）（進燃燒器前壓力）

溫度常溫

3、安全防范措施

氫氣特性 安全問題

爆炸極限范圍很廣4.1～74.2% 泄漏、積聚達到一定濃度，極易產生爆燃或爆炸

燃燒速度非?？欤斄咳紵俣?.6m/s，過量燃燒速度4～6m/s，是天然氣的8倍 極易產生回火，造成管內爆炸

火焰界面溫度可達1800℃左右 容易高溫腐蝕燃燒設備，造成設備損毀，以至燃燒不可靠

熱值低，純氫2566kcal/Nm3 容易造成失火脫焰

針對氫氣燃燒特性，我們采取一系列措施，徹底保障氫氣燃燒的安全性、可靠性。

3.1、防止氫氣泄漏的措施

3.1.1、采用反應速度快的雙閥組

選用反應速度<2.5 s的氣動切斷閥，動作可靠，并設置兩個切斷閥門，保證氫氣總管的可靠開啟，不使氫氣泄漏進入爐膛。

3.1.2、鼓風機常吹掃

鼓風機采用常開方式，一方面保證始終向爐膛吹掃，擁有足夠的吹掃時間和吹掃空氣量，不使氫氣在爐膛內產生積聚；另一方面起到冷卻燃燒頭的作用，不致因爐膛內對流熱和輻射熱對燃燒頭的高溫腐蝕。

3.1.3、氫氣直接點火

采用氫氣直接點火方式，不采用氮氣和氫氣逐漸置換點火，直接達到氫氣燃燒濃度，不使因氮氣和氫氣逐漸置換過程前期達不到點火濃度，而使少量氫氣進入爐膛造成爆燃；也不采用其他燃料進行點火，減少操作和系統(tǒng)的復雜性，降低因點火不順造成微量氫氣進入爐膛的可能性。

3.1.4、燃燒器閥組的位置設置

燃燒器閥組結構緊湊，緊靠燃燒器噴口，氫氣以最快速度進入火焰生成區(qū)域，使點火順暢，點火成功率幾乎100%；采用放空方式在停止燃燒時放空閥組管道內殘余氫氣，不使用氮氣吹掃，從而使少量管內氫氣進入爐膛。

3.1.5、燃燒器檢漏閥組系統(tǒng)

采用三套閥門來完成燃燒器閥組檢漏程序，即在兩個主氣閥門間設一個放空閥，通過開關放空閥與氫氣進氣側切斷閥完成檢漏，不使微量氫氣進入爐膛。

三閥組檢漏示意圖

3.1.6、燃燒器閥組檢漏程序

先開關放空閥，卸去雙主氣閥間壓力，如閥間壓力沒有上升，表示氫氣進氣側主氣閥沒有滲漏，而后開關氫氣進氣側主氣閥，使雙主氣閥間建立壓力，如沒有出現(xiàn)壓力下降，說明閥組其他閥門無滲漏。按此順序進行檢漏同時保證了氫氣氣源離開點火區(qū)域更近，點火時氫氣能即時到達點火區(qū)域進行點火，進一步保障了點火成功率。

3.2、防止氫氣燃燒失火與回火措施

3.2.1、控制燃燒混合速度

3.2.1.1、長明燈效應防脫焰

氫氣熱值較低，在氫氣小氣量燃燒時，氫氣燃燒產生的熱量較小，燃燒火焰溫度相應較低，火焰形成的三要素中其中一項是溫度，因此當小火焰時，火焰容易被助燃風給吹滅，也就是我們所說的脫焰。

燃氫專用燃燒器燃燒頭與燃燒盤的結構，使氫氣與空氣的混合產生一個回流，回流區(qū)域為燃料充足區(qū)（沒有足夠的空氣使氫氣燃盡），回流使一部分火焰被壓制在燃料充足區(qū)，而因為該區(qū)域缺少足夠燃燒空氣，又不至于會產生回火，因此形成了一個真正意義上的長明火，徹底保障了氫氣燃燒的安全，不使出現(xiàn)氫氣燃燒脫焰。

3.2.1.2、形成不同混合區(qū)域防止回火

氫氣專用燃燒器燃燒盤使燃燒用氫氣和空氣按一定比例成不同角度進入燃燒混合區(qū)域，并形成因燃料充足區(qū)與空氣充足區(qū)兩個區(qū)域，燃料充足區(qū)即燃料不完全燃燒區(qū)域，氫氣不會因燃盡后跟不上，就不會使燃燒氫氣過早充分混合，造成回火；空氣充足區(qū)有足夠空氣量，可把未燃盡氫氣充分混合，完全燃盡保證了保證了100%的氫氣燃燒率。

3.2.2、高/低壓保護設置

在靠近氫氣燃燒噴口前，設置高壓保護開關，氫氣氣源進燃燒器閥組前設置低壓保護開關；回火的產生是因為兩種原因：一是爐膛壓力過高，高于氫氣出口壓力，使氫氣無法進入爐膛，此時，噴口端管內的氫氣壓力會上升，意味著燃氣無法進入爐膛，在此處設置高壓保護，可以預警回火的可能，并及時聯(lián)鎖，關閉氫氣閥組。

回火另一個原因是由于助燃空氣過早與氫氣混合充分，燃燒速度過快，后續(xù)管內氫氣不能即時跟進，從而火焰順者管內氫氣而上，此種情況管內氫氣壓力會下降，因此在氫氣進口設置低壓保護也是防止氫氣燃燒回火的必要措施。

燃燒示意圖

3.3、氫氣燃燒器結構保障措施

氫氣專用燃燒器是氫能回收裝置中的核心技術設備。

3.3.1、特殊的外混燃燒式燃燒盤，經(jīng)過精確計算設計制作的結構，使氫氣與助燃空氣按一定比例，分多層，成一定旋轉角度噴射進入爐膛，合理控制燃燒混合速度，使氫氣與助燃空氣完全充分混合，徹底保證了氫氣的100%燃燒率。

3.3.2、采用專利技術燃燒器結構，使氫氣燃燒火焰與燃燒盤隔離。避免了由于燃燒高溫而熔化腐蝕燃燒盤金屬。

3.3.3、通過對燃燒混合的控制達到靈活控制火焰形狀，以適應各種不同環(huán)境。

3.4、氫氣燃燒系統(tǒng)可靠性保障措施

3.4.1、機械式聯(lián)桿固化連動

風量的調節(jié)與氫氣量的調節(jié)采用機械式聯(lián)桿固化連動，排除人為或電信號干擾造成配比失調，調試后一次性固定，徹底做到不同負荷位置，空氣與氫氣配比的正確性，即使機械結構故障，也不會改變兩者之間的配比，從結構緊湊性上，系統(tǒng)復雜性上，以及安全可靠性上具有絕對優(yōu)勢。

3.4.2、氫氣溫度監(jiān)測

氫氣輸送進入燃燒系統(tǒng)前設置氫氣溫度監(jiān)測，以防氫氣溫度過高造成氫氣燃燒系統(tǒng)橡膠件及軟密封件的老化損傷，保證燃燒系統(tǒng)的安全可靠運行。

3.4.3、遠程控制

在燃燒器現(xiàn)場，不設就地控制箱，以防現(xiàn)場誤操作，造成現(xiàn)場事故，燃燒器的運行控制操作，在控制室內進行，這也是安全操作的保障。

3.4.4、合理的空/燃氣比對效率的保證

為盡量避免摻氫改造對原鍋爐的影響，燃燒器調試時，氫氣與空氣的配比盡量要求合理，調試時采用尾部煙氣分析儀進行調試，有可靠的數(shù)據(jù)為依據(jù)，以盡量提高氫氣利用的效率。

3.4.5、設備用材選擇

由于氫氣來源于氯堿生產，氫氣中或多或少都會帶有一定量的堿，因此燃燒系統(tǒng)配置的配件充分考慮了堿腐蝕問題，盡量不采用鋁材，這也是一種設備保障。

3.4.6、燃燒器的安裝

采用活動支架固定安裝燃燒器，在不使用燃燒器時，及時把燃燒器從爐膛中退出，并關閉燃燒器鼓風機，防止爐膛內高溫以及粉塵對燃燒器的損傷。

燃燒系統(tǒng)示意圖

3.5、氫氣燃燒控制系統(tǒng)保障措施

配置的自控儀表和系統(tǒng)是針對氫氣燃燒特性設計，全自動化控制操作方便簡單，同時也完全保證裝置的安全可靠穩(wěn)定運行。

3.5.1、針對氫氣燃燒特性設計的控制系統(tǒng)，已獲國家專利。保證系統(tǒng)的安全可靠運行。

3.5.2、多重控制：采用PLC+PC與機械式程序控制器多重控制，運行穩(wěn)定可靠。

3.5.3、分層控制：針對氫氣燃燒的關鍵點（回火，泄漏等）采用多點檢測監(jiān)控，分層控制——預警，警示，連鎖。徹底保證氫氣燃燒的安全性和系統(tǒng)的可靠性

3.5.4、針對氫氣燃燒的特性進行控制點設置，燃燒負荷輸出根據(jù)不同要求變化，保證燃燒不間斷。

3.5.5、控制系統(tǒng)具備全自動控制裝置與人工智能控制系統(tǒng)（可切換），可具有遠程監(jiān)視功能。

3.5.6、合理設置溫度，壓力，流量檢測等措施確保系統(tǒng)安全運行

4、改造費用估算燃氫專用燃燒器、現(xiàn)場儀表、執(zhí)行器等約180萬元，鍋爐改造及安裝40萬元

5、經(jīng)濟分析

5.1、計算依據(jù)：

原煤熱值： 5000Kcal/kg

原煤價格： 600元/噸

氫氣燃燒量： 4000Nm3/h

氫氣低位熱值： 2566Kcal/Nm3

年計算運行時間： 8000小時

CO2排放量： 2620Kg/噸

5.2、節(jié)約標煤計算

項目 煤爐改造

氫氣燃燒每小時

可回收的熱量 4000 Nm3/h×2566Kcal/h

= 1026.4x104Kcal/h

氫氣燃燒每小時

可回收的熱量折算成原煤 1026.4x104Kcal/h ÷5000Kcal/kg

=2.05噸/h

年節(jié)約原煤 2.05噸/h×8000h/年

=16400噸/年

5.3、年產生的經(jīng)濟效益

16400噸/年×600元/噸≈984萬元/年

5.4、年減少CO2排放量

16400噸/年×2620Kg/噸≈42968噸/年

5.5、回收期：220萬元÷984萬元×12個月≈3個月

5.6、同時H2還可在爐內作為還原劑替代氨將NOx還原為N2達到脫硝的作用。

6、結論

綜上所述，本鍋爐改造氫氣摻燒回收利用項目，從安全性能上、氫氣有效利用上、系統(tǒng)與設備配置上；以及生產運輸、安裝、操作、維護保養(yǎng)等各方面都已相當成熟和可靠。此項目將帶來可觀的經(jīng)濟和社會效益，為節(jié)能減排做出貢獻、造福子孫后代。