寧星(福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計院有限公司，福建 福州 350001)

0 引言

本文主要探討了在目前燃煤鍋爐的設(shè)計及制造條件下，限制O2/CO2燃燒技術(shù)發(fā)展與實際應(yīng)用的問題，同時給出了針對性的解決辦法與建議。

1 O2/CO2燃煤鍋爐技術(shù)

O2/CO2燃燒技術(shù)是通過對常規(guī)空氣燃燒技術(shù)的改造形成的，其具體原理是：將純氧和純CO2通過一定比例混合后，按照一定風(fēng)量送入鍋爐爐膛中，與煤粉燃燒后，其中的氧氣被煤粉耗盡，最終得到純度達(dá)95%的CO2，再將這部分高純度CO2的小部分返回與純氧混合后再送入鍋爐爐膛燃燒，而大部分的高純度CO2最終被收集后進(jìn)入壓縮系統(tǒng)，被壓縮至超臨界狀態(tài)，成為一種高壓黏性液體，再通過技術(shù)手段，將超臨界CO2打入地下巖層中，從而被永久封存，目前該技術(shù)已經(jīng)得到了相關(guān)行業(yè)學(xué)者的認(rèn)可，該技術(shù)的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 O2/CO2燃燒技術(shù)工藝流程圖

2 O2/CO2燃煤鍋爐目前存在問題及發(fā)展瓶頸

2.1 鍋爐整體密封性較差

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1-2]，在O2/CO2燃燒過程中，當(dāng)鍋爐尾部CO2濃度達(dá)到95%時，所需氧氣濃度對空分設(shè)備的要求基本能滿足，此時空分設(shè)備和CO2壓縮設(shè)備的耗能之和最小，為最經(jīng)濟(jì)的CO2濃度，但該計算方法是基于鍋爐系統(tǒng)絕對密封的情形下計算所得。但在目前的各類燃煤鍋爐系統(tǒng)中，均存在一定的漏風(fēng)，一方面是因為鍋爐內(nèi)部燃燒系統(tǒng)及煙風(fēng)系統(tǒng)均為負(fù)壓系統(tǒng)，為外部空氣進(jìn)入鍋爐提供動力；另一方面則是由于鍋爐本身的設(shè)計及制造問題，如鍋爐由于熱膨脹，部分受熱面連接處難以完全密封，此外一般鍋爐制造及現(xiàn)場安裝過程中對非受壓件連接的密封質(zhì)量要求不嚴(yán)，因此存在一定的漏風(fēng)[3]。

2.2 局部燃燒過快，易發(fā)生爆管

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，O2/CO2燃燒技術(shù)下，O2濃度為30%左右時，燃燒較為穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性較好，是最理想的氧氣燃燒濃度，但O2濃度的提高，勢必引起煤粉的燃燒速度加快，從而造成局部熱負(fù)荷升高，爐膛受熱面溫度升高，最終導(dǎo)致部分鍋爐水管溫度超過所能承受的極限溫度，從而發(fā)生爆管[4]。

2.3 漏風(fēng)減弱、負(fù)壓減弱，爐膛易結(jié)焦

另外，由于該技術(shù)對鍋爐整體性密封要求較高，因此當(dāng)密封性提高后，必然導(dǎo)致鍋爐漏風(fēng)減弱，負(fù)壓減弱的情況出現(xiàn)，燃燒中的高溫?zé)煔鈺苯优c鍋爐水冷壁接觸，受冷后燃燒的中間物焦油、炭黑等物質(zhì)會迅速凝結(jié)到水冷壁管壁上，從而形成結(jié)焦，結(jié)焦現(xiàn)象會嚴(yán)重影響受熱面的吸熱能力，最終導(dǎo)致鍋爐水冷壁熱負(fù)荷降低，爐膛出口處煙溫過高，導(dǎo)致過熱器、再熱器等高溫受熱面溫度過高，造成爆管，嚴(yán)重危害鍋爐的安全運行。

3 O2/CO2燃煤鍋爐設(shè)計及制造建議

3.1 加強(qiáng)鍋爐密閉性設(shè)計

加強(qiáng)鍋爐密封性設(shè)計是O2/CO2燃燒技術(shù)的關(guān)鍵，因此必須從現(xiàn)有鍋爐密封設(shè)計進(jìn)行改善。目前根據(jù)各個大型鍋爐廠以及電廠的經(jīng)驗，鍋爐主要漏風(fēng)發(fā)生在鍋爐頂棚與各個吊掛管等穿棚管的密封處。由于鍋爐頂棚的膨脹與鍋爐爐膛基本保持一致，而吊掛管的膨脹主要取決于自身管材長度、溫度和膨脹量，因此兩者的膨脹明顯不一致，如果采用焊接等剛性密封，焊縫會被膨脹力撕裂，導(dǎo)致更嚴(yán)重的漏風(fēng)甚至是運行事故。因此目前普遍采用柔性密封，即吊掛管可以在一定范圍內(nèi)相對頂棚自由活動的密封技術(shù)，但該密封普遍采用柔性的密封材料，密封效果較差，無法達(dá)到O2/CO2燃燒技術(shù)的密封要求。

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，若要達(dá)到高密封要求，還是需要使用焊接等剛性密封技術(shù)。在這種情況，可以在所有鍋爐穿棚管上方管道設(shè)置金屬膨脹節(jié)，來達(dá)到吸收膨脹的目的，而穿棚處則可以進(jìn)行完全焊死。同時鍋爐其他區(qū)域存在類似膨脹問題區(qū)域均可以采用增加膨脹節(jié)的設(shè)計，具體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 增加膨脹節(jié)的鍋爐頂棚密封結(jié)構(gòu)

3.2 提升非受壓元件間的焊接質(zhì)量

對于鍋爐的制造，焊接技術(shù)是核心制造工藝，目前各類受壓元件的焊接均有嚴(yán)格的焊接規(guī)程與要求，但對于非受熱面之間的焊接，如：鰭片與鰭片、鋼板與鋼板的焊接，目前要求較低，普遍是各大鍋爐生產(chǎn)商根據(jù)現(xiàn)場安裝需求以及自身加工設(shè)備水平確定焊接的形式，對密封性基本無要求。而在安裝現(xiàn)場，對于非受壓元件的焊接質(zhì)量普遍不重視，且經(jīng)常使用無焊工證的工人進(jìn)行焊接操作來降低人工成本，因此在現(xiàn)場檢查時，經(jīng)常發(fā)些鍋爐鰭片、扁鋼、鋼板的焊接處焊縫層次不齊，能肉眼觀察到氣孔。為滿足O2/CO2燃煤鍋爐的高密封要求，在鍋爐設(shè)計過程中，應(yīng)對非受壓元件工地對接焊縫的焊接提出設(shè)計要求并進(jìn)行改造設(shè)計，建議對于較薄的扁鋼或鰭片焊接可使用單面V型焊縫，對于較厚的鋼板焊接可使用雙面V型焊縫。同時在施工現(xiàn)場，必須使用持有焊工證的焊工進(jìn)行焊工，且增加超聲檢測、放射性檢測質(zhì)量管控措施確保工地對接焊縫的焊接質(zhì)量。

3.3 設(shè)計高純CO2氣氛包圍系統(tǒng)

鍋爐密封問題得到一定解決之后，固然可以大幅減少漏風(fēng)的發(fā)生，但仍會存在一定的漏風(fēng)率，此時可在鍋爐受熱面外圍布置一圈CO2氣氛包圍系統(tǒng)，即使鍋爐發(fā)生漏風(fēng)，漏進(jìn)去的只是高純CO2，對最終煙氣中CO2濃度不會造成影響。設(shè)置CO2氣氛包圍系統(tǒng)后，系統(tǒng)本身與外界的連接處密封也要嚴(yán)格處理，否則發(fā)生CO2泄漏會影響電廠人員的生命安全。高純CO2包圍系統(tǒng)可使用最終壓縮提純后的95%濃度CO2作為氣源。該系統(tǒng)設(shè)置后，鍋爐本體的附近已不允許人員進(jìn)入，普通的鍋爐運行操作或檢修工作必須依靠及檢修設(shè)備自動完成，因此其對鍋爐的自動化運行要求較高。

3.4 局部受熱面提升材料等級，改善焊接工藝

由于采用高濃度氧氣作為氧化劑參與燃燒，如何解決爐膛受熱面熱負(fù)荷過高的問題是關(guān)鍵點，目前爐膛受熱面主要采用的是20G、15CrMoG、12Cr1MoVG等碳鋼或合金鋼管作為鍋爐水管材料，這些材料的耐熱溫度一般不超過400 ℃。當(dāng)熱負(fù)荷提高后，部分區(qū)域必然不能滿足要求，因此提升管材等級成為必然選擇，可以將其升級為不銹鋼材料，例如：304、347、310等不銹鋼鋼管。對于鍋爐水冷壁而言，不宜所有區(qū)域均替換成不銹鋼材質(zhì)的鋼管，否則會造成成本大幅增加，建議局部高熱負(fù)荷區(qū)域增加熱負(fù)荷，如燃燒器附近區(qū)域可采用不銹鋼，而剩余的低負(fù)荷區(qū)域則依然采用合金鋼。改進(jìn)后的鍋爐爐膛受熱面的典型布置如圖3所示。當(dāng)鍋爐受熱面改進(jìn)后，一個需要面臨的問題是不銹鋼彎管的彎制需要更好的制造工藝，尤其對于彎管較多的燃燒器噴口管屏區(qū)域，彎管較為復(fù)雜，不銹鋼鋼管彎管一般采用冷彎+彎頭固溶化熱處理技術(shù)，以提高其性能，這要求制造廠商擁有先進(jìn)的彎管機(jī)和熱處理設(shè)備，且有較成熟的彎管技術(shù)與熱處理技術(shù)。另外，當(dāng)局部管屏替換為不銹鋼后，其與相鄰的合金鋼鋼管之間如何焊接也是需要考慮的問題，由于304、347、310等不銹鋼與合金鋼之間的等級差別較大，化學(xué)成分差距較大，因此直接焊接會造成焊接質(zhì)量降低，甚至無法焊接的問題，因此，不銹鋼與合金鋼直接必須增加過渡管連接，一般過渡管需選擇T91材質(zhì)，具體形式如圖4所示。

圖3 改進(jìn)后的鍋爐爐膛受熱面布置

圖4 T91過渡管連接形式

3.5 增加吹灰器的使用強(qiáng)度及頻率

由于鍋爐密封性的提升與鍋爐更容易結(jié)焦之間存在必然關(guān)系，如何處理結(jié)焦將是關(guān)鍵問題，而目前廣泛使用吹灰器作為解決方法，吹灰器使用高動能的蒸汽或超聲波作為吹灰介質(zhì)，對結(jié)焦處進(jìn)行吹掃，從而降低結(jié)焦對鍋爐受熱面吸熱的影響，因此適當(dāng)增加吹灰器的使用頻率是應(yīng)對結(jié)焦增加的有效手段。

4 結(jié)語

結(jié)合現(xiàn)有O2/CO2鍋爐設(shè)備的設(shè)計制造情況，認(rèn)為目前鍋爐設(shè)計制造技術(shù)存在以下問題：鍋爐整體密封性較差；局部燃燒過快易發(fā)生爆管；漏風(fēng)減弱、負(fù)壓減弱，爐膛易結(jié)焦等問題限制了O2/CO2燃煤鍋爐技術(shù)的發(fā)展。針對以上問題，提出以下建議：加強(qiáng)鍋爐密閉性設(shè)計；提升非受壓元件間的焊接質(zhì)量；設(shè)計高純CO2氣氛包圍系統(tǒng)；局部受熱面提升材料等級，改善焊接工藝；增加吹灰器的使用強(qiáng)度及頻率。