魯金燦，何旭剛

（徐州工業(yè)鍋爐有限公司，江蘇 徐州 221000）

引言

2021年10月24日，國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》的通知，我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和的雙碳目標(biāo)和具體實(shí)施日漸清晰。隨著碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，能源、化工等多個(gè)重點(diǎn)行業(yè)將迎來(lái)新一輪變革。碳達(dá)峰、碳中和“雙碳”目標(biāo)的提出，標(biāo)志著我國(guó)對(duì)綠色發(fā)展提出了新的、更高的要求，鼓勵(lì)企業(yè)節(jié)能升級(jí)改造，推動(dòng)能量梯級(jí)利用。

2000年原國(guó)家計(jì)委、國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、國(guó)家環(huán)保總局、建設(shè)部四部委為落實(shí)《節(jié)約能源法》，提出國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱，提高熱電機(jī)組利用率。目前，區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)工程、余熱余壓利用工程、能量系統(tǒng)優(yōu)化（系統(tǒng)節(jié)能）工程等和熱電聯(lián)產(chǎn)有關(guān)的工程已被國(guó)家列入重點(diǎn)實(shí)施工作內(nèi)容。

1 工程概況

湖北某化肥廠(chǎng)現(xiàn)有1臺(tái)硫鐵礦制酸焚燒爐，焚燒爐硫鐵礦石處理能力為700 t/d，出口煙氣含塵量為200～400g/m3，煙氣量為50000m3/h，煙氣溫度為900℃。

原工程在焚燒爐后配套1臺(tái)余熱鍋爐，該余熱鍋爐采用純對(duì)流受熱面，自然循環(huán)。對(duì)流區(qū)為管屏結(jié)構(gòu)，臥式順列布置，在運(yùn)行過(guò)程中管屏間積灰搭橋嚴(yán)重，局部形成煙氣走廊，引起管屏迎風(fēng)面局部不定期磨損爆管，爆管后泄露的大量水蒸氣和硫鐵礦高溫?zé)煔庵械腟O2產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)（SO2+H2O→H2SO3），形成亞硫酸，并氧化成硫酸（H2SO4），對(duì)管屏進(jìn)一步形成化學(xué)腐蝕。在這種惡性循環(huán)的情況下，該系統(tǒng)已經(jīng)不能安全穩(wěn)定運(yùn)行，開(kāi)車(chē)?yán)щy，經(jīng)濟(jì)效益極差。

為推動(dòng)企業(yè)節(jié)能措施順利實(shí)施，擬通過(guò)設(shè)備升級(jí)改造，并利用其硫鐵礦焚燒爐余熱挖掘節(jié)能減排能力，形成能量梯級(jí)利用，達(dá)到節(jié)能減排之目的。經(jīng)公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)原有設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備本體情況進(jìn)行研判，擬定以下技改方案：

1）鍋爐改造。對(duì)鍋爐煙氣流程進(jìn)行優(yōu)化，增加煙氣沉降室，對(duì)原有對(duì)流區(qū)受熱面進(jìn)行改造優(yōu)化。

2）過(guò)熱器。增加過(guò)熱器受熱面，將額定蒸汽參數(shù)由原來(lái)的2.5 MPa/225℃升高到2.5 MPa/400℃。

3）增加背壓汽輪機(jī)組。新建1臺(tái)B1-2.35/0.98型背壓汽輪機(jī)組，配套1000 kW勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。背壓發(fā)電后低參數(shù)乏汽供給生產(chǎn)工藝用汽。

4）改造環(huán)保設(shè)備。增加1臺(tái)多管除塵器，配套原有袋式除塵器，減少顆粒物排放。脫硫塔前增設(shè)洗滌塔，并增加除霧裝置，提高SO2的吸收率和含水率。

2 余熱鍋爐技改設(shè)計(jì)

2.1 鍋爐結(jié)構(gòu)

原焚燒爐配套余熱鍋爐型號(hào)為QCF50/900-30-2.5，采用全水管、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)。鍋爐安裝在沸騰焚燒爐后面，旋風(fēng)除塵器之前。它把從沸騰焚燒爐送來(lái)的約900℃高濃度含塵煙氣冷卻到350～400℃左右，并通過(guò)灰斗除去部分礦塵，產(chǎn)生飽和蒸汽用于生產(chǎn)工藝用汽[1]。鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

余熱鍋爐布置為L(zhǎng)型直角煙道結(jié)構(gòu)，煙氣自硫鐵礦沸騰焚燒爐上部出來(lái)，經(jīng)過(guò)煙道由上進(jìn)入余熱鍋爐水平流動(dòng)，依次橫向沖刷各級(jí)對(duì)流管束，進(jìn)行換熱，煙氣溫度逐漸降低。

對(duì)流管束下部設(shè)有落灰斗，慣性沉淀的飛灰由螺栓輸灰機(jī)集中送往爐外處理。

2.2 鍋爐改造方案

根據(jù)硫鐵礦煙氣特性，該煙氣具有煙氣量大、含塵量高、SO2含量高和煙塵磨損性強(qiáng)的特點(diǎn)，為滿(mǎn)足技改后的余熱鍋爐可長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，鍋爐共設(shè)置4個(gè)煙道受熱區(qū)域。

在原有余熱鍋爐前部增設(shè)了沉灰室，在沉灰室與對(duì)流區(qū)之間增加槽型分離器，以減少臥式布置的對(duì)流管束區(qū)的煙氣含塵量，避免大量積灰?guī)?lái)的不良影響。在沉灰室四周設(shè)置水冷壁，增加部分輻射受熱面，為第一煙道受熱面，可提高余熱鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量。槽形分離器亦采用水冷結(jié)構(gòu)。

為避免煙氣中的SO2和空氣中的O2進(jìn)行氧化反應(yīng)，對(duì)鍋爐的保溫和外包進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，余熱鍋爐的第一煙道（水冷壁輻射受熱面）、二煙道（對(duì)流受熱面）為膜式壁全密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第三、第四煙道管束外部采用預(yù)制帶保溫層的煙氣護(hù)板進(jìn)行密封，并在外層采用密封波形板護(hù)板進(jìn)行密封。

為滿(mǎn)足熱電聯(lián)產(chǎn)需要，利用原焚燒爐出口煙氣聯(lián)通管道的有限空間，增加過(guò)熱器受熱面，將蒸汽參數(shù)由飽和蒸汽溫度225℃（飽和蒸汽壓力2.5 MPa）提高到過(guò)熱蒸汽溫度400℃，余熱鍋爐工作壓力不變。過(guò)熱器部件采用整體撬裝結(jié)構(gòu)，利于安裝。

另外，新增加了鍋爐控制系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備電機(jī)采用變頻控制，對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度、蒸汽壓力、水位控制等采用PLC進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整[2]。改造后的鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改造后的鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 改造依據(jù)

依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，具體標(biāo)準(zhǔn)包括TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》、TSG 91—2021《鍋爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)程》、GB/T16507《水管鍋爐》、NB/T47034—2013《工業(yè)鍋爐技術(shù)條件》、GB/T28056—2011《煙道式余熱鍋爐通用技術(shù)條件》、GB50273—2009《鍋爐安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、GB/T1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》、NB/T47055—2017《鍋爐涂裝和包裝通用技術(shù)條件》和GB13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

2.4 部件設(shè)計(jì)

2.4.1 第一煙道水冷壁

在焚燒爐進(jìn)口區(qū)域設(shè)置第一煙道，第一煙道設(shè)置有前水冷壁和左右水冷壁，后側(cè)設(shè)置水冷型槽形慣性分離器，煙氣在第一煙道經(jīng)90°轉(zhuǎn)向，經(jīng)槽形分離器除塵后，依次水平進(jìn)入后續(xù)對(duì)流區(qū)域受熱管屏。

水冷壁采用膜式壁管屏結(jié)構(gòu)，管子規(guī)格為Φ60mm×5 mm，節(jié)距為120 mm。

槽形慣性分離器基管采用Φ38 mm×6 mm厚壁管，節(jié)距為150 mm，鰭片高40 mm焊接于基管兩側(cè)，每500 mm設(shè)有2 mm間隙，以備膨脹。

2.4.2 第二煙道對(duì)流管屏

第二煙道對(duì)流管屏布置在槽形分離器后。管屏上下設(shè)有聯(lián)箱，呈組裝出廠(chǎng)，便于安裝。

管屏管子規(guī)格為Φ42 mm×5 mm，橫向節(jié)距為140 mm，縱向節(jié)距為160 mm。

2.4.3 第三、第四煙道對(duì)流管屏

第三、第四煙道對(duì)流管屏依次布置，管屏上下設(shè)有聯(lián)箱，呈組裝出廠(chǎng)，便于安裝。

管屏管子規(guī)格為Φ38 mm×4 mm，橫向節(jié)距為108 mm，縱向節(jié)距為140 mm。

2.4.4 過(guò)熱器

過(guò)熱器安裝在沸騰焚燒爐出口和余熱鍋爐進(jìn)口之間，為撬裝結(jié)構(gòu)，部件整體出廠(chǎng)。其支撐框架利用原有鍋爐鋼架，并局部在運(yùn)轉(zhuǎn)層增設(shè)支撐橫梁。

過(guò)熱器采用逆流換熱，順列布置，中間設(shè)置一級(jí)噴水減溫器。如圖2所示。

圖2 過(guò)熱器部件結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.4.1 結(jié)構(gòu)布置

過(guò)熱器分為高溫過(guò)熱器和低溫過(guò)熱器，兩級(jí)過(guò)熱器受熱面均為蛇形管結(jié)構(gòu)，單管圈順列布置。過(guò)熱器采用GB/T308720號(hào)無(wú)縫鋼管,規(guī)格為Φ38 mm×4 mm。管束通過(guò)材質(zhì)為06Cr25Ni20的管夾固定于通風(fēng)梁上，通風(fēng)梁由外護(hù)板進(jìn)行支撐。

硫鐵礦焚燒爐出口煙塵濃度大，磨損性強(qiáng)，為防止過(guò)熱器管路磨損，煙氣流速設(shè)計(jì)為7 m/s，并在兩級(jí)過(guò)熱器的第一排管束迎風(fēng)面設(shè)置耐高溫的防磨護(hù)瓦。

過(guò)熱器部件蒸汽流速設(shè)計(jì)約為22 m/s，系統(tǒng)汽水阻力小，避免汽包壓力升高。

過(guò)熱器部件采用耐火混凝土、保溫混凝土和硅酸鋁纖維板三層保溫結(jié)構(gòu)，耐火保溫層均在制造廠(chǎng)內(nèi)施工完成。設(shè)計(jì)部件外壁溫度≤50℃，具有優(yōu)良的保溫性能。

過(guò)熱器框架采用箱式組合梁，由槽鋼和鋼板組合而成。集箱和管束穿墻處全部采用鋼板罩殼密封，氣密性良好。

2.4.4.2 煙氣流程

高溫?zé)煔庾苑贌隣t出來(lái)自上而下橫向沖刷，依次經(jīng)過(guò)高溫過(guò)熱器和低溫過(guò)熱器，飽和蒸汽自下而上與煙氣方向呈逆流換熱，依次經(jīng)低過(guò)進(jìn)出口集箱、噴水減溫器和高過(guò)進(jìn)出口集箱，由主蒸汽管道將過(guò)熱蒸汽引至汽輪機(jī)組。

鍋筒、過(guò)熱器與噴水減溫器之間分別采用導(dǎo)氣管連接。

2.4.4.3 減溫方式

過(guò)熱器減溫器布置在高、低溫過(guò)熱器中間位置，采用噴水減溫器，減溫水為除鹽水。

噴水量由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)水溫靈敏，減溫效率高。

2.4.5 吹灰裝置

1）過(guò)熱器區(qū)域。在兩級(jí)過(guò)熱器的進(jìn)口處設(shè)置有吹灰裝置接管，采用空氣激波吹灰器進(jìn)行定時(shí)吹掃清灰。清灰氣源引自空壓站。

2）對(duì)流區(qū)域。在水冷壁及三級(jí)對(duì)流管屏區(qū)域，設(shè)置清灰機(jī)械振打裝置。機(jī)械振打采用振動(dòng)電機(jī)，激振力≥10 kN。

3 汽輪發(fā)電機(jī)組

本工程新增1套1000 kW背壓汽輪發(fā)電機(jī)組，利于高溫?zé)煔庥酂岙a(chǎn)生高溫參數(shù)蒸汽，經(jīng)汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電后，低壓余熱蒸汽供給車(chē)間生產(chǎn)用汽，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。

熱電聯(lián)產(chǎn)利用鍋爐蒸汽源和生產(chǎn)工藝用汽之間的蒸汽參數(shù)差，汽輪機(jī)發(fā)電過(guò)程中只消耗了蒸汽壓力和溫度，蒸汽量沒(méi)有損失，既能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝用低壓蒸汽的需求，又能減少企業(yè)外用電的采購(gòu)成本，是企業(yè)節(jié)能降耗、內(nèi)部挖潛、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)

4 環(huán)保設(shè)備改造

本工程新增1套陶瓷多管除塵器，布置在布袋除塵器前，處理煙氣量80000 m3/h，除塵效率＞60%，可有效減少袋式除塵器的工作負(fù)擔(dān)。

原系統(tǒng)設(shè)置有1臺(tái)玻璃鋼脫硫塔，本次在脫硫塔前增設(shè)洗滌塔，采用螺旋實(shí)心錐型脫硫噴嘴，提高脫硫效率，并在脫硫塔上方增設(shè)一層細(xì)分除霧裝置，共設(shè)三級(jí)。

系統(tǒng)投運(yùn)后，其排放指標(biāo)滿(mǎn)足在線(xiàn)監(jiān)測(cè)要求。

5 待改進(jìn)問(wèn)題及措施

5.1 積灰現(xiàn)象

試運(yùn)行初期，在過(guò)熱器區(qū)域沒(méi)有投運(yùn)吹灰裝置的情況下，實(shí)際運(yùn)行不到20 d的時(shí)間，過(guò)熱器開(kāi)始出現(xiàn)堵灰現(xiàn)象，高溫過(guò)熱器出口蒸汽溫度逐步下降，發(fā)電功率減小。

在第二、三煙道內(nèi)，管束間仍然存在積灰現(xiàn)象，其機(jī)械振動(dòng)清灰裝置效果較差。

擬將過(guò)熱器預(yù)留的空氣激波吹灰裝置盡快裝配完成，并在對(duì)流區(qū)域同步加裝激波吹灰裝置。

5.2 排煙溫度偏低

投運(yùn)初期，因硫鐵礦焚燒爐投料量不足，鍋爐排煙溫度低于300℃，在除塵器區(qū)的煙道內(nèi)形成低于酸露點(diǎn)的溫度區(qū)，對(duì)煙道形成一定的腐蝕。

后期根據(jù)生產(chǎn)情況，擬逐步加大投料量，并將煙道更換為玻璃鋼材質(zhì)，外部全部加裝保溫層。

6 結(jié)論及效益分析

本系統(tǒng)技改完成后，經(jīng)過(guò)熱態(tài)調(diào)試，余熱鍋爐蒸汽參數(shù)基本可達(dá)到設(shè)計(jì)值，滿(mǎn)足汽輪發(fā)電機(jī)組投運(yùn)需求，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

因硫鐵礦焚燒爐投料量穩(wěn)定性不足，鍋爐實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷有還一定的波動(dòng)性。經(jīng)72 h試運(yùn)行總結(jié)，按鍋爐平均蒸發(fā)量25t/h計(jì)算，排汽壓力控制在0.7MPa，其平均汽耗為29.5kg/（kW·h），平均發(fā)電量為847kW·h。

煙氣余熱鍋爐配套熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)按每年運(yùn)行6000 h計(jì)算，共計(jì)可生產(chǎn)并外輸蒸汽合計(jì)15萬(wàn)t，折合每年減少使用標(biāo)煤約1.9萬(wàn)t，減少CO2排放量4.978萬(wàn)t，減少SO2排放量456 t,減少氮氧化物排放量133 t，其減排量相當(dāng)于植樹(shù)造林3.7萬(wàn)畝，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

本系統(tǒng)的成功投運(yùn)，可為同行業(yè)提供參考。特別是隨著雙碳目標(biāo)的推進(jìn)，高耗能企業(yè)壓力巨大，采用余熱技術(shù)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，是相關(guān)企業(yè)的最優(yōu)選擇。