燃氫鍋爐結構、運行及維護

李春寶

（上海氯堿化工股份有限公司華勝化工廠，上海 201507）

上海氯堿化工股份有限公司華勝化工廠已經在上海化工區(qū)與Bayer、Huntsman和BASF公司的產品鏈形成園區(qū)型循環(huán)經濟模式。燒堿生產能力為72萬t/a。

在燒堿生產過程中產生大量富余氫氣，一直沒有很好利用。經過反復論證與市場調研，2009年，由中國船舶重工集團七一一研究所總承包，建設了2臺以氫氣作燃料的中壓蒸汽鍋爐，運行至今，狀況良好。2012年，上海氯堿化工股份有限公司又新建2臺中壓蒸汽鍋爐，使寶貴的氫能源得到充分利用，節(jié)能減排，產生了很大的經濟效益。

1 鍋爐本體結構簡介

LHS10-2.45型氫氣鍋爐為立式自然循環(huán)燃氣鍋爐，具有結構簡單、尺寸緊湊、占地面積小、壽命長、傳熱效率高等特點。鍋爐采用立式結構，煙氣由下向上依次通過爐膛，對流受熱面和省煤器，直接通向煙囪排大氣，能最大程度減少煙氣流程死角，避免了因未燃氫氣滯留而引起爆燃。

LHS10-2.45型氫氣鍋爐主要由圓形爐膛與汽水鍋筒2大部件組成，為圓筒、煙管型結構，一體化出廠，到現(xiàn)場直接支承在結構基礎上，并建操作平臺、扶梯和安裝煙囪，并對鍋爐燃燒系統(tǒng)，汽水系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進行安裝。

鍋爐圓形爐膛直徑?2 250 mm，由90根直徑?51 mm×4 mm膜片管構成。膜式水冷壁管束上部與球形護膽封頭連接，下端與中心直徑為2 250 mm的外形聯(lián)箱焊接，膜式水冷壁主要吸收爐膛的輻射熱，在水冷壁外圍布置了14根?76 mm×5 mm的不受熱下降管。圓筒形爐膛為一氣密性爐膛，可保證鍋爐在微正壓燃燒時煙氣不致外逸。爐膛的上方設置了1個防爆門，在爐膛上不同位置布置了3只觀火裝置，以觀察爐內燃燒情況。爐膛下部布置有一人孔裝置，方便鍋爐停爐檢修時進入爐內。環(huán)形聯(lián)箱由?273 mm×16 mm的無縫鋼管經中頻加熱彎制而成。底部環(huán)形集箱上開了2只108 mm×94 mm手孔，可供停爐時打開清除泥渣等物。環(huán)形集箱上還有2只DN25下排污閥接管。

鍋爐上部汽水鍋筒由球形膽封頭，筒體及平管板組成，上下封頭之間以正三角形方式布置了五百八十多根單頭內螺紋管受熱元件，其管徑為?51 mm×4 mm（周邊管為?51 mm×5 mm），螺紋槽深為1.5 mm，螺距為25 mm。爐膛出口的高溫煙氣對管子進行縱向沖刷，由于煙氣在通過內螺紋管時，氣流擾動比光管劇烈，傳熱效果比光管好。上部汽水鍋筒上布置主汽閥，安全閥，給水閥，水位計，水位控制器，壓力表，上排污閥及放空閥等主要接口，并布置了2只300mm×400 mm的人孔裝置，可供組裝鍋筒內部設備時人員進入施工。為進一步提高蒸汽品質，蒸汽從主汽閥出來后再進入位于鋼架頂部的爐外干汽包，經汽水分離后，送到用戶。

鍋爐頂部有1個方圓過渡的連接煙道，將煙氣引至布置在其上方的省煤器，最后再通過1個方圓過渡的連接煙道將煙氣排至煙囪。省煤器進出口集箱間共布置了12×10根螺旋翅片管，螺旋翅片管的結構是在?32 mm×3.5 mm對額管子外焊接高度為15 mm，厚度為1 mm，全片的節(jié)距為5 mm。用翅片管作為換熱元件，可以增加單位長度的換熱面積，減小省煤器的體積，降低煙氣流動阻力。

鍋爐的外部絕熱保溫材料選用纖維氈 （局部再加硅酸鋁），爐膛部分保溫層厚度為300 mm，其余部分為170 mm，保溫層外用鍍鋅鐵皮包復。爐膛底部砌有莫來石耐火澆注料及輕質隔熱澆注料，爐底的中心布置燃燒器。

2 鍋爐主要技術性能參數

額定蒸發(fā)量 10 t/h

設計壓力 2.65 MPa

工作壓力 2.45 MPa

給水溫度 105℃

設計效率（全工況）>90%

額定燃耗 2 362.2 m3/h

燃料成分 99%（V）氫氣

燃料器形式 擴散式氣體燃燒器燃燒器機組總功率100 kW

鍋爐機組電源，總功率

3～380 V 50 Hz 140 kW

鍋爐外形尺寸（直徑×總高）～?2900mm×8200mm

鍋爐干重 ～34 t

水容積 ～17.28 m3

3 鍋爐給水系統(tǒng)

每臺鍋爐配有2臺臥式多級鍋爐給水泵，其中，1臺為備用泵，組成既可獨立又可互相關聯(lián)的2套給水系統(tǒng)，筒體上裝設有給水截止閥和給水截止止回閥。

給水泵型號：DG(A)25～30臥式多級離心水泵

揚 程：340 m

流 量：15 m3/h

電機功率：45 kW

鍋爐設有2套水位控制器及二副平板式玻璃水位表，水位控制器中，一套為水位調節(jié)裝置，另一套為極限低水位報警裝置。當鍋爐水位處于極限低水位時，通過繼電器動作切斷燃燒。鍋爐水位控制是通過水位調節(jié)裝置將差壓信號送到給水調節(jié)閥，由給水調節(jié)閥自動，連續(xù)地調節(jié)給水量，使鍋爐水位保持在正常范圍內。當給水泵啟動后，給水泵出口壓力低于3.0 MPa時，備用給水泵自動啟動，以使水位恢復正常。

4 鍋爐燃燒系統(tǒng)

鍋爐的燃氣由99%（V）純氫氣經羅茨風機提升到20 kPa進入燃燒氣管道。采用機電一體化全自動分體式氫氣燃燒器，燃燒氫氣采用擴散式燃燒方式，氫氣燃燒器為環(huán)狀布置，設多根氫氣燃燒噴口，燃燒空氣從中心導流葉片和漩渦狀擴散器切向進入爐內，和噴入的氫氣混合，使氫氣和空氣達到良好混合并燃燒。

根據 《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》第167條“用煤粉，油或氣體作燃料的鍋爐，必需裝設可靠的點火程序控制和熄火保護裝置”的規(guī)定，本鍋爐配置了自動點火系統(tǒng)。

每臺氫氣鍋爐的自動點火系統(tǒng)由電點火捧，高能點火變壓器，2只火焰檢測器以及相應的管路控制閥門組成，并通過在PLC中編制程序來控制。滿足點火程序控制，啟動和熄火保護的要求，高能點火變壓器安裝在就地的點火變壓器箱內，由220/240 V交流電源供電，它產生一個高壓（8～10 kV）電源閃出電火花，點燃輸入的天然氣，產生火焰。

鍋爐為全自動操作，用氮氣吹掃爐膛，用天然氣點火?；鹧鏅z測器檢測到點火成功，氫氣閥才打開，否則，立即切斷氫氣。本鍋爐具有安全的火焰檢測系統(tǒng)，燃燒器配備雙重火焰檢測器及雙重氫氣自動切斷閥，具有雙重保護。

在氫氣管路設置阻火器，可以進一步防止回火現(xiàn)象，確保本臺鍋爐安全可靠。

燃燒器的調節(jié)方式為根據氫氣燃料流量訊號，送到燃料/風量比值器、風量控制器，自動調節(jié)風量，氫氣的流量則根據蒸汽壓力訊號的變動進行調節(jié)。

燃燒系統(tǒng)采用燃氣泄漏自動檢測、燃氣壓力保護、空氣壓力保護，當燃氣壓力大于或小于設置的最大壓力值或最小值時，將立即切斷氫氣氣源，同時，為保證切斷動作的安全可靠，氫氣切斷閥采用壓縮空氣閥。

5 鍋爐主要熱工參數的自動調節(jié)

主要熱工參數的自動調節(jié)內容包括：

（1）2臺氫氣鍋爐供汽母管的壓力控制；

（2）每臺氫氣鍋爐的燃燒自動控制，包含燃燒氫氣量和所需燃燒的空氣量自動調節(jié)；

（3）每臺氫氣鍋爐的水位自動調節(jié)。

6 氫氣鍋爐運行熱工參數的檢測與報警

氫氣鍋爐的工藝運行操作要求設置必要的運行參數檢測及報警信號，進行溫度、壓力、流量和液位等參數的檢測及報警，重要的熱工檢測及報警的信號通過就地的PLC的RS-485通信送入總控制室的DCS系統(tǒng)。

7 氫氣鍋爐的停爐連鎖自動保護

氫氣鍋爐在運行時，發(fā)生下列情況之一，即進入事故停爐連鎖自動保護。2只火焰檢測器檢測均無火焰；鍋爐汽包壓力高；鍋爐汽包水位低；鍋爐送風機跳閘；供給氫氣壓力高或低。

停爐連鎖自動保護啟動時，將發(fā)出綜合故障信號給PLC，與此同時，立即切斷氫氣供給，并進行爐膛自動吹掃。

8 鍋爐的安全運行和可能發(fā)生的故障及其處理方法

為確保LHS10-2.45氫氣鍋爐能安全運行，必須使鍋爐的給水及爐水及爐水品質符合GB1576-85《鍋爐水質標準》中有關規(guī)定。

8.1 鍋爐啟動前應注意

（1）啟動前，應認真做好準備工作，仔細檢查鍋爐及系統(tǒng)各有關部件和機電設備的工作是否正常，各閥件的開關是否處于正確位置。

（2）應防止點火時產生冷爆故障。點火前，必須進行前掃氣，對自動點火程序，通過PLC來控制前掃氣時間。首先對爐膛掃氣，然后對氫氣管進行掃氣，一定要有足夠的前掃氣時間，掃氣完成并進行爐膛測爆后，方進行點火。 點火前，應檢查高能點火器是否處于正確位置，確保點火成功。

8.2 鍋爐正常運行

（1）鍋爐給水需進行處理至總硬度0.035mmol/L。

（2）鍋爐正常燃燒后，當空氣閥有蒸汽逸出時，關閉空氣閥并開始升壓。

（3）在鍋爐升壓及正常運行中，應隨時注意各閥件有無泄漏，并應消除。

（4）自動運行時，應經常觀察鍋爐汽壓，水位及爐內燃燒是否正常。當鍋爐處于手操狀態(tài)時，操作人員不得離開現(xiàn)場，要嚴密監(jiān)視鍋爐壓力，水位和燃燒是否正常。

（5）當鍋爐發(fā)生故障時，應立即停爐并查明原因。

8.3 鍋爐經常性管理中的注意事項

（1）本鍋爐配置有2只水位表，水位表應經常沖洗，以保持水位表指示的正確性及玻璃的清潔。若發(fā)現(xiàn)其中1只水位表損壞，應及時進行修理，如2臺水位表同時損壞，則應臨時停爐，直到有1臺水位表恢復正常后方可繼續(xù)運行。

（2）鍋爐上，下排污閥進行連續(xù)排污，排污量控制在蒸發(fā)量的5%以內，以確保鍋內水質符合要求。

（3）為避免安全閥日久銹蝕失效，每月應拉動安全閥手動開啟裝置，排氣一次，以檢查安全閥的工作可靠性。拉動安全閥手動開啟裝置時，應在鍋爐內有壓力情況下進行，以免雜物夾在閥座上引起閥的泄漏而影響正常使用。

8.4 鍋爐可能發(fā)生的故障及其處理方法

（1）缺水。當鍋爐處于自動控制給水狀態(tài)，如因某種原因造成鍋爐水位降低至極低水位，鍋爐即自動報警，并同時切斷燃燒。檢查缺水原因并解決后，鍋爐即能重新投入運行。如在水位監(jiān)控顯示屏中突然發(fā)現(xiàn)水位低于正常水位，直至低于低水位而自動控制系統(tǒng)并沒有報警，表明缺水時間短，可立即補充給水并檢查自動控制系統(tǒng)的故障。如在水位監(jiān)控顯示屏中發(fā)現(xiàn)水位表內已看不到水位時，應立即停爐檢查。如確認缺水時間很短，則可立即補充給水；若發(fā)現(xiàn)缺水時間較長，則不能立即補給水，以免較低溫度的給水與過熱的鍋爐受熱面接觸，引起材料與設備的損壞，此時應先檢查受熱面過熱情況及水位表接管有無堵塞，旋塞位置是否正確，再做處理。

（2）在有下列情況時鍋爐應緊急停爐：給水設備全部失效；所有水位表，壓力表，安全閥的一種全部失效；燃燒器或自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障；鍋爐的主要零部件發(fā)現(xiàn)裂紋或水冷壁管爆破；緊急停爐后，應防止事故進一步擴大。

9 鍋爐的維修保養(yǎng)

（1）根據“蒸汽鍋爐安全技術檢查規(guī)程”（1996）及使用部門的有關規(guī)定，必須制定鍋爐使用維修保養(yǎng)的操作規(guī)程，并要求操作人員嚴格執(zhí)行。

（2）鍋爐停爐時的保養(yǎng)包括以下內容：

a.短期停爐時，鍋爐保持原水位即可；

b.短期保養(yǎng)一般采用濕保養(yǎng)，即滿水保養(yǎng)，但這不適合冬季情況，以免鍋水結冰而凍裂設備，造成破壞；

c.長期保養(yǎng)一般采用干保養(yǎng)，即停爐后將鍋水放干，打開上部筒體人孔蓋及環(huán)形聯(lián)箱上的手孔蓋，最好用壓縮空氣將內部吹干，然后以2 kg/m3（鍋爐容積）的無水CaCl2用紗布包扎成若干小包，從人孔及手孔放入鍋爐內部，并隨之緊閉人孔蓋及手孔蓋，以免空氣進入，定期檢查吸濕情況并更換。放入的紗布包要做好記錄，在鍋爐重新啟用前，要全部取出，切不可遺留在內。

d.鍋爐停用后，如有結冰可能時，應把爐內水全部放光。

10 運行總結及效益

2臺氫氣鍋爐從投產至今已有二年多，運行可靠。美中不足的是，點火系統(tǒng)不穩(wěn)定。因點火槍 （電點火捧、）和助燃儀表氣都是現(xiàn)場安裝和調試，其長度和角度，儀表氣的壓力等影響很多。造成點火不成功率偏大，建議做成標準件。其次因鍋爐汽包水為高溫、堿性、壓力高，現(xiàn)場液位計損壞嚴重，要改進液位計選型。

另2臺燃氫鍋爐投運后，4臺燃氫鍋爐可利用氫氣量為14 720萬m3/a，以年運行時間8 000 h計，生產2.45 MPa（G）蒸汽51.2萬t/a。鍋爐給水52萬t/a，采用燒堿蒸發(fā)裝置產生的蒸汽凝結水，既解決了凝結水回收的問題，又節(jié)約了能源。 以外購蒸汽價387.56元/t（不含稅）計，費用為 19 843萬元/a，則可節(jié)約成本10329萬元/a；以外購鍋爐給水價21.08元/t（不含稅）計，費用為1 096萬元/a，則可節(jié)約成本1 022萬元/a。合計11 351萬元/a。

氫氣作為公認的清潔能源，完全燃燒后，不會對環(huán)境造成污染。