O2/CO2燃燒技術下的燃煤鍋爐設計及制造技術

寧星(福建省環(huán)境保護設計院有限公司，福建 福州 350001)

0 引言

本文主要探討了在目前燃煤鍋爐的設計及制造條件下，限制O2/CO2燃燒技術發(fā)展與實際應用的問題，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

O2/CO2燃燒技術是通過對常規(guī)空氣燃燒技術的改造形成的，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，目前該技術已經得到了相關行業(yè)學者的認可，該技術的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 O2/CO2燃燒技術工藝流程圖

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)相關文獻[1-2]，在O2/CO2燃燒過程中，當鍋爐尾部CO2濃度達到95%時，所需氧氣濃度對空分設備的要求基本能滿足，此時空分設備和CO2壓縮設備的耗能之和最小，為最經濟的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，一方面是因為鍋爐內部燃燒系統(tǒng)及煙風系統(tǒng)均為負壓系統(tǒng)，為外部空氣進入鍋爐提供動力；另一方面則是由于鍋爐本身的設計及制造問題，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量要求不嚴，因此存在一定的漏風[3]。

2.2 局部燃燒過快，易發(fā)生爆管

根據(jù)相關研究發(fā)現(xiàn)，O2/CO2燃燒技術下，O2濃度為30%左右時，燃燒較為穩(wěn)定，經濟性較好，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，從而造成局部熱負荷升高，爐膛受熱面溫度升高，最終導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 漏風減弱、負壓減弱，爐膛易結焦

另外，由于該技術對鍋爐整體性密封要求較高，因此當密封性提高后，必然導致鍋爐漏風減弱，負壓減弱的情況出現(xiàn)，燃燒中的高溫煙氣會直接與鍋爐水冷壁接觸，受冷后燃燒的中間物焦油、炭黑等物質會迅速凝結到水冷壁管壁上，從而形成結焦，結焦現(xiàn)象會嚴重影響受熱面的吸熱能力，最終導致鍋爐水冷壁熱負荷降低，爐膛出口處煙溫過高，導致過熱器、再熱器等高溫受熱面溫度過高，造成爆管，嚴重危害鍋爐的安全運行。

3 O2/CO2燃煤鍋爐設計及制造建議

3.1 加強鍋爐密閉性設計

加強鍋爐密封性設計是O2/CO2燃燒技術的關鍵，因此必須從現(xiàn)有鍋爐密封設計進行改善。目前根據(jù)各個大型鍋爐廠以及電廠的經驗，鍋爐主要漏風發(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，導致更嚴重的漏風甚至是運行事故。因此目前普遍采用柔性密封，即吊掛管可以在一定范圍內相對頂棚自由活動的密封技術，但該密封普遍采用柔性的密封材料，密封效果較差，無法達到O2/CO2燃燒技術的密封要求。

在現(xiàn)有技術條件下，若要達到高密封要求，還是需要使用焊接等剛性密封技術。在這種情況，可以在所有鍋爐穿棚管上方管道設置金屬膨脹節(jié)，來達到吸收膨脹的目的，而穿棚處則可以進行完全焊死。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)的設計，具體結構示意如圖2所示。

圖2 增加膨脹節(jié)的鍋爐頂棚密封結構

3.2 提升非受壓元件間的焊接質量

對于鍋爐的制造，焊接技術是核心制造工藝，目前各類受壓元件的焊接均有嚴格的焊接規(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商根據(jù)現(xiàn)場安裝需求以及自身加工設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量普遍不重視，且經常使用無焊工證的工人進行焊接操作來降低人工成本，因此在現(xiàn)場檢查時，經常發(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，在鍋爐設計過程中，應對非受壓元件工地對接焊縫的焊接提出設計要求并進行改造設計，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行焊工，且增加超聲檢測、放射性檢測質量管控措施確保工地對接焊縫的焊接質量。

3.3 設計高純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的發(fā)生，但仍會存在一定的漏風率，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，漏進去的只是高純CO2，對最終煙氣中CO2濃度不會造成影響。設置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)設置后，鍋爐本體的附近已不允許人員進入，普通的鍋爐運行操作或檢修工作必須依靠及檢修設備自動完成，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荷過高的問題是關鍵點，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 ℃。當熱負荷提高后，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的鋼管，否則會造成成本大幅增加，建議局部高熱負荷區(qū)域增加熱負荷，如燃燒器附近區(qū)域可采用不銹鋼，而剩余的低負荷區(qū)域則依然采用合金鋼。改進后的鍋爐爐膛受熱面的典型布置如圖3所示。當鍋爐受熱面改進后，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，彎管較為復雜，不銹鋼鋼管彎管一般采用冷彎+彎頭固溶化熱處理技術，以提高其性能，這要求制造廠商擁有先進的彎管機和熱處理設備，且有較成熟的彎管技術與熱處理技術。另外，當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，化學成分差距較大，因此直接焊接會造成焊接質量降低，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，具體形式如圖4所示。

圖3 改進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度及頻率

由于鍋爐密封性的提升與鍋爐更容易結焦之間存在必然關系，如何處理結焦將是關鍵問題，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，對結焦處進行吹掃，從而降低結焦對鍋爐受熱面吸熱的影響，因此適當增加吹灰器的使用頻率是應對結焦增加的有效手段。

4 結語

結合現(xiàn)有O2/CO2鍋爐設備的設計制造情況，認為目前鍋爐設計制造技術存在以下問題：鍋爐整體密封性較差；局部燃燒過快易發(fā)生爆管；漏風減弱、負壓減弱，爐膛易結焦等問題限制了O2/CO2燃煤鍋爐技術的發(fā)展。針對以上問題，提出以下建議：加強鍋爐密閉性設計；提升非受壓元件間的焊接質量；設計高純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度及頻率。