燃氣鍋爐負荷提升優(yōu)化研究

張文亮，陳瑞軍，高 磊

(內(nèi)蒙古自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院包頭分院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

我國“碳達峰、碳中和”決策部署的重要性不言而喻，“雙碳”目標關(guān)乎中華民族的永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運共同體。據(jù)不完全統(tǒng)計，鋼鐵行業(yè)消耗的能源約為全國總能耗能源的15%[1]，可見，降低鋼鐵企業(yè)的能耗對實現(xiàn)“雙碳”有重大意義。鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)的同時也產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)煤氣，副產(chǎn)煤氣作為二次能源可作為自備電廠鍋爐燃料使用。鍋爐屬于高耗能設(shè)備，是保障國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是能源消費大戶和重要的大氣污染源。因此，實現(xiàn)好鋼鐵企業(yè)自備電廠的燃氣鍋爐高效運行既可實現(xiàn)副產(chǎn)煤氣高效利用，也是鋼鐵行業(yè)“減虧、治虧”、“提質(zhì)增效”、實現(xiàn)“碳中和、碳達峰”的重要措施。

本文以包鋼熱電廠9號煤氣鍋爐為研究對象，首先對該鍋爐負荷降低可能原因進行分析。對比負荷降低前后時間段的運行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)影響鍋爐帶負荷能力的主要原因是爐膛負壓，負壓低影響燃料投運；并通過尾部煙道受熱面實際阻力與設(shè)計阻力分析對比、實際溫降與設(shè)計溫降分析對比，找到煙氣段阻力增加是影響爐膛負壓的主要原因。進一步以煙道阻力增加為切入點，發(fā)現(xiàn)負荷降低主要是由于原煤氣預(yù)熱器存在煙氣側(cè)管路彎頭多阻力大、煤氣預(yù)熱器熱管結(jié)構(gòu)布置難清灰、空氣預(yù)熱器堵塞及低溫腐蝕等問題，造成煙道阻力增大。

通過以上分析，基于負荷降低根本原因，提出更換新型煤氣預(yù)熱器及煙道改造更換、空預(yù)器設(shè)備維護優(yōu)化方案；對鍋爐煤氣預(yù)熱器及煙道的改造及運行優(yōu)化調(diào)整，降低煙道阻力到設(shè)計值；爐膛壓力穩(wěn)定，實現(xiàn)煤氣大量投運，鍋爐帶負荷可達到設(shè)計負荷220 t/h，提高了鍋爐的熱效率、經(jīng)濟性和可靠性。

1 鍋爐運行情況及影響鍋爐負荷因素分析

收集近幾年的鍋爐負荷運行數(shù)據(jù)：負荷下降沒有明顯的外界或內(nèi)部變化，如圖1所示。

圖1 鍋爐近幾年負荷趨勢

9號爐實際負荷從2018年12月開始下降，2020年底最低負荷只達到160 t/h左右，占設(shè)計負荷的70%左右，降低了蒸汽發(fā)生量、發(fā)電量，甚至影響到包鋼集團公司經(jīng)濟效益。

1.1 從燃料的影響分析

如果煤氣熱值低于設(shè)計熱值較多[2]，煤氣中可燃成分CO、H2等含量低，煤氣理論燃燒溫度降低，造成燃燒區(qū)溫度下降，爐膛溫度降低，水冷壁爐膛輻射吸熱量減少，負荷降低。設(shè)計計算用高、焦爐煤氣成分如表1和表2所示。

表1 高爐煤氣成分分析

表2 焦爐煤氣成分分析

通過對高焦爐煤氣不同時段熱值分析，如圖2所示，高焦爐煤氣實際熱值高于設(shè)計熱值較多，理論上分析燃料熱值高，造成燃燒區(qū)溫度上升，爐膛溫度高，鍋爐負荷增加。但是，鍋爐實際負荷從2018年底，負荷一直呈下降趨勢。所以，鍋爐負荷低與高焦爐煤氣實際熱值無關(guān)。

(a)焦爐煤氣(b)高爐煤氣圖2 高爐(焦爐)煤氣實際熱值與高爐(焦爐)設(shè)計熱值對比

1.2 從介質(zhì)的影響分析

9號爐負荷對應(yīng)給水溫度情況比較如圖3所示，即使給水溫度在185 ℃左右，負荷仍可達到200 t/h以上，說明給水溫度降低也不是引起9號爐負荷降低的原因。

圖3 給水溫度

1.3 換熱分析

鍋爐升負荷試驗發(fā)現(xiàn)，在負荷升高過程中，因負荷上升，燃料煤氣投入量大，生成煙氣量大，即使吸風(fēng)機入口擋板全開，爐膛負壓仍會隨負荷上升而降低，因此，采取鍋爐降負荷運行，而爐膛負壓由于無爐膛負壓記錄，只能通過吸風(fēng)機電流變化趨勢來分析，9號爐吸風(fēng)機電流數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 吸風(fēng)機電流對比

理論上負荷穩(wěn)定、煙氣量穩(wěn)定，引風(fēng)機電流值也相對穩(wěn)定。由圖4可以看出，2018年3—12月這個階段，鍋爐負荷在200 t/h左右，吸風(fēng)機電流呈較大上升趨勢，直到吸風(fēng)機電流達到峰值，引風(fēng)機電流值與鍋爐負荷不對應(yīng)。通過圖4 2018年12月—2020年9月這一階段，吸風(fēng)機電流值從峰值呈下降趨勢，通過崗位運行記錄，運行人員為保證爐膛壓力穩(wěn)定在-100～-50 kPa之間，吸風(fēng)機擋板在持續(xù)開大，2018年末吸風(fēng)機電流達到峰值，雖然擋板全開，電流仍有較大幅度降低，而負荷也隨之下降，為保證爐膛負壓，在吸風(fēng)機擋板全開的情況下，只得降低負荷運行，爐膛換熱效果不好是導(dǎo)致9號爐負荷降低的主要原因。而造成鍋爐換熱效果降低又有諸多原因，包括系統(tǒng)漏風(fēng)、受熱面老化、腐蝕、堵塞及燃料配比不合理等原因。

a.系統(tǒng)漏風(fēng)

鍋爐的尾部煙道出口煙氣殘氧量控制一般在2%～3%，9號鍋爐實際殘氧量為6%～8%。這可能是漏風(fēng)引起，也會造成煙氣量偏大。吸風(fēng)機負荷增大，負壓降低。針對以上分析，對鍋爐做漏風(fēng)試驗。檢查結(jié)果：爐膛1號角剛性梁連接開焊，漏風(fēng)較大；4號燃燒器處耐火搗料燒壞，漏風(fēng)較大；尾部煙道膨脹節(jié)等部位有漏風(fēng)；低溫段空氣預(yù)熱器管有腐蝕漏風(fēng)情況；低溫段空氣預(yù)熱器管堵塞較嚴重。

通過鍋爐漏風(fēng)試驗，找到鍋爐爐膛漏風(fēng)、煙道漏風(fēng)、空氣預(yù)熱器漏風(fēng)、燃燒器處漏風(fēng)，以上部位漏風(fēng)使爐膛負壓降低。

b.受熱面換熱效果降低

對比尾部煙道受熱面煙氣阻力變化，發(fā)現(xiàn)下級空氣預(yù)熱器及煤氣預(yù)熱器煙氣阻力較設(shè)計值明顯增加，表3是鍋爐煙氣各換熱面阻力與設(shè)計值對比。

表3 煙氣實際與設(shè)計阻力對比

由表3可見，與設(shè)計阻力相比，9號爐煙氣整體阻力增加3089 Pa,從而使爐膛負壓下降，影響鍋爐負荷。9號鍋爐煤氣預(yù)熱器實際阻力比設(shè)計阻力增加了554 Pa，占鍋爐整體阻力的18%。低溫段空氣預(yù)熱器實際阻力比設(shè)計阻力增加了2636 Pa，占鍋爐整體阻力的85%。由此可見煤氣預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器實際阻力超過設(shè)計阻力。

通過表4看各受熱面排煙溫度，可見空氣預(yù)熱器及煤氣預(yù)熱器壓降明顯大于設(shè)計值，即可判斷下級空氣預(yù)熱器及煤氣預(yù)熱器存在較大的換熱問題。下級空氣預(yù)熱器處煙氣溫度高于設(shè)計溫度，說明該受熱面換熱效率低，而排煙溫度高于設(shè)計值，說明煤氣預(yù)熱器換熱效果差。

表4 煙道受熱面溫度 單位：℃

c.燃料配比不合理

由于高焦爐煤氣熱值差異較大，在混合燃燒時，很容易產(chǎn)生不完全燃燒的現(xiàn)象，從而影響換熱效率。9號爐在尾部煙道設(shè)置一氧化碳濃度測量裝置，測量數(shù)值是指占煙氣的比例。通過測量，一氧化碳與煙氣的質(zhì)量比在500 mg/kg以上，嚴重超出50 mg/kg的設(shè)計值，說明燃料配比不合理，存在不完全燃燒的現(xiàn)象[4]。

2 預(yù)熱器換熱效果差原因分析

2.1 低溫段空氣預(yù)熱器

通過對9號爐低溫段空氣預(yù)熱器檢查發(fā)現(xiàn)，煙氣側(cè)堵塞嚴重，如圖5所示。通過對堵塞物的化學(xué)成分可以得出，堵塞物主要是焦爐煤氣燃燒形成的硫酸鹽垢，其形成原因是由于流經(jīng)各受熱面，煙氣溫度逐漸降低，到尾部受熱面時，尾部受熱面的溫度處于發(fā)生低溫腐蝕的溫度附近。這時如果煙氣中含有硫化物的混合物，使煙氣的露點升高，煙氣中的硫化物便會在尾部受熱面上進行凝聚，煙氣中的硫雖然很少，但是經(jīng)過露點凝聚后大大提高[5]。硫化物凝聚在尾部煙道設(shè)備后便會開始腐蝕，腐蝕的速度和設(shè)備壁溫有直接的關(guān)聯(lián)。在壓力一定的情況下，溫度越低二氧化硫越容易轉(zhuǎn)化為三氧化硫，而當溫度過高時，很難進行轉(zhuǎn)化。由于流經(jīng)多個受熱面進行多次換熱，煙氣中的熱量逐漸降低，到鍋爐尾部時溫度已經(jīng)很低，非常利于三氧化硫的生成，也是發(fā)生低溫腐蝕的常見部位[6]。

圖5 9號爐低溫段空氣預(yù)熱器檢查

2.2 煤氣預(yù)熱器

煤氣預(yù)熱器的熱介質(zhì)為鍋爐尾部煙氣，冷介質(zhì)為作為鍋爐燃料的高爐煤氣，是利用煙氣的余熱加熱進入鍋爐的煤氣。這樣降低了排煙溫度，提高了煤氣溫度，降低煤氣著火溫度，減少了煤氣著火前的吸熱，減少了鍋爐熱損失，鍋爐熱效率提高。而9號爐煤氣預(yù)熱器原始的設(shè)計阻力高，原始設(shè)計阻力就高達808 Pa；且實際運行中煤氣預(yù)熱器煙氣側(cè)積灰嚴重，如圖6所示。煤氣預(yù)熱器本體運行阻力大，當鍋爐負荷提高時，其阻力繼續(xù)上升，造成引風(fēng)機超載，鍋爐爐膛負壓不穩(wěn)。煤氣預(yù)熱器煙氣側(cè)設(shè)計阻力808 Pa，目前實際運行在70%的鍋爐負荷時，煤氣換熱器進口至引風(fēng)機前阻力約為2000 Pa，造成鍋爐帶負荷能力下降，嚴重影響鍋爐的帶負荷能力，而且換熱器表面積灰，傳熱熱阻增加；換熱器加熱煤氣能力差。

圖6 原煤氣加熱器煙氣側(cè)積灰

3 改造方案

3.1 低溫段空氣預(yù)熱器

由于低溫段空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)較為簡單，且通過風(fēng)壓試驗檢測，低溫段空氣預(yù)熱器雖存在結(jié)垢及低溫腐蝕現(xiàn)象，但未出現(xiàn)漏風(fēng)情況，可采用定期高壓清洗的方法進行疏通，低溫段空氣預(yù)熱器維護優(yōu)化前后對比，如圖7所示。

圖7 低溫段空氣預(yù)熱器維護優(yōu)化前后對比

3.2 煤氣預(yù)熱器本體及煙氣側(cè)煙道

a.煤氣預(yù)熱器煙道阻力大，為了安裝換熱器，將煙道從標高5 m處向上引至約標高25 m處，然后旋轉(zhuǎn)180°再引回標高5 m處，煙氣在此過程中經(jīng)過旋轉(zhuǎn)了4個90°的彎頭多走長度40 m，其沿程阻力不可小視，在不改變煙道設(shè)計走向的情況下阻力無法降低。

b.原煤氣加熱器采用單根熱管的形式制作，熱管的使用壽命一般為3～5年，隨著使用時間的延長，由于工作液體與熱管材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，熱管內(nèi)會產(chǎn)生不凝性氣體，在熱管工作時，該氣體匯集到冷凝段聚集起來形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化，傳熱能力降低甚至失效。

c.換熱器采用單根重力型熱管的設(shè)計，所以無法對熱管進行再生(排氣)作業(yè)，當熱管換熱能力下降(失效)時，只能采用更換的辦法。

d.原煤氣加熱器設(shè)計時為了強化傳熱、減小換熱器的換熱面積，采用了錯排布置的方案，如今進行清洗時，壓縮空氣或者高壓水僅僅能沖洗到第1排管子和第2排管子的正面，第3排管子將完全沖洗不到，因此清洗的效果會非常差。

更換煤氣預(yù)熱器投資約150～200萬元，按最大費用200萬元考慮。投資效益按增加煤氣預(yù)熱器后煤氣由管網(wǎng)溫度加熱到進爐膛溫度136 ℃吸收的熱量所能增加的負荷計算。統(tǒng)計2017年各月煤氣預(yù)熱器前煤氣溫度下，煤氣回收余熱增加鍋爐負荷及增加的效益如表5所示。

表5 9號爐煤氣預(yù)熱器增加負荷估算

按最大投資200萬元，回收投資需要14.5個月，9號爐煤氣預(yù)熱器已使用10年以上，收益已遠高于投資，如簡單清洗及更換部分組件，只會使運行工況不斷惡化，其對鍋爐負荷的影響也會繼續(xù)伴隨，必須整體更換煤氣預(yù)熱器及重新布置煤氣管路。

3.3 新型煤氣換熱器采用無機傳熱元件技術(shù)

無機傳熱元件作為換熱器的換熱元件，該元件類似于熱管，使用方式和換熱計算與熱管完全相同。但其傳熱機理與熱管有根本的區(qū)別，使用性能也比熱管優(yōu)良得多。熱管的傳熱機理為管內(nèi)工質(zhì)汽—液相變，在熱流體側(cè)蒸發(fā)，冷流體側(cè)冷凝，通過相變汽化潛熱傳遞熱量。而無機傳熱元件的傳熱機理為元件內(nèi)部無機傳熱工質(zhì)受熱激發(fā)后，高速振蕩摩擦，以波的形式傳熱。

a.采用整體式結(jié)構(gòu)

由于高爐煤氣為易燃易爆介質(zhì)，在設(shè)備中不允許煙氣和煤氣間發(fā)生泄漏而混合。因此本設(shè)計中要求嚴格保證設(shè)備的密封性。將煙氣側(cè)吸熱換熱面和煤氣側(cè)放熱換熱面分別布置在彼此獨立的通道內(nèi)，煙氣側(cè)吸熱面吸收的煙氣熱量通過無機傳熱元件傳遞給煤氣側(cè)放熱面，進而對流放熱面以對流形式傳遞給煤氣。

煙氣側(cè)和煤氣側(cè)換熱面翅片管基管均選用無縫鋼管，翅片選用O8AL材料。沿氣體流向共布置30組換熱元件，換熱元件沿氣流方向錯列布置。為了調(diào)整換熱元件壁溫，防止低溫結(jié)露，換熱元件按煙氣溫度分段設(shè)計，每段采用不同的翅片參數(shù)。

b.煤氣側(cè)積灰措施

煤氣中的含塵量為10 mg/Nm3，煤氣量最大為180 972 Nm3/h，煤氣最大帶塵量為1.8 kg/h，每年運行時間按7000 h計算，年塵量為12 600 kg，如此大的灰量如果沉積在換熱面上，將嚴重影響設(shè)備的換熱效果，為此采取如下措施：在煤氣進口前設(shè)置機械水分離板，同時具有慣性除塵作用；保證煤氣在翅片垂直布置，氣體流動方向是上下流動方向，利于自清灰；翅片管節(jié)距不小于8 mm，防止積灰搭橋；在煤氣換熱器中部安裝2臺聲波吹灰器，利用氮氣定期吹灰；在煤氣換熱器進口接管和出口接管各裝一個清灰門，停車時進行人工清灰；在機械水分離板下部和安裝聲波吹灰器位置的下部安裝排水裝置；防止換熱面結(jié)露。

c.煙氣側(cè)改造

煙氣中煙塵的來源為煤氣，煤氣經(jīng)煤氣換熱器分離掉一部分灰塵，再經(jīng)爐膛燃燒及預(yù)熱器前各段鍋爐換熱面又可分離掉一部分灰塵，只有少量的灰塵進入煤氣預(yù)熱器，因此在煙氣側(cè)換熱器中只要使管壁溫度高于煙氣露點溫度，不使少量的灰塵因結(jié)露而造成黏結(jié)性積灰，利用煙氣的自清灰能力可以保持換熱器表面清潔運行。為此采取如下措施：提高換熱面壁溫，防止結(jié)露而黏結(jié)性積灰，煙氣流速大于7.8 m/s，具有自清灰能力。翅片節(jié)距為10 mm，防止積灰搭橋。在煙氣進出口接管上設(shè)置清灰門，必要時可進行人工清灰。在煙氣進出口接管和換熱器中部設(shè)置灰斗及放灰孔，以便排灰。保證煙氣在翅片垂直布置，氣體流動方向是上下流動方向，利于自清灰。在煙氣換熱器中部安裝2臺聲波吹灰器，定期吹灰。

所以，采用新型煤氣預(yù)熱器雙循環(huán)水平蒸發(fā)式的換熱器技術(shù)[7]，其設(shè)計理念結(jié)合整體式熱管與分列式熱管的優(yōu)點，并且在系統(tǒng)上增加了控制裝置，可對熱量進行在線分配，同時加熱多種介質(zhì)，對換熱器壁溫進行自動控制，并且換熱器順排布置，阻力小，換熱器設(shè)計了排氣裝置，可進行在線再生(排除不凝氣體，恢復(fù)換熱器的換熱能力)，從而又優(yōu)化了尾部煙道的布置形式，減小了運行阻力，對于提高鍋爐效率，降低引風(fēng)機電耗，增加運行穩(wěn)定性及安全性意義重大。具體更換方案包括：拆除原有的煤氣加熱器，安裝1套雙循環(huán)水平蒸發(fā)式換熱器，同時進行煙道走向改造，對比如圖8所示。

圖8 改造前煤氣預(yù)熱器

毀壞性拆除原煤氣預(yù)熱器設(shè)備本體，接口利舊；將新制造的煤氣預(yù)熱器安裝于原設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)處(新煤氣預(yù)熱器載荷小于原設(shè)備，所以原鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)均利舊)；原有煙道直段做適應(yīng)性改造。圖9為改造后煤氣預(yù)熱器布置圖，圖10為系統(tǒng)示意圖。

圖9 改造后煤氣預(yù)熱器

圖10 系統(tǒng)示意圖

4 改造效果

4.1 低溫段空氣預(yù)熱器改造效果

通過清洗，低溫段空氣預(yù)熱器段煙氣阻力顯著降低，由3086 Pa降至450 Pa，換熱效果顯著提升。

4.2 煤氣預(yù)熱器改造效果

通過整體更換改造后，煤氣預(yù)熱器改造后，煤氣吸收煙氣熱量增加并提高煤氣溫度90 ℃，進入爐膛著火前吸收熱量變少且縮短著火時間，爐膛溫度提高，燃燒更充分。

4.3 整體換熱改造效果

隨著低溫段空氣預(yù)熱器及煤氣預(yù)熱器優(yōu)化改造方案的實施，9號爐爐膛負壓即使在高負荷時，穩(wěn)定在-100～-50 Pa，鍋爐帶負荷能力明顯提高，純燒高爐煤氣時，高爐煤氣量由130 000 m3/h升至170 000 m3/h，負荷由165 t/h升至220 t/h；減少高爐煤氣量40 000 m3/h。排煙溫度由173 ℃降至115 ℃。煤氣溫度70 ℃升至160 ℃。改造后運行參數(shù)對比如表6所示。

表6 鍋爐負荷159 t/h運行參數(shù)改造前后對比

5 結(jié)語

本文以包鋼熱電廠9號混合煤氣鍋爐為研究對象，介紹9號爐本體改造情況，通過改造前后運行數(shù)據(jù)比較，驗證煤粉改煤氣鍋爐改造成功。以該臺鍋爐運行多年后的燃料、介質(zhì)、換熱效果進行分析，對比以上數(shù)據(jù)研究后得到低溫段空氣預(yù)熱器及煤氣預(yù)熱器阻力大、換熱效果降低、燃料配比不合理是影響鍋爐負荷最主要因素。以該臺鍋爐為優(yōu)化改造對象，重點對影響換熱效果的低溫段空氣預(yù)熱器及煤氣預(yù)熱器進行了改造，改造效果明顯?？諝忸A(yù)熱器結(jié)構(gòu)較為簡單，可通過定期清洗的方式防止堵塞和低溫腐蝕的影響；煤氣預(yù)熱器由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、清洗難度大、使用周期短等原因，盡量采用整體更換的方式保證其運行效果。