一臺硫鐵礦制酸焚燒爐余熱熱電聯(lián)產(chǎn)技改設(shè)計

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，國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動方案》的通知，我國碳達(dá)峰、碳中和的雙碳目標(biāo)和具體實施日漸清晰。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、化工等多個重點行業(yè)將迎來新一輪變革。碳達(dá)峰、碳中和“雙碳”目標(biāo)的提出，標(biāo)志著我國對綠色發(fā)展提出了新的、更高的要求，鼓勵企業(yè)節(jié)能升級改造，推動能量梯級利用。

2000年原國家計委、國家經(jīng)貿(mào)委、國家環(huán)?？偩?、建設(shè)部四部委為落實《節(jié)約能源法》，提出國家鼓勵發(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)的工程已被國家列入重點實施工作內(nèi)容。

1 工程概況

湖北某化肥廠現(xiàn)有1臺硫鐵礦制酸焚燒爐，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臺余熱鍋爐，該余熱鍋爐采用純對流受熱面，自然循環(huán)。對流區(qū)為管屏結(jié)構(gòu)，臥式順列布置，在運(yùn)行過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，開車?yán)щy，經(jīng)濟(jì)效益極差。

為推動企業(yè)節(jié)能措施順利實施，擬通過設(shè)備升級改造，并利用其硫鐵礦焚燒爐余熱挖掘節(jié)能減排能力，形成能量梯級利用，達(dá)到節(jié)能減排之目的。經(jīng)公司技術(shù)團(tuán)隊對原有設(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。對鍋爐煙氣流程進(jìn)行優(yōu)化，增加煙氣沉降室，對原有對流區(qū)受熱面進(jìn)行改造優(yōu)化。

2）過熱器。增加過熱器受熱面，將額定蒸汽參數(shù)由原來的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B1-2.35/0.98型背壓汽輪機(jī)組，配套1000 kW勵磁發(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

2.1 鍋爐結(jié)構(gòu)

原焚燒爐配套余熱鍋爐型號為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的約900℃高濃度含塵煙氣冷卻到350～400℃左右，并通過灰斗除去部分礦塵，產(chǎn)生飽和蒸汽用于生產(chǎn)工藝用汽[1]。鍋爐設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐設(shè)計參數(shù)

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

對流管束下部設(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，為滿足技改后的余熱鍋爐可長期穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，鍋爐共設(shè)置4個煙道受熱區(qū)域。

在原有余熱鍋爐前部增設(shè)了沉灰室，在沉灰室與對流區(qū)之間增加槽型分離器，以減少臥式布置的對流管束區(qū)的煙氣含塵量，避免大量積灰?guī)淼牟涣加绊?。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)，對鍋爐的保溫和外包進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。其中，余熱鍋爐的第一煙道（水冷壁輻射受熱面）、二煙道（對流受熱面）為膜式壁全密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計，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）提高到過熱蒸汽溫度400℃，余熱鍋爐工作壓力不變。過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)，對設(shè)備電機(jī)采用變頻控制，對過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力、水位控制等采用PLC進(jìn)行自動調(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)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對鍋爐結(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

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 第二煙道對流管屏

第二煙道對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，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、第四煙道對流管屏

第三、第四煙道對流管屏依次布置，管屏上下設(shè)有聯(lián)箱，呈組裝出廠，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 過熱器

過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。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。

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

圖2 過熱器部件結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.4.1 結(jié)構(gòu)布置

過熱器分為高溫過熱器和低溫過熱器，兩級過熱器受熱面均為蛇形管結(jié)構(gòu)，單管圈順列布置。過熱器采用GB/T308720號無縫鋼管,規(guī)格為Φ38 mm×4 mm。管束通過材質(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)，為防止過熱器管路磨損，煙氣流速設(shè)計為7 m/s，并在兩級過熱器的第一排管束迎風(fēng)面設(shè)置耐高溫的防磨護(hù)瓦。

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

過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內(nèi)施工完成。設(shè)計部件外壁溫度≤50℃，具有優(yōu)良的保溫性能。

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

鍋筒、過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

過熱器減溫器布置在高、低溫過熱器中間位置，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）過熱器區(qū)域。在兩級過熱器的進(jìn)口處設(shè)置有吹灰裝置接管，采用空氣激波吹灰器進(jìn)行定時吹掃清灰。清灰氣源引自空壓站。

2）對流區(qū)域。在水冷壁及三級對流管屏區(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間生產(chǎn)用汽，實現(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)電過程中只消耗了蒸汽壓力和溫度，蒸汽量沒有損失，既能滿足生產(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)見表2。

表2 汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計參數(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臺玻璃鋼脫硫塔，本次在脫硫塔前增設(shè)洗滌塔，采用螺旋實心錐型脫硫噴嘴，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。

系統(tǒng)投運(yùn)后，其排放指標(biāo)滿足在線監(jiān)測要求。

5 待改進(jìn)問題及措施

5.1 積灰現(xiàn)象

試運(yùn)行初期，在過熱器區(qū)域沒有投運(yùn)吹灰裝置的情況下，實際運(yùn)行不到20 d的時間，過熱器開始出現(xiàn)堵灰現(xiàn)象，高溫過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)械振動清灰裝置效果較差。

擬將過熱器預(yù)留的空氣激波吹灰裝置盡快裝配完成，并在對流區(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)形成低于酸露點的溫度區(qū)，對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)過熱態(tài)調(diào)試，余熱鍋爐蒸汽參數(shù)基本可達(dá)到設(shè)計值，滿足汽輪發(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，鍋爐實際運(yùn)行中負(fù)荷有還一定的波動性。經(jīng)72 h試運(yùn)行總結(jié)，按鍋爐平均蒸發(fā)量25t/h計算，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計算，共計可生產(chǎn)并外輸蒸汽合計15萬t，折合每年減少使用標(biāo)煤約1.9萬t，減少CO2排放量4.978萬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)于植樹造林3.7萬畝，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

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。