一台硫铁矿制酸焚烧炉余热热电联产技改设计_鲁金灿.pdf

一台硫铁矿制酸焚烧炉余热热电联产技改设计鲁金灿，何旭刚（徐州工业锅炉有限公司，江苏徐州221000）摘要：以湖北某公司原有的硫铁矿制酸焚烧炉及配套余热锅炉热能中心为案例，详细介绍该余热热电联产项目的技改经验以及成功投运后的节能效果，为业内企业提供参考。关键词：双碳目标热电联产节能减排余热锅炉中图分类号：X706文献标识码：A文章编号：2095-0748（2023）01-0073-03引言2021 年 10 月 24 日，国务院关于印发 2030 年前碳达峰行动方案 的通知，我国碳达峰、碳中和的双碳目标和具体实施日渐清晰。随着碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，能源、化工等多个重点行业将迎来新一轮变革。碳达峰、碳中和“双碳”目标的提出，标志着我国对绿色发展提出了新的、更高的要求，鼓励企业节能升级改造，推动能量梯级利用。2000 年原国家计委、国家经贸委、国家环保总局、建设部四部委为落实 节约能源法，提出国家鼓励发展热电联产、集中供热，提高热电机组利用率。目前，区域热电联产工程、余热余压利用工程、能量系统优化（系统节能）工程等和热电联产有关的工程已被国家列入重点实施工作内容。1工程概况湖北某化肥厂现有 1 台硫铁矿制酸焚烧炉，焚烧炉硫铁矿石处理能力为 700 t/d，出口烟气含尘量为200400g/m3，烟气量为 50000m3/h，烟气温度为 900。原工程在焚烧炉后配套 1 台余热锅炉，该余热锅炉采用纯对流受热面，自然循环。对流区为管屏结构，卧式顺列布置，在运行过程中管屏间积灰搭桥严重，局部形成烟气走廊，引起管屏迎风面局部不定期磨损爆管，爆管后泄露的大量水蒸气和硫铁矿高温烟气中的 SO2产生化学反应（SO2+H2OH2SO3），形成亚硫酸，并氧化成硫酸（H2SO4），对管屏进一步形成化学腐蚀。在这种恶性循环的情况下，该系统已经不能安全稳定运行，开车困难，经济效益极差。为推动企业节能措施顺利实施，拟通过设备升级改造，并利用其硫铁矿焚烧炉余热挖掘节能减排能力，形成能量梯级利用，达到节能减排之目的。经公司技术团队对原有设备运行参数及设备本体情况进行研判，拟定以下技改方案：1）锅炉改造。对锅炉烟气流程进行优化，增加烟气沉降室，对原有对流区受热面进行改造优化。2）过热器。增加过热器受热面，将额定蒸汽参数由原来的 2.5 MPa/225 升高到 2.5 MPa/400。3）增加背压汽轮机组。新建 1 台 B1-2.35/0.98 型背压汽轮机组，配套 1 000 kW励磁发电机。背压发电后低参数乏汽供给生产工艺用汽。4）改造环保设备。增加 1 台多管除尘器，配套原有袋式除尘器，减少颗粒物排放。脱硫塔前增设洗涤塔，并增加除雾装置，提高 SO2的吸收率和含水率。2余热锅炉技改设计2.1锅炉结构原焚烧炉配套余热锅炉型号为 QCF50/900-30-2.5，采用全水管、自然循环、平衡通风。锅炉安装在沸腾焚烧炉后面，旋风除尘器之前。它把从沸腾焚烧炉送来的约 900 高浓度含尘烟气冷却到 350400 左右，并通过灰斗除去部分矿尘，产生饱和蒸汽用于生产工艺用汽1。锅炉设计参数如表 1 所示。余热锅炉布置为 L型直角烟道结构，烟气自硫铁矿沸腾焚烧炉上部出来，经过烟道由上进入余热锅炉水平流动，依次横向冲刷各级对流管束，进行换热，烟气温度逐渐降低。对流管束下部设有落灰斗，惯性沉淀的飞灰由螺栓输灰机集中送往炉外处理。2.2锅炉改造方案根据硫铁矿烟气特性，该烟气具有烟气量大、含尘量高、SO2含量高和烟尘磨损性强的特点，为满足技改后的余热锅炉可长期稳定、安全、经济运行，锅炉共设置 4 个烟道受热区域。在原有余热锅炉前部增设了沉灰室，在沉灰室与收稿日期：2022-06-27第一作者简介：鲁金灿（1986），女，安徽人，本科，毕业于南京工程学院，工程师，主要从事锅炉设计工作。总第 223 期2023 年第 1 期现代工业经济和信息化Modern Industrial Economyand InformationizationTotal 223No.1，2023DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2023.01.027表 1锅炉设计参数项目改造前参数改造后参数锅炉额定蒸发量/（t h-1）3030额定蒸汽压力/MPa2.52.5额定蒸汽温度/225400烟气量/（m3 h-1）50 00050 000入口烟气温度/900900出口烟气温度/390360技术创新现代工业经济和信息化第 13 卷图 1改造后的锅炉结构示意图对流区之间增加槽型分离器，以减少卧式布置的对流管束区的烟气含尘量，避免大量积灰带来的不良影响。在沉灰室四周设置水冷壁，增加部分辐射受热面，为第一烟道受热面，可提高余热锅炉的最大连续蒸发量。槽形分离器亦采用水冷结构。为避免烟气中的 SO2和空气中的 O2进行氧化反应，对锅炉的保温和外包进行了优化设计。其中，余热锅炉的第一烟道（水冷壁辐射受热面）、二烟道（对流受热面）为膜式壁全密闭结构设计，第三、第四烟道管束外部采用预制带保温层的烟气护板进行密封，并在外层采用密封波形板护板进行密封。为满足热电联产需要，利用原焚烧炉出口烟气联通管道的有限空间，增加过热器受热面，将蒸汽参数由饱和蒸汽温度 225 （饱和蒸汽压力 2.5 MPa）提高到过热蒸汽温度 400，余热锅炉工作压力不变。过热器部件采用整体撬装结构，利于安装。另外，新增加了锅炉控制系统，对设备电机采用变频控制，对过热蒸汽温度、蒸汽压力、水位控制等采用PLC进行自动调整2。改造后的锅炉结构如图 1 所示。2.3改造依据依据国家相关标准对锅炉结构进行改造，具体标准包括 TSG 112020 锅炉安全技术规程、TSG912021 锅炉节能环保技术规程、GB/T16507 水管锅炉、NB/T470342013 工业锅炉技术条件、GB/T280562011烟道式余热锅炉通用技术条件、GB502732009锅炉安装工程施工及验收规范、GB/T15762018 工业锅炉水质、NB/T470552017锅炉涂装和包装通用技术条件和 GB132712014锅炉大气污染物排放标准。2.4部件设计2.4.1第一烟道水冷壁在焚烧炉进口区域设置第一烟道，第一烟道设置有前水冷壁和左右水冷壁，后侧设置水冷型槽形惯性分离器，烟气在第一烟道经 90转向，经槽形分离器除尘后，依次水平进入后续对流区域受热管屏。水冷壁采用膜式壁管屏结构，管子规格为60mm5 mm，节距为 120 mm。槽形惯性分离器基管采用 38 mm6 mm 厚壁管，节距为 150 mm，鳍片高 40 mm 焊接于基管两侧，每 500 mm设有 2 mm间隙，以备膨胀。2.4.2第二烟道对流管屏第二烟道对流管屏布置在槽形分离器后。管屏上下设有联箱，呈组装出厂，便于安装。管屏管子规格为 42 mm5 mm，横向节距为140 mm，纵向节距为 160 mm。2.4.3第三、第四烟道对流管屏第三、第四烟道对流管屏依次布置，管屏上下设有联箱，呈组装出厂，便于安装。管屏管子规格为 38 mm4 mm，横向节距为108 mm，纵向节距为 140 mm。2.4.4过热器过热器安装在沸腾焚烧炉出口和余热锅炉进口之间，为撬装结构，部件整体出厂。其支撑框架利用原有锅炉钢架，并局部在运转层增设支撑横梁。过热器采用逆流换热，顺列布置，中间设置一级喷水减温器。如图 2 所示。2.4.4.1结构布置过热器分为高温过热器和低温过热器，两级过热器受热面均为蛇形管结构，单管圈顺列布置。过热器采用 GB/T3087 20 号无缝钢管,规格为 38 mm4 mm。管束通过材质为 06Cr25Ni20 的管夹固定于通风梁上，通风梁由外护板进行支撑。硫铁矿焚烧炉出口烟尘浓度大，磨损性强，为防止过热器管路磨损，烟气流速设计为 7 m/s，并在两级过热器的第一排管束迎风面设置耐高温的防磨护瓦。过热器部件蒸汽流速设计约为 22 m/s，系统汽水阻力小，避免汽包压力升高。过热器部件采用耐火混凝土、保温混凝土和硅酸铝纤维板三层保温结构，耐火保温层均在制造厂内施工完成。设计部件外壁温度50，具有优良的保温性能。过热器框架采用箱式组合梁，由槽钢和钢板组合而成。集箱和管束穿墙处全部采用钢板罩壳密封，气密性良好。图 2过热器部件结构示意图烟气方向低过进口集箱高过进口集箱低过出口集箱喷水减湿器高过出口集箱烟气方向高温过热器低温过热器沸腾炉烟气方向烟气方向过热器余热锅炉水冷壁室对流管束区742023 年第 1 期表 2汽轮发电机组设计参数2.4.4.2烟气流程高温烟气自焚烧炉出来自上而下横向冲刷，依次经过高温过热器和低温过热器，饱和蒸汽自下而上与烟气方向呈逆流换热，依次经低过进出口集箱、喷水减温器和高过进出口集箱，由主蒸汽管道将过热蒸汽引至汽轮机组。锅筒、过热器与喷水减温器之间分别采用导气管连接。2.4.4.3减温方式过热器减温器布置在高、低温过热器中间位置，采用喷水减温器，减温水为除盐水。喷水量由电动调节阀进行控制，调节水温灵敏，减温效率高。2.4.5吹灰装置1）过热器区域。在两级过热器的进口处设置有吹灰装置接管，采用空气激波吹灰器进行定时吹扫清灰。清灰气源引自空压站。2）对流区域。在水冷壁及三级对流管屏区域，设置清灰机械振打装置。机械振打采用振动电机，激振力10 kN。3汽轮发电机组本工程新增 1 套 1 000 kW 背压汽轮发电机组，利于高温烟气余热产生高温参数蒸汽，经汽轮发电机组做功发电后，低压余热蒸汽供给车间生产用汽，实现热电联产。热电联产利用锅炉蒸汽源和生产工艺用汽之间的蒸汽参数差，汽轮机发电过程中只消耗了蒸汽压力和温度，蒸汽量没有损失，既能满足生产工艺用低压蒸汽的需求，又能减少企业外用电的采购成本，是企业节能降耗、内部挖潜、提高经济效益的有效手段。具体参数见表 2。4环保设备改造本工程新增 1 套陶瓷多管除尘器，布置在布袋除尘器前，处理烟气量 80 000 m3/h，除尘效率60，可有效减少袋式除尘器的工作负担。原系统设置有 1 台玻璃钢脱硫塔，本次在脱硫塔前增设洗涤塔，采用螺旋实心锥型脱硫喷嘴，提高脱硫效率，并在脱硫塔上方增设一层细分除雾装置，共设三级。系统投运后，其排放指标满足在线监测要求。5待改进问题及措施5.1积灰现象试运行初期，在过热器区域没有投运吹灰装置的情况下，实际运行不到 20 d 的时间，过热器开始出现堵灰现象，高温过热器出口蒸汽温度逐步下降，发电功率减小。在第二、三烟道内，管束间仍然存在积灰现象，其机械振动清灰装置效果较差。拟将过热器预留的空气激波吹灰装置尽快装配完成，并在对流区域同步加装激波吹灰装置。5.2排烟温度偏低投运初期，因硫铁矿焚烧炉投料量不足，锅炉排烟温度低于 300，在除尘器区的烟道内形成低于酸露点的温度区，对烟道形成一定的腐蚀。后期根据生产情况，拟逐步加大投料量，并将烟道更换为玻璃钢材质，外部全部加装保温层。6结论及效益分析本系统技改完成后，经过热态调试，余热锅炉蒸汽参数基本可达到设计值，满足汽轮发电机组投运需求，系统运行正常。因硫铁矿焚烧炉投料量稳定性不足，锅炉实际运行中负荷有还一定的波动性。经 72 h 试运行总结，按锅炉平均蒸发量 25t/h 计算，排汽压力控制在 0.7MPa，其平均汽耗为29.5kg/（kW h），平均发电量为847kW h。烟气余热锅炉配套热电联产系统按每年运行6 000 h 计算，共计可生产并外输蒸汽合计 15 万 t，折合每年减少使用标煤约 1.9 万 t，减少 CO2排放量4.978 万 t，减少 SO2排放量 456 t,减少氮氧化物排放量 133 t，其减排量相当于植树造林 3.7 万亩，经济效益和社会效益显著。本系统的成功投运，可为同行业提供参考。特别是随着双碳目标的推进，高耗能企业压力巨大，采用余热技术进行热电联产，是相关企业的最优选择。参考文献1北京锅炉厂设计科.锅炉机组热力计算标准方法M.北京：机械工业出版社，1976.2李方强.焙烧炉余热锅炉过热器设计J.有色冶金设计与研究，2018，39（6）：3.（