碱回收炉积灰的控制及延长运行周期的技术

2010-11-27刘超锋王振保刘建秀纪莲清孙新义张立国罗广宾

中国造纸 2010年1期

刘超锋王振保刘建秀纪莲清孙新义张立国罗广宾

(1.郑州轻工业学院河南省表界面科学重点实验室,河南郑州,450002;2.河南银鸽实业投资股份有限公司,河南漯河,462000;3.开封市锅炉压力容器检验所,河南开封,475001;4.广西建工集团第一安装有限公司第二分公司,广西南宁,530031)

碱回收炉积灰的控制及延长运行周期的技术

刘超锋1王振保1刘建秀1纪莲清1孙新义2张立国3罗广宾4

介绍了对威胁造纸碱回收炉安全运行的锅炉积灰的控制措施及延长运行周期的技术。对入炉黑液的成分、浓度和负荷加以控制,改善供风系统,采取减少积灰的受热面结构,先进的在线吹灰设备的设置,采用循环流化床碱回收技术,都可以延长碱回收炉的运行周期。

碱回收炉;积灰;运行周期

制浆过程产生的黑液中含有机物和大量的无机物。燃烧浓缩后的黑液,经苛化回收 NaOH和 Na2S,重新用于制浆,同时利用燃烧黑液中的有机物质所放出的热产生蒸汽,供生产使用。碱回收炉是蒸煮化学品回收的重要设备。碱回收炉常常是整个浆厂最贵的单台设备[1]。但是,由于燃烧黑液产生大量含尘较高的烟气,所以尾部受热面积灰严重。在维修费用预算中,碱回收炉占很大比例,而且极难预计;碱回收炉停机时间不可预计,对生产的影响最大。受热面(水冷壁、过热器)积灰过多[2]会使通过降流管区的烟气温度急剧上升,水循环变得缓慢甚至处于停滞状态,使碱回收炉在十分危险的状态下运行。因此,运行中清除受热面烟气的碱灰和结渣是碱回收炉重要的辅助运行操作[3]之一。但有时用吹灰器也无法清除干净炉内的部分死角,要定期停产清灰[4-5]。如果碱回收炉停炉清灰,会使油耗增多,而且给炉衬保养及炉管保护带来困难,影响碱回收炉寿命,碱的流失增大。因此,应设法解决积灰障碍,以保持碱回收炉长期连续运行。

1 入炉黑液参数的控制

1.1 黑液成分及喷液

对于黑液,通过控制入炉黑液颗粒的大小、成分、浓度可以减少碱回收炉的积灰。例如,如果碱回收炉喷液压力与喷嘴孔径[6]的选择匹配欠佳,会使喷液颗粒过细,过早被干燥并燃烧,飞出炉膛,加重水冷屏及炉膛出口[7]的结灰。四川某纸厂 1台 225 t/d(干固物)竹浆黑液碱回收炉投运不久就由于入炉黑液喷液颗粒比木浆黑液颗粒细而造成飞灰[8]黏结在高温过热器管壁上,产生熔蚀作用。经中国制浆造纸研究院分析发现,该厂竹浆黑液含钾量高达 5.7%也是造成碱回收炉积灰的原因之一。国外研究[9]表明,碱灰中氯、钾的增多会增加碱灰的黏着性,造成碱灰熔点下降和过热器管结焦挂灰,甚至发生熔蚀作用。因此,如果能对碱回收炉黑液的成分加以调整,也可以减少积灰。例如,广西贵糖 (集团)股份有限公司日处理 80 t固形物的喷射炉,能连续运行半年以上才停炉清灰 1次。经验表明,向喷射炉内投入一种特制的除渣剂[10]与黑液一起燃烧,它能使附于凝渣管、水冷屏管上的碱焦疏松甚至脱落,从而延长炉子的运行周期。另外,燃烧浓度[11]为 73%～75%的超浓木浆黑液,也可以减少碱回收炉烟气通道的积灰。如日照森博浆纸责任有限公司的六效蒸发系统 (奥斯龙)进行超浓黑液的燃烧,采用Anderitz的单汽包碱回收炉连续 7个月运行,管束和省煤器非常 “干净”,效益非常明显。需要指出的是,目前麦草浆超浓黑液碱回收炉运行效果尚未见报道。

表1 各纸业公司碱回收炉防止积灰的供风系统及其改进

1.2 黑液负荷

碱回收炉超负荷运行[12]时,锅炉管束、过热器、省煤器的加热面上会迅速沉积碱尘。如云南云景林纸股份有限公司的国产 2#中压碱回收炉,设计允许长期在 120%的负荷下运行。但该炉投运后,多次出现高温过热器进出口集箱下部连接管 (炉外过热器管)角焊缝和弯头部裂纹泄漏事故[13]。为此,采取的措施之一是将负荷控制在允许的范围内,通过减少积灰解决该问题。

2 供风系统的完善

碱回收炉供风系统不完善会导致炉膛上升烟气速度过高、烟气携带碱尘量及炉膛出口温度提高,加重积灰。因此,为满足黑液在炉膛内燃烧所需的空气量,一般在炉周围布置[14]三层风嘴,分别用于燃烧垫层中的有机物,垫层中挥发可燃气体和飞失黑灰,以及挥发性可燃气体的完全燃烧。不同碱回收炉的供风系统也不同。如果碱回收炉发生积灰,其供风系统也可能成为诱因。例如,美国佐治亚州拉斯波罗的英特斯梯造纸厂曾经因为碱回收炉经常堵塞,请安东尼公司[15]用计算流体动力学 (CFD)进行评估。现场试验和 CFD模型证实碱回收炉左侧未被完全利用,在右侧发生堵塞;右侧 CO含量很高,烟气短路使右侧的氧气就不足。对此,安东尼公司的 CFD模型指出,只需简单地改变二次风和三次风的风口尺寸和位置,所构成的立体多层供风系统 (SAS) (多层二次风和三次风开口)可使问题解决。该项改造完成 4年多,效益可达 100万美元 /a。另外,加拿大东部某浆厂的碱回收炉的黑液处理能力原为 1200 t/d,后来需要提高处理量到 1556 t/d,碱回收炉每 2～3个月被迫停机水洗。该公司对碱回收炉供风比例修改为一次风 35.3%、二次风 28.7%、三次风 36%以后,运行周期提高了 3倍左右。国内各纸业公司碱回收炉防止积灰的供风系统及其应用效果见表1。

3 受热面设计

草浆低压碱回收炉管束之前的部分称为炉膛,包括水冷壁、水冷屏、凝渣管等受热面,之后部分称为尾部受热面,包括省煤器和烟气-空气预热器。对碱回收炉受热面进行合理的结构设计也可以减轻积灰,具体设计方案见表2。各纸业公司碱回收炉防止积灰的结构设计方案见表3。

4 清除积灰的措施

适度而有效地清灰对提高换热效率是很重要的。各纸业公司碱回收炉清灰的措施及其应用效果见表4。

为了避免和减轻碱回收炉在长期运行后被迫停机清灰、水洗造成的受热面腐蚀及潮湿烟气对下游设备的不利影响,目前国内外大型碱回收炉炉膛均已采用复合钢管。

在线 “干”吹灰[33]不仅可以避免蒸汽 “湿”吹或锅炉水洗造成的受热面腐蚀及潮湿烟气对下游设备的不利影响,而且能克服长伸缩机械式吹灰器因吹损受热面而引起的爆管等事故。冲击波吹灰就是一种在线“干”吹灰,鉴于上述优点,新疆博湖苇业股份有限公司 3台碱回收炉采用乙炔和空气混合产生冲击波吹灰系统,安装 J S R型冲击波吹灰器后,每年可节约维护费约 50万元;冲击波式吹灰器洁净度高,延长了碱回收炉的运行时间,运行时不用水洗,多创造综合效益约 500万元。其原理是:氢气、天然气、乙炔或丙烷等可燃气体在特殊的袋式装置和特定条件下与空气混合,混合气体充满火焰导管及冲击波发生器后被点燃,火焰的燃烧速度每秒可达近千米,火焰阵面高的动能激发射管喷出的瞬间冲击波作用于积灰表面时,使灰粒子与黏结表面分离而脱落。

表2 碱回收炉防止积灰的结构设计方案

表3 各纸业公司碱回收炉防止积灰的结构及其应用效果

海南金海浆纸业有限公司 (JHPP)120万 t/a漂白化学木浆生产线是目前世界上规模最大、技术最先进的。该公司的 5000～5500 t(DS)/d碱回收炉RB1由瑞典 KVAERNER公司供货,是此前全球最大的碱回收炉,与制浆能力 100万 t/d相匹配。随着金海浆纸制浆能力的不断提升,使得 RB1长期处于超负荷的运行状态,使 RB1的锅炉积灰比较严重。该公司比同等规模的进口碱回收炉价格低 30%的 2200 t(DS)/d碱回收炉 RB2工程[34]由武汉锅炉厂供货,中国中轻国际工程有限公司承担全部工程详细设计,是此前规模最大的国产大型碱回收炉。金海浆纸 RB2已投入正式生产。采取的积灰控制主要措施是:在锅炉尾部布置两级立式膜式结构省煤器;静电除尘器每一列 ESP的第一点场都安装 3套 SQ-75型声波清灰器。

为了保证碱回收炉的长周期运行,蒸汽吹灰时还要采取措施防止蒸汽流吹蚀管壁。某公司省煤器就因为腐蚀漏水而成为碱回收炉安全运行的一大隐患。原因[35]是:当吹灰枪工作时,吹扫用蒸汽工作压力≥1.27MPa,出喷嘴的流速高达每秒几十米。为此,安装吹灰器时,应保证吹灰枪管与受热面的最小距离大于 200 mm,避免高速的蒸汽流吹蚀管壁。

5 循环流化床碱回收炉

黑液流化床碱回收技术具有超低温度、超低黑液浓度、超低投入成本、超低运行成本和碱回收率高的特点。如印度思来亚公司低温低浓燃烧炉碱回收系统的核心是流化床低温燃烧炉,控制炉温达到 550～600℃ (炭粒在 2 mm左右)。如果炉温过高[36],则停止喷液和降低供风温度,还可以增加上部喷淋水,使温度基本恒定,保证它的温度维持在比灰熔点低许多的范围,否则会引起反应器床区结焦和炉墙积累过多的灰垢。还有资料[37]报道,哈尔滨工业大学开发的草浆黑液流化床碱回收技术,彻底解决了传统碱回收炉积灰问题,草浆黑液碱回收率高达 90%,投资费用为常规碱回收炉的 1/3。山东三融集团有限公司和济南锅炉集团有限公司的经验表明,采用带高温旋风分离器的中倍率循环流化床锅炉来掺烧黑液锅炉的设计[38]中,为了减小积灰,相应的受热面节距应比不掺烧时大,同时应采用压缩空气清灰。

6 结语

黑液碱回收炉延长运行周期技术是个永恒的主题。纸厂更倾向于选择入炉黑液原料的成分和黑液量波动范围宽一些而又不致于积灰的碱回收炉。如何通过完善通风系统、改进受热面的结构、甚至采取流化床技术,最大限度地满足防止积灰又不牺牲热效率的要求,是碱回收炉研发人员应重点思考的问题。北美和欧洲的锅炉公司都应用计算机模拟[39]指导碱回收炉设计,国外专业性碱回收炉的研究和开发公司把先进的 CFD技术用于分析碱回收炉的最佳通风系统的布置的研究方法值得参考。

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M easures for Controll ing Ash Deposition and Extending the Operation Cycle of Recovery Boilers

L IU Chao-feng1,＊WANG Zhen-bao1L IU Jian-xiu1J ILian-qing1SUN Xin-yi2ZHANGLi-guo3LUO Guang-bin4
(1.Departm ent of Process Equipment and Control Engineering of Zhengzhou University of Light Industry,He'nan Provincial Key Laboratory of Surface&Interface Science,Zhengzhou,He'nan Province,450002;2.He'nan Yin'ge Industrial Investment Co.,Ltd.,Luohe,He'nan Province,462000;3.Kaifeng Institute of Boiler&Pressure Vessel Supervisory Inspection,Kaifeng,He'nan Province,475001;4.The Second B ranch of First Consturction Co.of Guangxi Construction Engineering Group,Naning,Guangxi Zhuang Autonom ous Region,530031)

Ash deposition in recovery boilers affects its safe operation.Measures including controlling the composition,concentration and amount of feeding black liquor,using a reasonable configuration of blowing system,adopting less ash deposition structure of heating surface,applying advanced online soot blowers and circulating fluidized bed for recovery can extend the operation cycle of recovering boilers.

recovery boilers;ash deposition;cause;preventingmeasures

TS733+.9

0254-508X(2010)01-0070-05