O2/CO2燃烧技术下的燃煤锅炉设计及制造技术

宁星(福建省环境保护设计院有限公司，福建 福州 350001)

0 引言

本文主要探讨了在目前燃煤锅炉的设计及制造条件下，限制O2/CO2燃烧技术发展与实际应用的问题，同时给出了针对性的解决办法与建议。

1 O2/CO2燃煤锅炉技术

O2/CO2燃烧技术是通过对常规空气燃烧技术的改造形成的，其具体原理是：将纯氧和纯CO2通过一定比例混合后，按照一定风量送入锅炉炉膛中，与煤粉燃烧后，其中的氧气被煤粉耗尽，最终得到纯度达95%的CO2，再将这部分高纯度CO2的小部分返回与纯氧混合后再送入锅炉炉膛燃烧，而大部分的高纯度CO2最终被收集后进入压缩系统，被压缩至超临界状态，成为一种高压黏性液体，再通过技术手段，将超临界CO2打入地下岩层中，从而被永久封存，目前该技术已经得到了相关行业学者的认可，该技术的工艺流程图如图1所示。

图1 O2/CO2燃烧技术工艺流程图

2 O2/CO2燃煤锅炉目前存在问题及发展瓶颈

2.1 锅炉整体密封性较差

根据相关文献[1-2]，在O2/CO2燃烧过程中，当锅炉尾部CO2浓度达到95%时，所需氧气浓度对空分设备的要求基本能满足，此时空分设备和CO2压缩设备的耗能之和最小，为最经济的CO2浓度，但该计算方法是基于锅炉系统绝对密封的情形下计算所得。但在目前的各类燃煤锅炉系统中，均存在一定的漏风，一方面是因为锅炉内部燃烧系统及烟风系统均为负压系统，为外部空气进入锅炉提供动力；另一方面则是由于锅炉本身的设计及制造问题，如锅炉由于热膨胀，部分受热面连接处难以完全密封，此外一般锅炉制造及现场安装过程中对非受压件连接的密封质量要求不严，因此存在一定的漏风[3]。

2.2 局部燃烧过快，易发生爆管

根据相关研究发现，O2/CO2燃烧技术下，O2浓度为30%左右时，燃烧较为稳定，经济性较好，是最理想的氧气燃烧浓度，但O2浓度的提高，势必引起煤粉的燃烧速度加快，从而造成局部热负荷升高，炉膛受热面温度升高，最终导致部分锅炉水管温度超过所能承受的极限温度，从而发生爆管[4]。

2.3 漏风减弱、负压减弱，炉膛易结焦

另外，由于该技术对锅炉整体性密封要求较高，因此当密封性提高后，必然导致锅炉漏风减弱，负压减弱的情况出现，燃烧中的高温烟气会直接与锅炉水冷壁接触，受冷后燃烧的中间物焦油、炭黑等物质会迅速凝结到水冷壁管壁上，从而形成结焦，结焦现象会严重影响受热面的吸热能力，最终导致锅炉水冷壁热负荷降低，炉膛出口处烟温过高，导致过热器、再热器等高温受热面温度过高，造成爆管，严重危害锅炉的安全运行。

3 O2/CO2燃煤锅炉设计及制造建议

3.1 加强锅炉密闭性设计

加强锅炉密封性设计是O2/CO2燃烧技术的关键，因此必须从现有锅炉密封设计进行改善。目前根据各个大型锅炉厂以及电厂的经验，锅炉主要漏风发生在锅炉顶棚与各个吊挂管等穿棚管的密封处。由于锅炉顶棚的膨胀与锅炉炉膛基本保持一致，而吊挂管的膨胀主要取决于自身管材长度、温度和膨胀量，因此两者的膨胀明显不一致，如果采用焊接等刚性密封，焊缝会被膨胀力撕裂，导致更严重的漏风甚至是运行事故。因此目前普遍采用柔性密封，即吊挂管可以在一定范围内相对顶棚自由活动的密封技术，但该密封普遍采用柔性的密封材料，密封效果较差，无法达到O2/CO2燃烧技术的密封要求。

在现有技术条件下，若要达到高密封要求，还是需要使用焊接等刚性密封技术。在这种情况，可以在所有锅炉穿棚管上方管道设置金属膨胀节，来达到吸收膨胀的目的，而穿棚处则可以进行完全焊死。同时锅炉其他区域存在类似膨胀问题区域均可以采用增加膨胀节的设计，具体结构示意如图2所示。

图2 增加膨胀节的锅炉顶棚密封结构

3.2 提升非受压元件间的焊接质量

对于锅炉的制造，焊接技术是核心制造工艺，目前各类受压元件的焊接均有严格的焊接规程与要求，但对于非受热面之间的焊接，如：鳍片与鳍片、钢板与钢板的焊接，目前要求较低，普遍是各大锅炉生产商根据现场安装需求以及自身加工设备水平确定焊接的形式，对密封性基本无要求。而在安装现场，对于非受压元件的焊接质量普遍不重视，且经常使用无焊工证的工人进行焊接操作来降低人工成本，因此在现场检查时，经常发些锅炉鳍片、扁钢、钢板的焊接处焊缝层次不齐，能肉眼观察到气孔。为满足O2/CO2燃煤锅炉的高密封要求，在锅炉设计过程中，应对非受压元件工地对接焊缝的焊接提出设计要求并进行改造设计，建议对于较薄的扁钢或鳍片焊接可使用单面V型焊缝，对于较厚的钢板焊接可使用双面V型焊缝。同时在施工现场，必须使用持有焊工证的焊工进行焊工，且增加超声检测、放射性检测质量管控措施确保工地对接焊缝的焊接质量。

3.3 设计高纯CO2气氛包围系统

锅炉密封问题得到一定解决之后，固然可以大幅减少漏风的发生，但仍会存在一定的漏风率，此时可在锅炉受热面外围布置一圈CO2气氛包围系统，即使锅炉发生漏风，漏进去的只是高纯CO2，对最终烟气中CO2浓度不会造成影响。设置CO2气氛包围系统后，系统本身与外界的连接处密封也要严格处理，否则发生CO2泄漏会影响电厂人员的生命安全。高纯CO2包围系统可使用最终压缩提纯后的95%浓度CO2作为气源。该系统设置后，锅炉本体的附近已不允许人员进入，普通的锅炉运行操作或检修工作必须依靠及检修设备自动完成，因此其对锅炉的自动化运行要求较高。

3.4 局部受热面提升材料等级，改善焊接工艺

由于采用高浓度氧气作为氧化剂参与燃烧，如何解决炉膛受热面热负荷过高的问题是关键点，目前炉膛受热面主要采用的是20G、15CrMoG、12Cr1MoVG等碳钢或合金钢管作为锅炉水管材料，这些材料的耐热温度一般不超过400 ℃。当热负荷提高后，部分区域必然不能满足要求，因此提升管材等级成为必然选择，可以将其升级为不锈钢材料，例如：304、347、310等不锈钢钢管。对于锅炉水冷壁而言，不宜所有区域均替换成不锈钢材质的钢管，否则会造成成本大幅增加，建议局部高热负荷区域增加热负荷，如燃烧器附近区域可采用不锈钢，而剩余的低负荷区域则依然采用合金钢。改进后的锅炉炉膛受热面的典型布置如图3所示。当锅炉受热面改进后，一个需要面临的问题是不锈钢弯管的弯制需要更好的制造工艺，尤其对于弯管较多的燃烧器喷口管屏区域，弯管较为复杂，不锈钢钢管弯管一般采用冷弯+弯头固溶化热处理技术，以提高其性能，这要求制造厂商拥有先进的弯管机和热处理设备，且有较成熟的弯管技术与热处理技术。另外，当局部管屏替换为不锈钢后，其与相邻的合金钢钢管之间如何焊接也是需要考虑的问题，由于304、347、310等不锈钢与合金钢之间的等级差别较大，化学成分差距较大，因此直接焊接会造成焊接质量降低，甚至无法焊接的问题，因此，不锈钢与合金钢直接必须增加过渡管连接，一般过渡管需选择T91材质，具体形式如图4所示。

图3 改进后的锅炉炉膛受热面布置

图4 T91过渡管连接形式

3.5 增加吹灰器的使用强度及频率

由于锅炉密封性的提升与锅炉更容易结焦之间存在必然关系，如何处理结焦将是关键问题，而目前广泛使用吹灰器作为解决方法，吹灰器使用高动能的蒸汽或超声波作为吹灰介质，对结焦处进行吹扫，从而降低结焦对锅炉受热面吸热的影响，因此适当增加吹灰器的使用频率是应对结焦增加的有效手段。

4 结语

结合现有O2/CO2锅炉设备的设计制造情况，认为目前锅炉设计制造技术存在以下问题：锅炉整体密封性较差；局部燃烧过快易发生爆管；漏风减弱、负压减弱，炉膛易结焦等问题限制了O2/CO2燃煤锅炉技术的发展。针对以上问题，提出以下建议：加强锅炉密闭性设计；提升非受压元件间的焊接质量；设计高纯CO2气氛包围系统；局部受热面提升材料等级，改善焊接工艺；增加吹灰器的使用强度及频率。