FGR 再循环风机在燃氢锅炉低氮燃烧中的应用

2023-04-06齐振宇李运杰

中国氯碱 2023年2期

齐振宇，李运杰，何帅

（青岛海湾化学股份有限公司，山东青岛 266000）

氢气作为氯碱生产过程中的主要副产物之一，产出后经降温、除水及压缩等工序处理，得到高纯度的常温氢气，可作为清洁能源使用。氯碱生产中主要通过燃氢锅炉将产生的氢气作为燃料燃烧，产生蒸汽供生产使用。但在燃烧过程中因燃烧器、燃料配比等原因造成燃烧不充分，会在燃烧尾气中产生氮氧化物污染环境，因此，实现低氮燃烧对于燃氢锅炉的使用具有重要意义。

1 燃氢锅炉工艺流程

来自氢气处理工序的氢气通过管道输送至燃氢锅炉界区，经阀组进入燃氢锅炉燃烧器的燃烧室；空气经助燃风机加压后，经自动调节阀进入燃氢锅炉燃烧器的燃烧室；天然气从外管网送到界区后经阀组进入燃氢锅炉燃烧器的燃烧室。空气与氢气、天然气按一定比例混合燃烧，在炉膛内放出大量热量并生成高温烟气，加热锅炉内除氧水产生饱和蒸汽。高温烟气经锅炉及节能器换热进行废热回收利用后，由烟囱高处排放[1]。

来自脱盐水站的脱盐水首先进入脱盐水箱，经除氧水泵送至除氧器加热除氧，除氧后的脱盐水由锅炉给水泵经节能器送至锅炉上锅筒进行加热，产生饱和蒸汽。饱和蒸汽经气水分离后送至低、中压蒸汽管网，供各装置使用。

燃氢锅炉系统的组成为氢气燃烧器与燃烧控制系统、仪表与控制系统、锅炉供水水质处理系统、锅炉本体和氢气的收集处理输送系统。

燃氢锅炉一般具备2 套燃气控制阀组，1 套为氢气控制阀组，1 套为天然气控制阀组，2 套阀组用于控制对应燃气的流量及压力，以保证燃烧器的燃气配比及压力稳定。其中天然气对燃氢锅炉主要有2 种用处，（1）将天然气用做点火燃气，用于锅炉点火启炉，在成功引燃氢气并稳定燃烧后，停止天然气供给；（2）主要用于产能较大的氢气锅炉，因使用过程中用气量变化幅度较大，为保证燃烧器火焰稳定，利用天然气比氢气更优的燃烧稳定性，将天然气用于燃烧器中心枪火焰燃气。

2 尾气中的氮氧化物

2.1 氮氧化物的定义

氮氧化物是对由氮、氧两种元素组成的化合物的总称，包含一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮、四氧化二氮和五氧化二氮等多种化合物。除一氧化二氮及二氧化氮以外，其他氮氧化物均不稳定，遇光、湿或热变成二氧化氮及一氧化氮，一氧化氮又变为二氧化氮。因此，职业环境中接触的是几种气体混合物，常称为硝烟，主要为一氧化氮和二氧化氮，并以二氧化氮为主。氮氧化物都具有不同程度的毒性[2]。

2.2 氮氧化物产生的原因及分类

在锅炉燃烧中，生成氮氧化物的作用机理主要分为3 种，即燃料型NOx、热力型NOx 和快速型NOx。而影响NOx 生成量的主要因素为燃烧温度，助燃气含量及燃烧时间。

（1）燃料型NOx

燃料中含氮有机物在高温燃烧下吸收能量，含氮有机物化学键断裂，产生游离的氮离子与空气中的氧气反应化合生成燃料型NOx，燃料中存在的含氮化合物杂质是燃煤锅炉氮氧化合物的主要来源，但氯碱生产稳定状态下产生的氢气较为清洁，不含有其他含氮化合物，因此在燃氢锅炉运行过程中基本不会产生燃料型NOx。

（2）快速型NOx

快速型NOx 产生的原因是在燃气锅炉使用碳氢化合物作为燃料时，当燃烧区域碳氢化合物燃料浓度较高，火焰燃烧区附近将会快速产生NOx，其反应生成时间约0.06 s，速度较快，因此快速型NOx又被称作瞬时型NOx，反应方程式为：

CHi+N2→HCN+O2→NO

快速型NOx 的生成基本不受燃烧温度的影响，其产生的前提是使用含有碳氢化合物的燃料，因此在燃氢锅炉中，仅在使用天然气作为中心枪稳焰型号的锅炉才会产生快速型NOx，且此种氮氧化物生成量较小，不是燃氢锅炉尾气中氮氧化物的主要来源。

（3）热力型NOx

在锅炉燃烧器附近，燃气在空气助燃下剧烈燃烧，与空气中的氮气和含氧物质反应，生成热力型NOx，反应机理是一个不分支的链式反应，反应方程式为：

O2→2O

N2+O→NO+N

N+O2→NO+O

热力型NOx 是燃氢锅炉主要氮氧化物来源，其产生主要受燃烧温度的影响，燃烧温度越高，生成反应越剧烈，一般在燃烧温度超过1 500 ℃，其生成量明显上升，同时助燃空气中的氧浓度也将影响热力型NOx 的生成，氧含量高时，热力型NOx 生成量增加。

3 燃氢锅炉低氮运行

想要降低燃氢锅炉尾气氮氧化物含量，实现低氮运行，主要有以下2 种途径，（1）从源头处控制氮氧化物的生成，即实现燃氢锅炉的低氮燃烧，以降低氮氧化物排放；（2）对锅炉尾气中的氮氧化物进行处理，控制氮氧化物的排放，实现锅炉低氮运行。

若从源头处实现燃氢锅炉的低氮运行，就需实现锅炉的低氮燃烧，燃氢锅炉氮氧化物主要为热力型NOx，而影响热力型NOx 生成量的主要因素为燃烧温度，其次为燃烧时氧含量，因此，实现燃氢锅炉低氮燃烧可从2 个方面入手，（1）降低燃氢锅炉运行时的燃烧温度；（2）适当降低燃氢锅炉运行时燃烧室过氧浓度。同时从以上两个途径共同作用实现低氮燃烧的常用方式则是烟气再循环技术的运用。

4 FGR 再循环风机

4.1 FGR 再循环风机作用原理

烟气再循环技术的作用原理就是将锅炉燃烧后产生的排放尾气提取部分量，与锅炉助燃空气进行充分混合，混合气送入燃烧器内进行助燃燃烧。而此技术的运用主要是依靠FGR 再循环风机实现，实施方案是在锅炉出口烟气管道与锅炉鼓风机至锅炉燃烧器管线之间架设一道烟气管道，在此管道中间安装FGR 再循环风机及配套可调节风门，通过FGR烟气再循环风机抽取部分出口烟气送至锅炉鼓风机出口，使锅炉出口烟气与助燃空气充分混合，再由鼓风机产生推动力进入燃烧器燃烧，实现出口烟气的循环再利用[3]。

将锅炉出口烟气抽取一部分用作再循环烟气，使锅炉炉膛温度降低，炉膛辐射换热量降低，改变了锅炉辐射热与对流受热面的吸热量比例，达到降低燃烧器处燃烧温度的目的；同时因锅炉尾气中氧气助燃消耗含量低，与新引入的助燃空气混合后，有效稀释了进入燃烧室的氧气浓度，FGR 再循环风机的投用实现了通过降低燃烧温度与燃烧过氧浓度，两种途径共同作用，从而实现降低燃氢锅炉出口尾气氮氧化物含量的目的[4]。

4.2 FGR 再循环风机使用注意事项

4.2.1 风量调节设置

设置FGR 再循环风机的燃氢锅炉至少应设置FGR 风机电机变频控制器或FGR 再循环风机风门变频控制器中的一种用于控制再循环烟气的循环量，在锅炉负荷调试阶段同时可完成FGR 再循环风机的调试。调试锅炉负荷时，在锅炉不同档位进行停留调试，一般以10%的负荷为停留调节幅度，锅炉每提升10%负荷，需对FGR 再循环风机电机变频或风门变频进行调节，以调整再循环烟气的循环量，直至尾气氮氧化物排放达标，过低的再循环风量将无法实现氮氧化物排放达标，过高的再循环风量将会使锅炉燃烧不稳定，因此调节风量的依据不仅仅是尾气氮氧化物含量，还应观测锅炉燃烧器火焰燃烧情况，在各档位调整至烟气氮氧化物排放达标后，即可将FGR 再循环风机风量控制与锅炉负荷控制设置联锁控制回路进行自控控制。

值得注意的是，FGR 再循环风机在燃氢锅炉低氮燃烧控制的控制范围一般是锅炉负荷的20%～100%，因为过低的燃烧负荷燃烧器燃烧火焰较不稳定且燃气量较小，再循环烟气的投入无法实现精准调节且会影响火焰稳定性，因此FGR 再循环风机控制程序中应设置锅炉负荷20%以上才可投用。同时，还应设置FGR 再循环风机风量手动补偿余量控制，当锅炉快速提负荷时，FGR 风机变频控制的风量无法做到快速提升，将会使尾气排放氮氧化物超标。当锅炉快速降负荷时，若再循环风量无法自控实现快速降低，过大的再循环风量将会影响燃烧器火焰的稳定性甚至将火焰吹灭造成燃烧器联锁熄火，此时需要操作人员在快速提、降锅炉燃烧负荷的同时，手动调节FGR 再循环风机补偿余量控制，保障锅炉运行的稳定性。

4.2.2 燃烧稳定控制

FGR 再循环风机对锅炉燃烧稳定性的影响主要是以下2 个方面，（1）再循环风量；（2）再循环烟气与助燃空气的温差。其中再循环风量对于锅炉燃烧稳定性的影响可通过对FGR 再循环风机的控制程序入手解决，即通过程序控制实现FGR 风机的稳定投入和不同负荷下快速精准地调整再循环风量来保证各档位下再循环风量的稳定以减少对燃烧火焰的影响。

再循环烟气与助燃空气温差对燃烧火焰稳定性的影响主要体现在：当再循环烟气与助燃空气温差较大时，两种气体的混合将会造成高温的再循环烟气遇低温的助燃空气后迅速降温析出水蒸气，而形成的水蒸气凝结成水珠随锅炉风口进入燃烧器，附着在燃烧器火焰检测仪表上，造成火焰检测仪表检测异常，传递火焰熄灭的假信号造成联锁锅炉停车，过多的水珠也会在锅炉燃烧器点火枪枪头处凝结，造成点火枪绝缘与电极的损坏，影响锅炉启炉点火。锅炉出口烟气温度较为恒定，仅当锅炉负荷变化才会产生小幅变化，此现象主要发生在冬季或气温寒冷地区，即室外气温较低的工况下，解决此问题可从减少水蒸气的产生和提前排出水蒸气两个方面入手，一种方式可考虑安装空气预热器，通过空气预热器将从锅炉风机进入的助燃空气先与锅炉出口烟气进行换热，使助燃空气升温后与再循环烟气混合，达到降低两种气体温差的效果，减少因冷凝而产生的水蒸气，保证燃烧火焰检测的稳定性；第二种方式可以考虑在再循环烟气与助燃空气混合后的流道内设置折流板，并在流道低点设置排水口，混合后的气体产生的水蒸气在折流板上碰撞析出，受重力作用沿折流板下沉，自底部排水口排出也可达到保证火焰检测稳定性的目的。

5 燃氢锅炉投用前的准备

5.1 烘炉

新安装的锅炉，炉墙、炉顶以及炉底都是新砌筑的。在炉墙内，耐火混凝土及抹面层内部含有大量水分。烘炉的目的就是使炉墙达到一定的干燥程度，防止锅炉运行时炉墙潮湿，急剧受热后膨胀不均匀而造成炉墙及耐火混凝土开裂；同时也是对炉墙砌筑质量、严密性的一次检查。

烘炉主要分为3 个阶段，每个阶段24 h，共计72 h，每阶段划分依据为炉膛温度，依次为150 ℃、250 ℃和350 ℃。烘炉阶段采用连续加水补充液位，液位稳定在50%～70%，汽包压力稳定在0.2 MPa 左右，压力通过分气缸出口处排放蒸汽泄压。

火焰烘炉时，燃烧火焰应在炉膛中部，燃烧均匀，升温应缓慢，不得忽冷忽热，不准时而急火时而压火。从烘炉开始两三天，可间断开启连续排污阀排除浮污。烘炉的中后期应每隔4 h 开启排污阀排污。

排污时应把炉水补到高水位，排污后水位下降至正常水位即关闭排污阀。烘炉达到一定温度后，因产生蒸汽会造成水位下降，应立即补水并防止假水位出现。在烘炉的过程中，可用定排保持锅筒水位，避免脏炉水进入过热器。

投入燃烧器烘炉时应尽量少开检查门、看火门和人孔门等，防止冷空气进入炉膛使炉墙开裂。烘炉期间，应经常检查炉墙和烘炉情况，按烘炉曲线要求控制温度，并检查炉墙温升情况，勤观察、勤检查、勤记录，防止炉墙裂纹和鼓凸变形。

5.2 煮炉

由于新安装的锅炉受热面的管子、集箱及锅炉的内壁上存在油、锈等污染物，如果在运行前不处理干净，就会部分附在管壁上形成坚硬的附着物，使受热面的导热系数减小，影响锅炉的热效率；另一部分溶解到水中影响蒸汽的品质，危害汽轮机的安全运行。因此进行碱煮去除存在的油、锈等污染物，保证设备安全、高效运行。

煮炉共有3 个阶段，每个阶段用时24 h，共计72 h，每个阶段划分依据为锅炉汽包压力，依次为0.4 MPa、0.8 MPa 和1.2 MPa。

煮炉需要加药，所用药品为Na3PO4·12H2O 和NaOH，为一次性加药，具体用量按每立方水加2.0～3.0 kg 氢氧化钠（NaOH）与2.0～3.0 kg 磷酸三钠（Na3PO4·12H2O）。

6 燃氢锅炉运行注意事项

6.1 燃氢锅炉停炉联锁自动保护设置

燃氢锅炉运行至少设置以下情况的停炉联锁以防止锅炉事故发生：燃烧器火焰检测无信号；锅炉汽包压力极高；锅炉汽包液位极低；风机送风压力极低；氢气压力极高或极低；出口蒸汽温度极高。停炉联锁保护启动时，将发出综合故障联锁，立即切断锅炉氢气供给，并进入锅炉自动吹扫程序，保障锅炉停炉安全。

当锅炉因汽包液位极低造成锅炉联锁停车后，应同时设置锅炉供水泵停泵联锁，防止锅炉缺水停炉后立刻补水造成锅炉事故。

6.2 燃氢锅炉可能发生的故障及处理方式

缺水。当锅炉处于正常运行状态时，因供水系统问题造成锅炉液位下降到锅炉极低液位，应立即确认锅炉触发停炉联锁进入紧急停炉程序，切断燃烧器氢气供给。

虚假液位。在氢气锅炉启炉并入蒸汽管网时，因汽包与管网压力不平衡造成气液共沸抬升液位，形成虚假液位，会有大量水气随蒸汽被带走，应注意此时保持锅炉汽包高液位，防止压力平衡后锅炉液位过低，适当开启锅炉出口疏水阀排水。

锅炉进出物料不平衡。锅炉运行过程中，若出现锅炉供水量与蒸汽产量不平衡，首先检查是否因连排、定排排水过多造成，其次检查汽包有无漏水现象，若以上现象均未发生，则考虑是否由锅炉出口蒸汽含水过高造成，造成这种现象的原因可能为锅炉汽包内部气液分离器损坏无法起到汽水分离的作用、汽包液位过高超过气液分离器造成汽水分离器失效、汽包受热不均匀使局部过热汽水共沸造成汽水夹带。