我公司“18·30”項(xiàng)目吹風(fēng)氣回收裝置設(shè)計(jì)淺談

梁明超

（山西蘭花科創(chuàng)田悅化肥分公司，山西陽(yáng)城 048102）

山西蘭花科創(chuàng)田悅化肥分公司是于2007年10月建成投產(chǎn)的一家中型煤化工企業(yè)，生產(chǎn)能力為一套獨(dú)立的年產(chǎn)180kt合成氨、300kt尿素、副產(chǎn)10kt甲醇的裝置。為達(dá)到提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和明顯改善廠區(qū)環(huán)境的目的，配套實(shí)施了兩套規(guī)模相同的造氣吹風(fēng)氣余熱回收工程。

1 設(shè)計(jì)概況

1.1 造氣工段主要設(shè)備及生產(chǎn)狀況

造氣工段建有φ2 650～φ2 800mm的煤氣發(fā)生爐16臺(tái)，C600型空氣鼓風(fēng)機(jī)6臺(tái)，每4臺(tái)爐配用1臺(tái)空氣鼓風(fēng)機(jī)，正常生產(chǎn)時(shí)4開2備，采用山西無煙塊煤為原料制取半水煤氣，年生產(chǎn)合成氨180kt。合成放空氣經(jīng)膜分離提氫后的尾氣與貯槽弛放凈氨尾氣混合，一道送吹風(fēng)氣余熱回收裝置助燃。

1.2 設(shè)計(jì)規(guī)模

根據(jù)煤氣爐的產(chǎn)氣量計(jì)算，正常生產(chǎn)時(shí)最多開13～14臺(tái)爐，按全部回收14臺(tái)φ2 650～φ2 800mm造氣爐吹風(fēng)氣量的規(guī)模設(shè)計(jì)，兩套裝置平均回收14臺(tái)造氣爐的吹風(fēng)氣（即每套裝置回收7臺(tái)造氣爐的吹風(fēng)氣量），都采用φ6 500mm燃燒爐配Q60／900—25—2.45／280余鍋機(jī)組回收余熱流程。

1.3 產(chǎn)汽品位

副產(chǎn)p＝2.45MPa、t＝280℃過熱蒸汽，并入中壓蒸汽管網(wǎng)，供尿素生產(chǎn)用。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定

2.1 吹風(fēng)氣流量及組成

根據(jù)所提供的造氣工況，經(jīng)元素平衡計(jì)算，送入單套裝置的吹風(fēng)氣平均流量為42 000m3／h，組成如表1。

表1 吹風(fēng)氣流量及組成

2.2 合成二氣流量及組成

送單套吹風(fēng)氣裝置的合成放空提氫尾氣與貯槽弛放凈氨尾氣流量取1 000m3／h，具體組成如表2。

表2 合成二氣組成及流量

2.3 吹風(fēng)氣、合成二氣、軟水溫度

吹風(fēng)氣平均溫度300℃，合成二氣為常溫，供本裝置軟水溫度100℃。

3 系統(tǒng)煙氣流量及組成

經(jīng)物料平衡（物料平衡表略）計(jì)算，本裝置的平均煙氣流量為60 000m3／h，組成如表3。

表3 煙氣流量及組成

燃燒爐出口煙氣溫度為900℃，平均副產(chǎn)2.45MPa、280℃過熱蒸汽24t／h，系統(tǒng)排煙溫度≤160℃。

4 工藝及流程說明

4.1 低溫吹風(fēng)氣燃燒的基本條件

（1）創(chuàng)造一個(gè)高溫的燃燒環(huán)境。

眾所周知，如果低溫吹風(fēng)氣（小于400℃）因溫度低于其可燃組分的著火溫度（650℃），就不能直接送入助燃二次空氣讓其燃燒，否則不但不能燃燒，反而要發(fā)生破壞性爆炸事故。

本設(shè)計(jì)使低溫吹風(fēng)氣安全燃燒的核心，是創(chuàng)造并保持一個(gè)有適當(dāng)容積的高溫（800～950℃）燃燒環(huán)境（空間）——蓄熱型燃燒爐（以下簡(jiǎn)稱燃燒爐），讓低溫的吹風(fēng)氣（低熱值）和二次空氣進(jìn)入該高溫燃燒環(huán)境后瞬間迅速提高到600℃以上，燃燒放出化學(xué)反應(yīng)潛熱，保持燃燒爐內(nèi)的高溫燃燒環(huán)境。離開燃燒爐的高溫?zé)煔猓儆珊竺娴挠酂徨仩t回收熱量，產(chǎn)生蒸汽。即燃燒與取熱必須分開，為兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，保持燃燒爐內(nèi)的高溫環(huán)境，不降低燃燒爐內(nèi)的溫度，從而實(shí)現(xiàn)低溫吹風(fēng)氣的連續(xù)安全燃燒和熱量回收。適當(dāng)容積的燃燒空間，是指與生產(chǎn)規(guī)模相匹配的燃燒空間，并非越大越好。過大了，散熱損失也大，投資也大，適得其反。

（2）引入助燃?xì)馊紵岣吆捅３秩紵隣t內(nèi)的高溫燃燒環(huán)境。

由于低溫吹風(fēng)氣（溫度250～350℃）燃燒后放出的化學(xué)潛熱，尚不能將煙氣溫度提高到750℃以上（稱750℃為安全燃燒溫度），為此，引入10～14MJ／m3的高熱值助燃?xì)怏w送入燃燒爐燃燒，使燃燒爐內(nèi)溫度保持在800～950℃的高溫狀態(tài)，其主要作用是創(chuàng)造并保持一個(gè)高溫燃燒環(huán)境。

（3）預(yù)熱二次風(fēng)空氣，以此來提高和保持燃燒爐內(nèi)的高溫燃燒環(huán)境。

利用引風(fēng)機(jī)前的低溫?zé)煔庥酂釋⒊氐亩物L(fēng)空氣預(yù)熱至150℃以上，然后送入燃燒爐助燃，以此來提高燃燒爐的溫度，同時(shí)煙氣溫度也降至160℃以下再排入煙囪。但是，如果吹風(fēng)氣溫度小于250℃，其可燃組分含量也較低，合成二氣已提氫，數(shù)量和熱值減少，余熱鍋爐又用低壓鍋爐（或者余熱鍋爐的富余能力較大），離開鍋爐的煙氣溫度比較低，二次風(fēng)空氣的預(yù)熱溫度也低于150℃，在以上等等因素的影響下，就有必要設(shè)置中溫空氣預(yù)熱器或者設(shè)置高溫空氣預(yù)熱器，將初步預(yù)熱至150℃的二次風(fēng)空氣進(jìn)一步預(yù)熱至350℃或者400℃，甚至更高，讓其將熱量帶回燃燒爐，保持燃燒爐內(nèi)的高溫燃燒環(huán)境，實(shí)現(xiàn)低溫吹風(fēng)氣的連續(xù)安全燃燒而回收其潛熱。雖然此法是用高溫?zé)崃吭诖蜓h(huán)，會(huì)增加一些散熱損失和一臺(tái)設(shè)備的投資，但這是必要和十分安全可靠的好措施。

總而言之，只有保持燃燒爐內(nèi)的高溫（800～950℃）環(huán)境，維持熱量平衡，才能實(shí)現(xiàn)低溫吹風(fēng)氣的連續(xù)安全燃燒，反之將帶來嚴(yán)重的不良后果。

4.2 工藝流程簡(jiǎn)述

來自造氣的300℃低溫吹風(fēng)氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器進(jìn)一步除塵后，與第二空氣預(yù)熱器來的400℃二次風(fēng)空氣混合后進(jìn)入燃燒爐燃燒。與此同時(shí)，合成二氣與第一空氣預(yù)熱器來的200℃二次風(fēng)空氣混合后也進(jìn)入燃燒爐燃燒，生成的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過第二空氣預(yù)熱器、余熱鍋爐（含過熱器）、軟水加熱器、第一空氣預(yù)熱器換熱后，經(jīng)引風(fēng)機(jī)抽送到煙囪放空。

除氧軟水經(jīng)過軟水加熱器溫度由100℃提高到200℃，送入水管式余熱鍋爐，所產(chǎn)蒸汽經(jīng)蒸汽過熱器，并入中壓蒸汽管網(wǎng)，供尿素生產(chǎn)用。

二次風(fēng)機(jī)來的空氣，經(jīng)第一空氣預(yù)熱器加熱到200℃分為兩路，一路經(jīng)第二空氣預(yù)熱器進(jìn)一步提溫至400℃與吹風(fēng)氣混合燃燒，另一路與合成二氣經(jīng)混燃器混合至燃燒爐燃燒。

工藝流程示意如圖1。

圖1 工藝流程示意說明：①為吹風(fēng)氣壓力；②為吹風(fēng)氣配二次風(fēng)壓力；③為合成二氣壓力；④為合成二氣配二次風(fēng)壓力；⑤為煙氣壓力；⑥為總二次風(fēng)壓力；⑦為過熱蒸汽壓力；⑧、⑨為軟水壓力

5 有關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）旋風(fēng)除塵器 φ2 200／φ3 300×13 500mm

（2）弛放氣緩沖罐 φ3 000×1 000mm，P 1.6MPa，V70m3

（3）安全水封、分離器 φ1 600×1 600× 10mm，P5 000Pa

（4）燃燒爐殼體 φ6 500×21 000×12mm（錐頂、錐底，直筒體高15m）

（5）第二空氣預(yù)熱器

煙氣

流量60 000m3／h，壓力±100Pa，入口溫度900℃，出口溫度850℃。

空氣

流量16 900m3／h，壓力5 000Pa，入口溫度200℃，出口溫度400℃。

傳熱面積45m2。

（6）余熱鍋爐（含蒸汽過熱器）

煙氣

流量60 000m3／h，壓力±100Pa，入口溫度850℃，出口溫度350℃。

蒸汽

壓力2.45MPa，溫度280℃。

補(bǔ)充軟水溫度200℃，鍋爐正常產(chǎn)汽量24t／h。

選用Q60／900—25—2.45／280型余熱鍋爐，產(chǎn)汽量25t／h，煙氣流量60 000m3／h，傳熱面積1 182m2。

蒸汽過熱器傳熱面積14m2。

（7）軟水加熱器

煙氣

流量60 000m3／h，壓力±1 200Pa，入口溫度350℃，出口溫度190℃。

軟水

流量26.25t／h，入口溫度100℃，出口溫度200℃。

傳熱面積1 050m2。

（8）第一空氣預(yù)熱器

煙氣

流量60 000m3／h，壓力±1 500Pa，入口溫度190℃，出口溫度160℃。

空氣

入口溫度 常溫，出口溫度200℃，流量22 000m3／h，壓力6 500Pa。

傳熱面積683m2。

（9）二次空氣風(fēng)機(jī)

型號(hào) 9—26.NO11.2D

風(fēng)量 24 126～36 189m3／h

全壓 7 747～7 009Pa

配電機(jī) Y315s

N 110kW

轉(zhuǎn)速 1 450r／min

（10）引風(fēng)機(jī)

型號(hào) Y4－73NO18D

風(fēng)量 121 830～169 910m3／h

全壓 2 908～2 790Pa

配電機(jī) Y355－6

N 200kW

轉(zhuǎn)速 960r／min

6 技術(shù)特性

（1）燃燒爐采用錐底和錐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，具有其獨(dú)到之處。

本燃燒爐設(shè)計(jì)采用錐頂結(jié)構(gòu)，它比相同直徑、相同筒體高度的平頂結(jié)構(gòu)燃燒爐，燃燒空間和停留時(shí)間長(zhǎng)20%以上，其負(fù)荷也就相應(yīng)提高20%以上。錐頂結(jié)構(gòu)的燃燒爐，能將爐頂及爐頂內(nèi)襯的重力落入鋼殼來支承，再傳到基礎(chǔ)，使得爐頂和爐墻都不容易倒塌或出現(xiàn)裂縫，十分安全可靠。

錐底結(jié)構(gòu)燃燒爐又比相同直徑、相同筒體高度的平底結(jié)構(gòu)燃燒爐，有更大的燃燒空間。在整體結(jié)構(gòu)上，燃燒爐的重力全部落在筒體周邊的環(huán)形混凝土梁上，使得錐底不承受重力，因此可以大大節(jié)省爐底和基礎(chǔ)的材料，而且安全可靠。

（2）燃燒爐內(nèi)襯質(zhì)量好

內(nèi)襯質(zhì)量好，不產(chǎn)生裂縫，就能保證設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，同時(shí)又是提高燃燒爐內(nèi)溫度及煙氣出爐溫度的最有效辦法，否則，將會(huì)有安全隱患。熱量從裂縫傳出爐外，也增大了散熱損失。本內(nèi)襯設(shè)計(jì)采用預(yù)留膨脹縫措施，能避免產(chǎn)生裂縫，膨脹縫內(nèi)填滿硅酸鋁纖維材料，熱量不能從縫中傳到爐外，從而大大提高了保溫效果和安全性能。

（3）采用新型的蓄熱磚體排列方式

新型的蓄熱磚體排列方式，既能保證可燃?xì)怏w和助燃?xì)怏w（空氣）多次反復(fù)混合接觸，著火燃燒和燒盡，同時(shí)又能消除積灰堵塞，達(dá)到長(zhǎng)周期運(yùn)行的良好效果。

（4）選用新型結(jié)構(gòu)的燃燒器

新型結(jié)構(gòu)的燃燒器，能使可燃?xì)怏w和助燃空氣更好地混合燃燒，而燃燒器自身也經(jīng)久耐用，不易燒壞。

（5）要求換熱設(shè)備有較好的密封性能

鍋爐、軟水加熱器、空氣預(yù)熱器等外購(gòu)換熱設(shè)備，要求±150mmH2O壓力（1mmH2O柱＝9.8Pa）時(shí)不漏煙氣。否則，由于引風(fēng)機(jī)的抽吸，會(huì)使大量冷空氣吸入系統(tǒng)，將大大降低煙氣溫度，也就降低了熱量回收效果。

7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

（1）助燃?xì)鈿饬?1 000m3／h

（2）產(chǎn)汽量 24t／h

（3）燃燒爐外壁溫升≤45℃，爐內(nèi)溫度800～1 000℃

（4）煙氣中煙塵含量≤100mg／m3，CO≤0.3%，O2＝2%～6%

8 結(jié) 語(yǔ)

此方案是根據(jù)我公司的實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的，就原設(shè)計(jì)思想分析，在技術(shù)上是完全成熟的。該裝置自2008年元月開車以來，運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均能保持在規(guī)定范圍之內(nèi)，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目的，為我公司的節(jié)能降耗和減少環(huán)境污染起到了重要作用。