亞洲首臺臥式氫氣鍋爐運行總結

張希哲

(山東濰坊潤豐化工股份有限公司，山東 濰坊 262737)

淄博永大化工有限公司是一家年產18萬噸燒堿項目、10萬噸環氧丙烷項目企業，其氯堿項目副產大量氫氣現基本作放空處理；另一方面廠里蒸發工段每天需要消耗大量干蒸汽來配套環氧丙烷的生產，煤炭的價格持續上漲，伴隨著蒸汽價格的飛漲。為解決上述問題根據廠里的實際情況與德州科技合作共同新建1臺額定蒸發量為10t/h燃氫氣蒸汽鍋爐，額定壓力為1.25MPa。此項目在2012年3月正式建成，并順利投產。

項目的運行不僅解決了傳統氯堿工業中氫氣排空浪費的問題，而且生產的蒸汽減輕了工廠里的生產成本。氫氣屬于清潔能源對環境沒污染。

2003年3月國內第一臺立式氫氣鍋爐在上海氯堿化工股份有限公司正式投產，其采用的是立式鍋爐其主要特點是安全性比較高，但缺點明顯，制造周期長，熱效率低等弊端。經過幾年的發展國內氫氣鍋爐技術逐漸成熟，這期間以臥室氫氣鍋爐主要代表[1]。

1 臥式鍋爐的特點

傳統的氫氣鍋爐采用的是立式爐體，其結構龐大、復雜而且投資過大及安裝周期長。針對傳統臥式鍋爐的缺陷我公司技術人員在與上海德州科技發展有限公司相關技術人員的共同努力下，在亞洲首次嘗試氫氣鍋爐引入臥室爐體的思路。與傳統立式氫氣鍋爐相比臥室鍋爐具有以下特點：

(1) 鍋爐采用雙鍋筒D型水管爐布置，水循環布置合理，爐膛火焰充滿度好；二回程結構，熱風滯留時間長，煙氣出口處裝有省煤器，熱效率可達92%以上，比立式爐高了十多個百分點。

(2)鍋爐采用膜式水冷壁和對流管束隔墻結構，密封性高，不產生煙氣滲漏，以及爐膛微正壓強化燃燒，傳熱效果好從而減少熱損失。

(3)鍋爐結構緊湊、體積小，整機安置在底部支架上，不僅整裝運輸，安裝方便，而且對安裝基礎要求不高。

(4)產生的蒸汽含水率低，品質好。

(5)安裝周期短、操作方便省力，維護保養方便且工作量小。

(6)裝置比立式爐相對建設投資費用節省20%～30%。

2 臥式D型鍋爐的安全性

氫氣利用的不安全性其表現為：管道輸送中有氧氣混入，發生爆炸；氫氣的爆炸極限(4.1%～74.2%)廣；燃燒速度奇快，易回火發生爆炸；氫氣火焰界面溫度可達2000℃以上，足于熔化任何金屬；若有不完全燃燒或泄露引起爐內外爆炸。

(1) 首先是由完整可靠成熟的氫氣燃燒器和自控系統給予了安全的絕對保證。

(2)設計有大容量的燃燒室，適應氫氣引燃時的高速性，保證點火燃燒的正常進行，不損害爐膛結構，不發生回火。

(3)在D型爐回程處設計成圓滑過渡，且該膛、對流段、煙道出口設有安全防爆門，保證足夠的泄爆面積。

(4) 鼓風機設置為常吹掃狀態，開車前、停車后將吹掃時間適當延長，確保爐內可燃氣體徹底排出爐外。

3 燃燒器的特點

氫氣作為燃料，最大特點是易爆，爆炸濃度極限寬達4.1%～74.2%，因此對鍋爐的結構、燃燒器、自控系統的安全要求更高。

3.1 燃燒器結構上保證氫氣完全燃燒

設計成特殊的外混燃燒式燃燒盤結構。氫氣與助燃空氣分兩路進入爐膛，分成火焰中心區(燃氣充足區)與火焰邊緣區(空氣充足區)，邊混合便燃燒；結構上合理安排火焰的高、中、低溫區，就會形成特殊的火焰旋流運動使兩氣充分混合，完全燃燒，燃燒效率100%，絕對杜絕了剩余氫氣的發生和積聚；火焰中心區會產生一個強制性的回流，形成一個中心火焰，也就是建立了長明燈，保證了燃燒不會脫焰、爆炸和回火。

3.2 采用專利技術

采用專利技術燃燒頭結構，使氫氣燃燒火焰遠離燃燒盤。避免了由于燃燒高溫熔化燃燒盤金屬。

3.3 燃燒器的組成配置具有如下主要安全聯鎖功能

(1)燃燒器停止燃燒后，風機繼續運行，助燃空氣繼續將爐膛內吹掃，預防殘留廢氣的存在，將其請出爐外。

(2)當鼓風機有故障或助燃空氣壓力低于或高于設定值時，當氫氣壓力低于或高于設定值時，當高壓、低壓切斷閥泄漏時，當檢測到系統漏氣時，當火焰檢測器有故障時等等，燃燒器立即連鎖，停止工作。

3.4 采用雙重控制

采用機械式的程序控制器(不受電信號的干擾)和PLC雙重控制，確保了系統的安全。

(1)氫氣與助燃空氣(略大于)配比一旦調試好后即由機械結構固定并通過伺服馬達與連桿機構隨負荷變化而同步變化，確保氫氣在不同負荷下充分徹底燃燒。

(2)氫氣燃燒器在運行過程中、還可與上一級(DCS)的智能化自控儀表對各參數的檢測、監視、記錄和控制。

(3)有可靠的火焰檢測器，監視燃燒與否，否則立即聯鎖，啟動安全處理程序。

4 燃燒器工作流程

燃燒器工作流程見圖1。

圖1 燃燒器工作流程圖

5 監控系統

操作系統采用WINDOWS2000，人機界面系統采用昆侖通態網絡版組態軟件，人機界面顯示的文字為中文或英文。每副畫面都能顯示過程變量的實時數據和設備的運行狀態。畫面刷新時間<1s，所有數據刷新時間<1s，操作指令執行時間<1s，操作指令響應時間<2s。調用每副畫面點擊鍵盤或鼠標的次數少于3次。

控制系統的所有測點，包括模擬量輸入、模擬量輸出、數字量輸入、數字量輸出、中間變量和計算值都可以在畫面上顯示。對于每個測點，還包括顯示工程單位，高低限值等。監控系統具備控制方式切換、自動控制、手動控制、畫面切換、趨勢/圖表/報警/記錄調入、報表打印及瀏覽、操作員登陸等操作功能。

對每個操作站所處理的信息、畫面限制，以及系統對不同級別的操作設置，通過"密碼"等功能來達到。對設置操作，均能設置安全保護措施，具有防止誤操作的功能。通過授權，操作員只能觀看或操作被授權區域的過程和變量。

報警系統支持以下報警類別：過程值高限、過程值低限、過程值超高限、過程值超低限、偏差值高限、偏差值低限。一旦報警發生，將發生下列情況：系統將根據最近的時間把報警信號及點的名稱、報警類型、優先級、點的描述、新值和工程單位記錄于事件數據庫中；任何在包含該報警點的標準畫面和用戶定義的畫面中，該報警還將閃爍和發出聲音報警，按專用的確認鍵確認。

6 運行情況

本項目在2012年3月27日一次性點火成功，點火成功后由于存在一些問題，隨后進行了一系列的調試、整改等工作。在3月29日正式投入使用。再投入使用這段時間經檢測鍋爐熱效率基本達到90%以上，排煙溫度在160℃以下，蒸汽含水低于2%。

7 經濟效益

項目總投資：350萬元。鍋爐產能：蒸汽產量10t/h：壓力1.25MPa。鍋爐按滿負荷24小時運轉，預計4個月便可回收全部投資。

8 總結

淄博永大化工有限公司增加的氫氣鍋爐，可以回收利用氯堿裝置長期放空的氫氣。隨著原材料價格上漲，作為回收氫氣生產1.25 MPa蒸汽供環氧丙烷裝置使用的氫氣鍋爐，是節能降耗的有效途徑。臥室氫氣鍋爐在我廠的成功運行為全國氯堿廠回收利用氫氣進一步提供了好的借鑒。