O2/CO2燃燒技術下的燃煤鍋爐設計及制造技術

寧星(福建省環境保護設計院有限公司，福建 福州 350001)

0 引言

本文主要探討了在目前燃煤鍋爐的設計及制造條件下，限制O2/CO2燃燒技術發展與實際應用的問題，同時給出了針對性的解決辦法與建議。

1 O2/CO2燃煤鍋爐技術

O2/CO2燃燒技術是通過對常規空氣燃燒技術的改造形成的，其具體原理是：將純氧和純CO2通過一定比例混合后，按照一定風量送入鍋爐爐膛中，與煤粉燃燒后，其中的氧氣被煤粉耗盡，最終得到純度達95%的CO2，再將這部分高純度CO2的小部分返回與純氧混合后再送入鍋爐爐膛燃燒，而大部分的高純度CO2最終被收集后進入壓縮系統，被壓縮至超臨界狀態，成為一種高壓黏性液體，再通過技術手段，將超臨界CO2打入地下巖層中，從而被永久封存，目前該技術已經得到了相關行業學者的認可，該技術的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 O2/CO2燃燒技術工藝流程圖

2 O2/CO2燃煤鍋爐目前存在問題及發展瓶頸

2.1 鍋爐整體密封性較差

根據相關文獻[1-2]，在O2/CO2燃燒過程中，當鍋爐尾部CO2濃度達到95%時，所需氧氣濃度對空分設備的要求基本能滿足，此時空分設備和CO2壓縮設備的耗能之和最小，為最經濟的CO2濃度，但該計算方法是基于鍋爐系統絕對密封的情形下計算所得。但在目前的各類燃煤鍋爐系統中，均存在一定的漏風，一方面是因為鍋爐內部燃燒系統及煙風系統均為負壓系統，為外部空氣進入鍋爐提供動力；另一方面則是由于鍋爐本身的設計及制造問題，如鍋爐由于熱膨脹，部分受熱面連接處難以完全密封，此外一般鍋爐制造及現場安裝過程中對非受壓件連接的密封質量要求不嚴，因此存在一定的漏風[3]。

2.2 局部燃燒過快，易發生爆管

根據相關研究發現，O2/CO2燃燒技術下，O2濃度為30%左右時，燃燒較為穩定，經濟性較好，是最理想的氧氣燃燒濃度，但O2濃度的提高，勢必引起煤粉的燃燒速度加快，從而造成局部熱負荷升高，爐膛受熱面溫度升高，最終導致部分鍋爐水管溫度超過所能承受的極限溫度，從而發生爆管[4]。

2.3 漏風減弱、負壓減弱，爐膛易結焦

另外，由于該技術對鍋爐整體性密封要求較高，因此當密封性提高后，必然導致鍋爐漏風減弱，負壓減弱的情況出現，燃燒中的高溫煙氣會直接與鍋爐水冷壁接觸，受冷后燃燒的中間物焦油、炭黑等物質會迅速凝結到水冷壁管壁上，從而形成結焦，結焦現象會嚴重影響受熱面的吸熱能力，最終導致鍋爐水冷壁熱負荷降低，爐膛出口處煙溫過高，導致過熱器、再熱器等高溫受熱面溫度過高，造成爆管，嚴重危害鍋爐的安全運行。

3 O2/CO2燃煤鍋爐設計及制造建議

3.1 加強鍋爐密閉性設計

加強鍋爐密封性設計是O2/CO2燃燒技術的關鍵，因此必須從現有鍋爐密封設計進行改善。目前根據各個大型鍋爐廠以及電廠的經驗，鍋爐主要漏風發生在鍋爐頂棚與各個吊掛管等穿棚管的密封處。由于鍋爐頂棚的膨脹與鍋爐爐膛基本保持一致，而吊掛管的膨脹主要取決于自身管材長度、溫度和膨脹量，因此兩者的膨脹明顯不一致，如果采用焊接等剛性密封，焊縫會被膨脹力撕裂，導致更嚴重的漏風甚至是運行事故。因此目前普遍采用柔性密封，即吊掛管可以在一定范圍內相對頂棚自由活動的密封技術，但該密封普遍采用柔性的密封材料，密封效果較差，無法達到O2/CO2燃燒技術的密封要求。

在現有技術條件下，若要達到高密封要求，還是需要使用焊接等剛性密封技術。在這種情況，可以在所有鍋爐穿棚管上方管道設置金屬膨脹節，來達到吸收膨脹的目的，而穿棚處則可以進行完全焊死。同時鍋爐其他區域存在類似膨脹問題區域均可以采用增加膨脹節的設計，具體結構示意如圖2所示。

圖2 增加膨脹節的鍋爐頂棚密封結構

3.2 提升非受壓元件間的焊接質量

對于鍋爐的制造，焊接技術是核心制造工藝，目前各類受壓元件的焊接均有嚴格的焊接規程與要求，但對于非受熱面之間的焊接，如：鰭片與鰭片、鋼板與鋼板的焊接，目前要求較低，普遍是各大鍋爐生產商根據現場安裝需求以及自身加工設備水平確定焊接的形式，對密封性基本無要求。而在安裝現場，對于非受壓元件的焊接質量普遍不重視，且經常使用無焊工證的工人進行焊接操作來降低人工成本，因此在現場檢查時，經常發些鍋爐鰭片、扁鋼、鋼板的焊接處焊縫層次不齊，能肉眼觀察到氣孔。為滿足O2/CO2燃煤鍋爐的高密封要求，在鍋爐設計過程中，應對非受壓元件工地對接焊縫的焊接提出設計要求并進行改造設計，建議對于較薄的扁鋼或鰭片焊接可使用單面V型焊縫，對于較厚的鋼板焊接可使用雙面V型焊縫。同時在施工現場，必須使用持有焊工證的焊工進行焊工，且增加超聲檢測、放射性檢測質量管控措施確保工地對接焊縫的焊接質量。

3.3 設計高純CO2氣氛包圍系統

鍋爐密封問題得到一定解決之后，固然可以大幅減少漏風的發生，但仍會存在一定的漏風率，此時可在鍋爐受熱面外圍布置一圈CO2氣氛包圍系統，即使鍋爐發生漏風，漏進去的只是高純CO2，對最終煙氣中CO2濃度不會造成影響。設置CO2氣氛包圍系統后，系統本身與外界的連接處密封也要嚴格處理，否則發生CO2泄漏會影響電廠人員的生命安全。高純CO2包圍系統可使用最終壓縮提純后的95%濃度CO2作為氣源。該系統設置后，鍋爐本體的附近已不允許人員進入，普通的鍋爐運行操作或檢修工作必須依靠及檢修設備自動完成，因此其對鍋爐的自動化運行要求較高。

3.4 局部受熱面提升材料等級，改善焊接工藝

由于采用高濃度氧氣作為氧化劑參與燃燒，如何解決爐膛受熱面熱負荷過高的問題是關鍵點，目前爐膛受熱面主要采用的是20G、15CrMoG、12Cr1MoVG等碳鋼或合金鋼管作為鍋爐水管材料，這些材料的耐熱溫度一般不超過400 ℃。當熱負荷提高后，部分區域必然不能滿足要求，因此提升管材等級成為必然選擇，可以將其升級為不銹鋼材料，例如：304、347、310等不銹鋼鋼管。對于鍋爐水冷壁而言，不宜所有區域均替換成不銹鋼材質的鋼管，否則會造成成本大幅增加，建議局部高熱負荷區域增加熱負荷，如燃燒器附近區域可采用不銹鋼，而剩余的低負荷區域則依然采用合金鋼。改進后的鍋爐爐膛受熱面的典型布置如圖3所示。當鍋爐受熱面改進后，一個需要面臨的問題是不銹鋼彎管的彎制需要更好的制造工藝，尤其對于彎管較多的燃燒器噴口管屏區域，彎管較為復雜，不銹鋼鋼管彎管一般采用冷彎+彎頭固溶化熱處理技術，以提高其性能，這要求制造廠商擁有先進的彎管機和熱處理設備，且有較成熟的彎管技術與熱處理技術。另外，當局部管屏替換為不銹鋼后，其與相鄰的合金鋼鋼管之間如何焊接也是需要考慮的問題，由于304、347、310等不銹鋼與合金鋼之間的等級差別較大，化學成分差距較大，因此直接焊接會造成焊接質量降低，甚至無法焊接的問題，因此，不銹鋼與合金鋼直接必須增加過渡管連接，一般過渡管需選擇T91材質，具體形式如圖4所示。

圖3 改進后的鍋爐爐膛受熱面布置

圖4 T91過渡管連接形式

3.5 增加吹灰器的使用強度及頻率

由于鍋爐密封性的提升與鍋爐更容易結焦之間存在必然關系，如何處理結焦將是關鍵問題，而目前廣泛使用吹灰器作為解決方法，吹灰器使用高動能的蒸汽或超聲波作為吹灰介質，對結焦處進行吹掃，從而降低結焦對鍋爐受熱面吸熱的影響，因此適當增加吹灰器的使用頻率是應對結焦增加的有效手段。

4 結語

結合現有O2/CO2鍋爐設備的設計制造情況，認為目前鍋爐設計制造技術存在以下問題：鍋爐整體密封性較差；局部燃燒過快易發生爆管；漏風減弱、負壓減弱，爐膛易結焦等問題限制了O2/CO2燃煤鍋爐技術的發展。針對以上問題，提出以下建議：加強鍋爐密閉性設計；提升非受壓元件間的焊接質量；設計高純CO2氣氛包圍系統；局部受熱面提升材料等級，改善焊接工藝；增加吹灰器的使用強度及頻率。