熔鹽爐的低氮與節能設計

張曉東 戴炳慧 趙 娟

（南京博納能源環保科技有限公司，南京 210048）

近年來，隨著經濟和科學技術的發展，人們對生活質量和生存環境的要求日益提高，低氮燃燒技術因此應運而生。低氮燃燒技術是通過改進燃燒設備或控制燃燒條件來降低燃燒尾氣中NOx濃度的技術。影響燃燒過程中生成NOx的主要因素是燃燒溫度、煙氣在高溫區的停留時間、煙氣中各種組分的濃度以及混合程度等，改變空氣-燃燒比、燃燒空氣的溫度、燃燒區冷卻的程度和燃燒器的形狀設計都可以減少燃燒過程中氮氧化物的生成[1]。

現有技術中的低氮氧化物燃燒技術多應用于焚燒爐領域，通過循環部分煙氣至燃燒器繼續利用，與空氣共同為燃燒器提供氧氣，降低了氧氣的濃度，而且降低了整個低氮氧化物燃燒系統的氮氧化物排放濃度，但是該技術使用風機多、占地面積大、成本高，而且進入燃燒器的空氣需要進入換熱器換熱，此時由于外部空氣的溫度較低，而所需空氣溫度較高，因此換熱時間較長，換熱效率較低。

1 工程概況

我國氧化鋁生產過程中，由于一水硬鋁石型鋁土礦存在高鋁、高硅、可磨性差和難溶出等特點，國內企業越來越多的采用管道化溶出這一方式，熔鹽爐則是管道化溶出系統中最核心的加熱設備。

為滿足某石化公司每年4 000萬噸煉化一體化項目，二期工程每年60萬噸PO/SM裝置單元熔鹽爐的工藝要求，南京博納能源環保科技有限公司對結構及工藝路線進行了設計開發，在提高熔鹽爐換熱效率的同時，降低了氮氧化物的排放，并節省了投資和占地面積。

2 熔鹽爐設計

2.1 技術特點及主要參數設計

隨著國際鋁業市場對氧化鋁產品的需求日益增加，我國氧化鋁產品市場也在逐漸發展壯大。據統計，目前我國氧化鋁年需求量約為1 200萬噸，但由于原料能源存在供給短缺狀況，50%的氧化鋁產品來自進口。就目前我國氧化鋁的生產狀況來看，與其他工藝相比，管道化溶出工藝在技術的先進性上具有較大優勢，大大改善和優化了我國氧化鋁生產技術。在氧化鋁的生產過程中，管道化溶出系統是把原礦漿加熱到280 ℃左右，以保證礦漿在停留罐和停留段快速反應的系統，這一過程要求有高溫介質進行供熱。通常情況下，當工藝溫度為250～550 ℃時，一般以熔鹽作為載熱體，因此熔鹽爐成了管道化溶出系統中最核心的加熱設備。

熔鹽爐以三元或二元無機熔鹽（硝酸鉀、硝酸鈉、亞硝酸鈉等的混合物）為傳熱介質，以煤、燃油或燃氣為燃料進行加熱，熔鹽爐的化鹽槽能夠將粉狀的固體熔鹽加熱到熔點以上，直到熔鹽可以用液壓熔鹽循環泵推動，整個系統成為可流動循環的狀態后，送到爐體進一步與高溫煙氣循環換熱，從而升溫到工藝熱設備所需要的工作溫度，使其在流動狀態下循環供熱[2]。熔鹽爐能夠將粉狀的熔鹽加熱到熔點以上，最高工作溫度可達580 ℃，可廣泛應用于固堿、三聚氰胺、氧化鋁等高溫加熱生產工藝中。熔鹽爐具有以下技術特點：第一，低壓運行時可獲得更高的工作溫度作為580 ℃以下的高溫熱源；第二，供熱溫度穩定，負荷-溫度調整精確，在設計負荷范圍內能穩定運行，且具有自動控制和安全監測功能；第三，閉路循環供熱，熱利用效率高，節能效果顯著；第四，啟動前必須將熔鹽預熱，停車時必須將系統內的熔鹽全部回流到貯槽中，啟停過程復雜。

目前，熔鹽爐的構造一般采用盤管式，熔鹽在爐身盤管內流動。常用的熔鹽爐分類方法有以下幾種：第一，以熔鹽爐的循環方式分類，可分為自然循環和強制循環類型；第二，以不同的熱源分類，可分為燃煤、燃油、燃氣和電加熱等類型；第三，以熔鹽爐的結構形式分類，可分為圓筒形、方箱形和管架式；第四，以熔鹽爐的放置形式分類，可分為立式和臥式。

在本項目中，熔鹽爐采用立式底燃、立式盤管+頂盤管結構，燃燒器以天然氣、液化石油氣或乙烯氣為燃料。立式底燃結構的熔鹽爐支撐結構比立式頂燃結構的熔鹽爐支撐結構更便于燃燒器的維護操作，爐管內的熔鹽可以靠自重排空至熔鹽槽，且立式底燃結構的熔鹽爐比立式頂燃結構的熔鹽爐壽命長。熔鹽爐的設計參數如表1所示。

2.2 熔鹽爐的空氣預熱器

固堿裝置中熔鹽爐是加熱裝置中的主要耗能設備，其能耗占所有裝置的50%～80%[3]。為避免露點腐蝕，只能提高排煙溫度，但排煙溫度越高，熔鹽爐熱損失越大，熱效率也就越低。因此，為提高熔鹽爐熱效率，需要降低排煙溫度。正常情況下，排煙溫度越低，則空氣預熱器回收的熱量越多，加熱爐熱效率越高。本項目通過空氣預熱器，將煙氣溫度由 420 ℃冷卻至210 ℃，助燃空氣溫度由50 ℃左右提高到300 ℃，實現了熔鹽爐系統熱效率不低于88%，具體技術參數如表2所示。

表2 空氣預熱器規格參數表

2.3 熔鹽爐燃燒系統的工藝流程

本項目熔鹽爐的工藝流程如圖1所示，熔鹽（353 ℃） 在進入熔鹽爐加熱至420 ℃后會送入后端設備。

由圖1可知，熔鹽爐的工藝流程為：燃燒助燃風由助燃風機按固定比例（由1#和2#調節閥控制）抽取空氣和煙氣混合后通過管道進入換熱器，從70 ℃換熱至約260 ℃后送至燃燒器；助燃風與燃料充分混合燃燒產生的煙氣加熱熔鹽后排出熔鹽爐，通過管道進入換熱器降溫至220 ℃后排出，排出煙氣中的氧濃度在3%左右，其中一部分煙氣通過煙囪排入大氣，另一部分由助燃風機從循環管道抽取與空氣混合成助燃風[4]。

燃燒系統燃燒器采用電子比調燃燒器，以天然氣、液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，LPG）和乙烯燃料氣為燃料，以分級分區貧氧燃燒，多級配風，同時運用煙氣循環技術，實現燃燒系統的低氮排放。具體技術參數如表3所示。

表3 燃燒器規格參數表

3 熔鹽爐燃燒系統的低氮與節能設計

該項目工藝流程中，助燃空氣由部分氧濃度含量低的煙氣和空氣混合組成，其中，氧濃度控制在16%～18%。通過降低助燃風的氧濃度，可以降低整個系統的氮氧化物的排放濃度，從而解決氮氧化物排放不達標的問題。

由一臺助燃風機混合抽取煙氣和空氣，減少了助燃風機的用量，降低了投資成本和占地面積。將煙氣和空氣混合后再送入換熱器，混合后的助燃風溫度比環境中的空氣溫度高出30～50 ℃，這樣可以縮短換熱時間，提高換熱效率[5]。隨后助燃風經換熱器換熱，溫度升高至300 ℃左右再送入燃燒器用于助燃，既能降低排放到大氣中的煙氣的溫度，又能提高助燃風的溫度，從而提高燃料的燃盡率。

提高熔鹽爐熱效率的關鍵在于降低排煙的熱損失，即降低排煙溫度，這一過程需要充分回收加熱爐煙氣中的熱量。本項目采用的列管式空氣預熱器，煙氣溫度可以由420 ℃降低至210 ℃，助燃空氣溫度能夠提高到300 ℃，整個熔鹽爐系統熱效率大于等于88%。

4 熔鹽爐燃燒系統的性能優勢

本項目中熔鹽爐的熔鹽循環量為600 m3·h-1，熱功率最大為26 355 kW，爐體外壁溫度不超過環境溫度30 ℃，燃燒系統可實現系統燃燒效率大于99.9%，燃燒調節比為1∶10，熱效率大于等于88%，余熱系統排煙溫度為210 ℃左右，排放氧含量為3.5%～5.0%，NOx排放濃度小于等于100 mg·Nm-3，加熱熔鹽使之滿足工藝要求的同時能量能夠得到最大程度地回收利用，且符合環保要求，實現了經濟與社會效益的最優化。

5 結語

對于熔鹽爐燃燒系統，可通過對熔鹽爐的結構與燃燒工藝流程的優化設計，運用低氮燃燒原理，采用循環煙氣實現低氮排放與節能，從而節省占地面積，降低投資成本。