湖北江漢油田鹽化總廠氫氣摻燒回收利用

毛秋榮

摘要:江漢油田鹽化工總廠有年產(chǎn)20萬噸氯堿廠，副產(chǎn)氫氣總量約7000Nm3/h，其中有1000Nm3/h用于鹽酸合成，其他外圍廠利用2000Nm3/h，約有4000Nm3/h氫氣作放空處理，這樣即浪費(fèi)能源又損失了財(cái)源，為了利用H2我們提出將氫氣在鍋爐內(nèi)摻燒回收利用

關(guān)鍵詞：氫氣節(jié)能脫硝

中圖分類號(hào)： TE08文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1概述

江漢油田鹽化工總廠配建有2臺(tái)75t/h供熱鍋爐，年消耗燃煤10萬噸左右，氯堿分廠在工業(yè)生產(chǎn)過程中副產(chǎn)氫氣，總量約7000Nm3/h其中有1000Nm3/h用于鹽酸合成，其他外廠利用2000Nm3/h，約有4000Nm3/h氫氣作放空處理。氫氣除作為化工生產(chǎn)原料外，還是一種清潔無污染燃料，燃燒產(chǎn)物是水，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生任何污染。其熱值高，居多種燃料之首，據(jù)測(cè)定每千克氫燃燒釋放的熱量為1.4*108。為石油熱值的3倍?，F(xiàn)擬將這部分富余氫氣作為燃料來回收利用，減少煤炭消耗，降低燃料成本，既解決了環(huán)保安全問題也在為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

2、基礎(chǔ)條件

2.1、氫氣

體積比：≥99%（體積比），酸堿性基本為中性（含堿量≤PPM級(jí)）

含水率<0.5%

壓力：40～100kpa

流量：Max 4000 Nm3/h以上

溫度：≤40℃

2.2、儀表氣

壓力0.7MPa（G）

溫度常溫

2.3、氮?dú)?/p>

壓力0.04～0.1MPa（G）（進(jìn)燃燒器前壓力）

溫度常溫

3、安全防范措施

氫氣特性 安全問題

爆炸極限范圍很廣4.1～74.2% 泄漏、積聚達(dá)到一定濃度，極易產(chǎn)生爆燃或爆炸

燃燒速度非?？?，當(dāng)量燃燒速度2.6m/s，過量燃燒速度4～6m/s，是天然氣的8倍 極易產(chǎn)生回火，造成管內(nèi)爆炸

火焰界面溫度可達(dá)1800℃左右 容易高溫腐蝕燃燒設(shè)備，造成設(shè)備損毀，以至燃燒不可靠

熱值低，純氫2566kcal/Nm3 容易造成失火脫焰

針對(duì)氫氣燃燒特性，我們采取一系列措施，徹底保障氫氣燃燒的安全性、可靠性。

3.1、防止氫氣泄漏的措施

3.1.1、采用反應(yīng)速度快的雙閥組

選用反應(yīng)速度<2.5 s的氣動(dòng)切斷閥，動(dòng)作可靠，并設(shè)置兩個(gè)切斷閥門，保證氫氣總管的可靠開啟，不使氫氣泄漏進(jìn)入爐膛。

3.1.2、鼓風(fēng)機(jī)常吹掃

鼓風(fēng)機(jī)采用常開方式，一方面保證始終向爐膛吹掃，擁有足夠的吹掃時(shí)間和吹掃空氣量，不使氫氣在爐膛內(nèi)產(chǎn)生積聚；另一方面起到冷卻燃燒頭的作用，不致因爐膛內(nèi)對(duì)流熱和輻射熱對(duì)燃燒頭的高溫腐蝕。

3.1.3、氫氣直接點(diǎn)火

采用氫氣直接點(diǎn)火方式，不采用氮?dú)夂蜌錃庵饾u置換點(diǎn)火，直接達(dá)到氫氣燃燒濃度，不使因氮?dú)夂蜌錃庵饾u置換過程前期達(dá)不到點(diǎn)火濃度，而使少量氫氣進(jìn)入爐膛造成爆燃；也不采用其他燃料進(jìn)行點(diǎn)火，減少操作和系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低因點(diǎn)火不順造成微量氫氣進(jìn)入爐膛的可能性。

3.1.4、燃燒器閥組的位置設(shè)置

燃燒器閥組結(jié)構(gòu)緊湊，緊靠燃燒器噴口，氫氣以最快速度進(jìn)入火焰生成區(qū)域，使點(diǎn)火順暢，點(diǎn)火成功率幾乎100%；采用放空方式在停止燃燒時(shí)放空閥組管道內(nèi)殘余氫氣，不使用氮?dú)獯祾?，從而使少量管?nèi)氫氣進(jìn)入爐膛。

3.1.5、燃燒器檢漏閥組系統(tǒng)

采用三套閥門來完成燃燒器閥組檢漏程序，即在兩個(gè)主氣閥門間設(shè)一個(gè)放空閥，通過開關(guān)放空閥與氫氣進(jìn)氣側(cè)切斷閥完成檢漏，不使微量氫氣進(jìn)入爐膛。

三閥組檢漏示意圖

3.1.6、燃燒器閥組檢漏程序

先開關(guān)放空閥，卸去雙主氣閥間壓力，如閥間壓力沒有上升，表示氫氣進(jìn)氣側(cè)主氣閥沒有滲漏，而后開關(guān)氫氣進(jìn)氣側(cè)主氣閥，使雙主氣閥間建立壓力，如沒有出現(xiàn)壓力下降，說明閥組其他閥門無滲漏。按此順序進(jìn)行檢漏同時(shí)保證了氫氣氣源離開點(diǎn)火區(qū)域更近，點(diǎn)火時(shí)氫氣能即時(shí)到達(dá)點(diǎn)火區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)火，進(jìn)一步保障了點(diǎn)火成功率。

3.2、防止氫氣燃燒失火與回火措施

3.2.1、控制燃燒混合速度

3.2.1.1、長(zhǎng)明燈效應(yīng)防脫焰

氫氣熱值較低，在氫氣小氣量燃燒時(shí)，氫氣燃燒產(chǎn)生的熱量較小，燃燒火焰溫度相應(yīng)較低，火焰形成的三要素中其中一項(xiàng)是溫度，因此當(dāng)小火焰時(shí)，火焰容易被助燃風(fēng)給吹滅，也就是我們所說的脫焰。

燃?xì)鋵Ｓ萌紵魅紵^與燃燒盤的結(jié)構(gòu)，使氫氣與空氣的混合產(chǎn)生一個(gè)回流，回流區(qū)域?yàn)槿剂铣渥銋^(qū)（沒有足夠的空氣使氫氣燃盡），回流使一部分火焰被壓制在燃料充足區(qū)，而因?yàn)樵搮^(qū)域缺少足夠燃燒空氣，又不至于會(huì)產(chǎn)生回火，因此形成了一個(gè)真正意義上的長(zhǎng)明火，徹底保障了氫氣燃燒的安全，不使出現(xiàn)氫氣燃燒脫焰。

3.2.1.2、形成不同混合區(qū)域防止回火

氫氣專用燃燒器燃燒盤使燃燒用氫氣和空氣按一定比例成不同角度進(jìn)入燃燒混合區(qū)域，并形成因燃料充足區(qū)與空氣充足區(qū)兩個(gè)區(qū)域，燃料充足區(qū)即燃料不完全燃燒區(qū)域，氫氣不會(huì)因燃盡后跟不上，就不會(huì)使燃燒氫氣過早充分混合，造成回火；空氣充足區(qū)有足夠空氣量，可把未燃盡氫氣充分混合，完全燃盡保證了保證了100%的氫氣燃燒率。

3.2.2、高/低壓保護(hù)設(shè)置

在靠近氫氣燃燒噴口前，設(shè)置高壓保護(hù)開關(guān)，氫氣氣源進(jìn)燃燒器閥組前設(shè)置低壓保護(hù)開關(guān)；回火的產(chǎn)生是因?yàn)閮煞N原因：一是爐膛壓力過高，高于氫氣出口壓力，使氫氣無法進(jìn)入爐膛，此時(shí)，噴口端管內(nèi)的氫氣壓力會(huì)上升，意味著燃?xì)鉄o法進(jìn)入爐膛，在此處設(shè)置高壓保護(hù)，可以預(yù)警回火的可能，并及時(shí)聯(lián)鎖，關(guān)閉氫氣閥組。

回火另一個(gè)原因是由于助燃空氣過早與氫氣混合充分，燃燒速度過快，后續(xù)管內(nèi)氫氣不能即時(shí)跟進(jìn)，從而火焰順者管內(nèi)氫氣而上，此種情況管內(nèi)氫氣壓力會(huì)下降，因此在氫氣進(jìn)口設(shè)置低壓保護(hù)也是防止氫氣燃燒回火的必要措施。

燃燒示意圖

3.3、氫氣燃燒器結(jié)構(gòu)保障措施

氫氣專用燃燒器是氫能回收裝置中的核心技術(shù)設(shè)備。

3.3.1、特殊的外混燃燒式燃燒盤，經(jīng)過精確計(jì)算設(shè)計(jì)制作的結(jié)構(gòu)，使氫氣與助燃空氣按一定比例，分多層，成一定旋轉(zhuǎn)角度噴射進(jìn)入爐膛，合理控制燃燒混合速度，使氫氣與助燃空氣完全充分混合，徹底保證了氫氣的100%燃燒率。

3.3.2、采用專利技術(shù)燃燒器結(jié)構(gòu)，使氫氣燃燒火焰與燃燒盤隔離。避免了由于燃燒高溫而熔化腐蝕燃燒盤金屬。

3.3.3、通過對(duì)燃燒混合的控制達(dá)到靈活控制火焰形狀，以適應(yīng)各種不同環(huán)境。

3.4、氫氣燃燒系統(tǒng)可靠性保障措施

3.4.1、機(jī)械式聯(lián)桿固化連動(dòng)

風(fēng)量的調(diào)節(jié)與氫氣量的調(diào)節(jié)采用機(jī)械式聯(lián)桿固化連動(dòng)，排除人為或電信號(hào)干擾造成配比失調(diào)，調(diào)試后一次性固定，徹底做到不同負(fù)荷位置，空氣與氫氣配比的正確性，即使機(jī)械結(jié)構(gòu)故障，也不會(huì)改變兩者之間的配比，從結(jié)構(gòu)緊湊性上，系統(tǒng)復(fù)雜性上，以及安全可靠性上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

3.4.2、氫氣溫度監(jiān)測(cè)

氫氣輸送進(jìn)入燃燒系統(tǒng)前設(shè)置氫氣溫度監(jiān)測(cè)，以防氫氣溫度過高造成氫氣燃燒系統(tǒng)橡膠件及軟密封件的老化損傷，保證燃燒系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

3.4.3、遠(yuǎn)程控制

在燃燒器現(xiàn)場(chǎng)，不設(shè)就地控制箱，以防現(xiàn)場(chǎng)誤操作，造成現(xiàn)場(chǎng)事故，燃燒器的運(yùn)行控制操作，在控制室內(nèi)進(jìn)行，這也是安全操作的保障。

3.4.4、合理的空/燃?xì)獗葘?duì)效率的保證

為盡量避免摻氫改造對(duì)原鍋爐的影響，燃燒器調(diào)試時(shí)，氫氣與空氣的配比盡量要求合理，調(diào)試時(shí)采用尾部煙氣分析儀進(jìn)行調(diào)試，有可靠的數(shù)據(jù)為依據(jù)，以盡量提高氫氣利用的效率。

3.4.5、設(shè)備用材選擇

由于氫氣來源于氯堿生產(chǎn)，氫氣中或多或少都會(huì)帶有一定量的堿，因此燃燒系統(tǒng)配置的配件充分考慮了堿腐蝕問題，盡量不采用鋁材，這也是一種設(shè)備保障。

3.4.6、燃燒器的安裝

采用活動(dòng)支架固定安裝燃燒器，在不使用燃燒器時(shí)，及時(shí)把燃燒器從爐膛中退出，并關(guān)閉燃燒器鼓風(fēng)機(jī)，防止?fàn)t膛內(nèi)高溫以及粉塵對(duì)燃燒器的損傷。

燃燒系統(tǒng)示意圖

3.5、氫氣燃燒控制系統(tǒng)保障措施

配置的自控儀表和系統(tǒng)是針對(duì)氫氣燃燒特性設(shè)計(jì)，全自動(dòng)化控制操作方便簡(jiǎn)單，同時(shí)也完全保證裝置的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5.1、針對(duì)氫氣燃燒特性設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，已獲國(guó)家專利。保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

3.5.2、多重控制：采用PLC+PC與機(jī)械式程序控制器多重控制，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3.5.3、分層控制：針對(duì)氫氣燃燒的關(guān)鍵點(diǎn)（回火，泄漏等）采用多點(diǎn)檢測(cè)監(jiān)控，分層控制——預(yù)警，警示，連鎖。徹底保證氫氣燃燒的安全性和系統(tǒng)的可靠性

3.5.4、針對(duì)氫氣燃燒的特性進(jìn)行控制點(diǎn)設(shè)置，燃燒負(fù)荷輸出根據(jù)不同要求變化，保證燃燒不間斷。

3.5.5、控制系統(tǒng)具備全自動(dòng)控制裝置與人工智能控制系統(tǒng)（可切換），可具有遠(yuǎn)程監(jiān)視功能。

3.5.6、合理設(shè)置溫度，壓力，流量檢測(cè)等措施確保系統(tǒng)安全運(yùn)行

4、改造費(fèi)用估算燃?xì)鋵Ｓ萌紵?、現(xiàn)場(chǎng)儀表、執(zhí)行器等約180萬元，鍋爐改造及安裝40萬元

5、經(jīng)濟(jì)分析

5.1、計(jì)算依據(jù)：

原煤熱值： 5000Kcal/kg

原煤價(jià)格： 600元/噸

氫氣燃燒量： 4000Nm3/h

氫氣低位熱值： 2566Kcal/Nm3

年計(jì)算運(yùn)行時(shí)間： 8000小時(shí)

CO2排放量： 2620Kg/噸

5.2、節(jié)約標(biāo)煤計(jì)算

項(xiàng)目 煤爐改造

氫氣燃燒每小時(shí)

可回收的熱量 4000 Nm3/h×2566Kcal/h

= 1026.4x104Kcal/h

氫氣燃燒每小時(shí)

可回收的熱量折算成原煤 1026.4x104Kcal/h ÷5000Kcal/kg

=2.05噸/h

年節(jié)約原煤 2.05噸/h×8000h/年

=16400噸/年

5.3、年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

16400噸/年×600元/噸≈984萬元/年

5.4、年減少CO2排放量

16400噸/年×2620Kg/噸≈42968噸/年

5.5、回收期：220萬元÷984萬元×12個(gè)月≈3個(gè)月

5.6、同時(shí)H2還可在爐內(nèi)作為還原劑替代氨將NOx還原為N2達(dá)到脫硝的作用。

6、結(jié)論

綜上所述，本鍋爐改造氫氣摻燒回收利用項(xiàng)目，從安全性能上、氫氣有效利用上、系統(tǒng)與設(shè)備配置上；以及生產(chǎn)運(yùn)輸、安裝、操作、維護(hù)保養(yǎng)等各方面都已相當(dāng)成熟和可靠。此項(xiàng)目將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)、造福子孫后代。