循环流化床锅炉掺烧氢气技术的安全应用

8 余 热 锅 炉2 0 1 4 2 循环流化床锅炉掺烧氢气技术的安全应用 杭州II缶 j工 环保热电有限公司许钦宝 摘要 本文从循环流化床锅炉掺烧氢气的技术方案确定、 组织实施过程、 主 要工艺流程、 运行操作要点、 安 全措施 落实、 存在的问题及解决办法等全面阐述 1 3 0 t h高温 高压循 环流化 床锅 炉掺 烧 氢气技 术在 临江 热 电成功应 用 的案例 。 循环 流化 床锅 炉掺 烧 氢 气是 一项 创新 的高效、 节能、 环保 燃烧 技 术， 掺 烧 案例属 国内首 创， 具有明显的经济效益， 值得推广应用。 关键词循 环流化床锅炉掺烧 氢气技术安 全应 用 1 概述 杭州临江环保热电有限公司供热设备建 设规模为 4台型号 NG - 1 3 0 9 8 - M5的高温 高 压循环流化床锅炉 由杭州锅炉集团股份有限 公司制造生产 ， 主要为工业园区企业提供动力 和工艺蒸汽。 由于杭州电化集团搬迁至萧 山临江 l 业 园区后进行产业转型升级 ， 工艺过程中产生人 量富余高纯度氢气， 排空处理， 浪费很大。 为了 解决这一问题， 杭州临江环保热电有限公司与 杭 电化集团协商采用循环流化床锅炉掺烧氢 气， 以燃煤为主掺烧氢气为辅， 以解决氢气排 空的浪费问题。 通过掺烧氢气有效回收了这一 部分清洁能源， 使其变废为宝。 氢能被誉为 2 1 世纪 的 “ 清洁能源 ， 燃 烧后对环境不产生任何污染物， 循环流化床锅 炉掺烧可燃气体技术是一种很好 的能源综合 利用的方式。 但氢气具有易燃易爆特性， 属于 危险品， 国家对氢气使用有严格规定， 同时循 环流化床锅炉掺烧高纯度氢气国内尚无先例。 为了该项氢气掺烧技术的顺利安全实施， 采取 有效措施成功将杭州 电化集团有限公司富余 氢气通过管道输送接入至电厂 、 3 锅炉， 并与另外两台同型号未改造的锅炉进行对 比 试验， 证实了燃用氢气可 以有限提升锅炉热效 率， 减少煤耗和污染物的排放。 2 锅炉本体改造说明 2 1 燃烧器布置位置的合理选取 锅炉整个炉膛从结构上分为上、 下两部 分， 以标高 1 2 9 8 7 IT U T I 、1 2 4 1 0 n l m为界， 下部纵 向剖面 由前、 后墙水冷壁与水平面相交 7 8 。 后 而成为梯形。 循环流化床锅炉的磨损很大， 特别是在 炉膛变截面区， 由于颗粒的变向造成局部的磨 损更加的严重， 因此在分界处 ( 1 2 9 8 7 m m)以 下均敷设 5 5 mm的刚玉莫来石耐火耐磨可塑 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 余 热 锅 炉 2 0 1 4 2 3 1 掺烧方案 为 了使炉膛 内的温度场更加均匀， 本方 案采用从水冷壁左右两侧墙将氢气送入炉膛 燃烧。 同时， 为了防止炉膛和氢气燃烧器的磨 损， 将燃烧器的位置设在下部耐火浇注料 内。 结合本项 目的实际情况采用 ： 在炉膛水冷壁 左右两侧标高为 1 1 8 0 0 m m 的地方， 分别设置 个氢气燃烧器 ( 左、 右墙对称布置。 氢气燃 烧器采用燃氢专用燃烧器轴 向旋流叶片 式稳焰器技术进行充分燃烧 ) 。 氢气在空气当 量燃烧时的火焰温度为 1 4 3 0 C， 由于燃烧器远 离给煤区， 因此有效地避免了煤颗粒的高温烧 结。 氢气燃烧器助燃风 由一 次热风提供， 风 温为 l 3 0 1 5 0 ， 每台炉掺烧氢气所 需燃 烧空气量仅为 8 4 4 0 Nm 3 h ， 有效地避免 了因调 节负荷引起的助燃风量变化， 并且能够使燃烧 器得到充分的冷却 ， 防止该区域 内较高炉膛温 度对燃烧器本体的损坏。 3 2主要工艺流程 从 一 外氢气管网来 的氢气通过隔离阀及 一一 系列调节阀控制后， 将一定压力、 流量的氢 气送入燃烧器， 每台燃烧器的额定设计补燃量 为 8 9 3 N m3 h 。 氢气来自 区的氢气管道， 由母管引出2 路分支管， 分别进入 舵、 f 3锅炉的控制阀组。 氢气经过调节阀组减压至 6 0 k P a 左右进入燃 烧器。 每台燃烧器的点火管路和主燃管路均设 置气动快速切断阀， 用于异常情况下快速切断 燃气。 在母管、 点火管路及主燃管路均设置 自 动排空阀， 在异常情况时将氢气排空， 确保安 全。 每台锅炉的分支母管引出 2路点火管路和 2 路主燃管路， 分别进入左、 右侧燃烧器。 每炉 的分支母管上设置流量计、 气动调节隔膜 阀， 用于调节燃烧器的氢气掺烧量。 此外， 在燃烧 器前设置阻火器， 防止氢气压力低时出现 “ 回 火”危险。 每台燃烧器设有 1 套紫外线火焰检 测器， 实时监测燃烧器的燃烧状态。 从锅炉一 次热风管接入 1 3 O 1 5 O 助燃风的管道上 设置气动调节蝶阀， 根据氢气燃烧情况调整供 风量， 在锅炉运行不掺烧氢气的情况下， 对燃 烧器进行冷却保护。 4 控制系统及操作要点 4 1 控制系统 锅炉按照数据分散 自动采集、 设备分散 自动控制、 信息和管理集 中操作的控制模式。 通过D C S 系统的入机界面操作站及其实时 监控软件， 实现过程控制的操作与监控功能。 技改后每台炉增加配置 l 套 P L C程序控 制柜用于控制两套燃烧器系统， 实现锅炉炉膛 安全监控系统 ( F S S S ) 的功能 ； 并增设 2台就 地控制柜对氢气燃烧器就地点火控制。 根据氢 气掺烧工艺要求及锅炉生产操作特点， 对生产 过程中的重要参数进行 自动调节或集中显示， 采用 P L C程序控制进行监测， 主要对锅炉中 各系统 的温度、 压力、 水位、 阀门开关、 火焰监 测等参数进行监控 ， 并对其实行监视及报警， 同时能在操作站上显示流程图、 趋势图、 数据 一 览、 报警一览等画面并打印报表。 4 - 2 氢气系统主要操作步骤 乱管道的吹扫及置换 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉 2 01 4 2 1 1 为了掺烧时氢气纯度达到要求， 避免出 现混燃爆炸事故， 启动前必须进行管道的吹扫 和置换。 氮气置换空气。 从厂外管道置换 口通入氮 气， 从锅炉前排空阀排放管 内气体， 注意氢气 管道压力变化， 压力稳定后 1 5分钟进行第一 次取样， 如不合格， 每过 5分钟取样， 连续两 次合格后， 停用氮气 并保压。( 氮气纯度大于 9 7 ) 氢气置换氮气。 打开炉前各排空阀， 注意氢 气管道压力变化， 压力稳定后 1 5分钟进行第 1_一 次取样， 如不合格， 每过 1 5分钟取样， 连续 两次合格后， 关闭所有排空阀。( H ， 纯度大于 9 9 ) 燃烧器吹扫 ： 检查并确认燃气阀门处于关 闭状态 ； 先将燃烧器的风门打至全开位 ， 进行 燃烧器吹扫， 吹扫至少 5分钟 ： 将燃烧器空气 调节挡板微开 ( 开至约 1 5处)有微风。 b 燃烧器点火 检查 D C S画面点火是否允许， 并再次确认 锅炉是否稳定运行允许投用燃烧器， 炉膛负压 自动调节改为手动调节， 并且负压比正常运行 适当大一些， 检查锅炉 MF T保护投运。 调 整 助 燃 风 风 门 在 点 火 位 置 开 度 5 1 0 之间， 风量 ( 1 0 0 0 1 5 0 0 ) m3 h 。 调整主喷嘴进气气动调节阀在点火位置 ( 阀门开度位置 1 0 0 o - 2 0 ) ， 主喷嘴进气气动 调节阀后压力大于 2 5 k P a 。 检查氮气站是否在备用状态， 压力正常 ( 8 0 1 0 0 ) k P a , ， 并投运对主喷嘴进气角阀 2后 至炉膛氢气管道置换。 启动点火枪， 开启点火阀 2 ， 确认点火是否 成功，D C S画面监视到火焰， 巡检人员现场确 认， 确认点火器是否退出。 画面监视到火焰稳定后， 开启主喷嘴进气 角阀 2 ， 同时关 闭氮气置换 阀， 确认燃烧正常 后， 及 时调整主喷嘴进气气动调节阀和助燃 风， 保证氢气燃烧器燃烧正常， 同时调整锅炉 燃烧。 氢气燃烧器第一只运行正常运行后， 在投 运另一侧燃烧器前适当开大主喷嘴进气气动 调节阀， 确保在启动另 一 侧燃烧器时第一只燃 烧器正常运行。 投运正常后炉膛负压 自动投运， 氢气燃烧 器及锅炉参数正常后， 氢气燃烧器 MF T投运。 4 2 _ 3负荷调节 负荷通过燃气 阀门和空气 阀门来调节。 如负荷不够时， 先开大空气 阀门， 再调节燃气 阀门， 观察火熘 I青况， 逐步增大燃烧器热负荷， 直至炉温正常且燃烧效果 良好为止 ； 如负荷 过高时， 应先关小燃气阀门， 再调节空气阀门， 观察火焰情况， 逐步减小燃烧器热负荷， 直至 炉温正常且燃烧效果 良好为止 ； 若采用 自动 调节时， 调节系统的执行机构直接控制调节阀 来完成。 注意 ： 急剧增加或减小空气量， 都会 导致燃烧异常， 甚至熄火， 所 以对燃气和空气 的调节量不能过大， 必须分几次反复操作。 通过观察火焰 的颜色来判断燃气和空气 的混合比例是否合适 ， 一般火焰颜色以蓝紫色 为好， 或根据燃烧声音来判断， 若空气量过少， 则燃烧声音低 ： 相反， 若空气量过多， 则会发 出很高的断连声。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 余 热 锅 炉 2 0 1 4 2 手动或 自动调 节引风机挡板或风机频 率， 以保持正常的炉膛压力。 4 2 4停用 锅炉作必要调整， 保持锅炉燃烧稳定。 适 当降低主喷嘴进气气动调节阀后压力， 调整助 燃风风门。 先关闭一侧主喷嘴进气 角阀 2 ， 再 停运点火枪， 调整主喷嘴进气气动调节阀保持 氢气压力稳定， 调整锅炉燃烧稳定后再停用另 一 侧氢气燃烧器， 调整助燃风。 非正常情况 ( 停运时间小于 2小时) ， 氢 气管道采用氢气保压压力为 ( 6 0 8 0 ) k P a 。 正 常停运或者停运时间超过 2小时， 停运后进行 氮气置换， 点火管路及主管路排空 阀打开置 换。 氮气置换合格后， 关闭所有排空阀、 紧急切 断阀和点火阀 I 、 角阀 1 ， 氢气管道氮气保压压 力为 ( 5 0 8 0 ) k P a 。 5 安全保护措施 因为氢气无色、 无臭、 无味， 氢气 比窄气 轻， 氢气与空气混合容 易形成爆炸性 混合物 等特性。 锅炉掺烧氢气必须完善其安全保护系 统。 采取的主要措施有 ： 1 ) 必须在锅炉稳定运行工况， 且炉膛温 度大于 8 5 0 C后再进行氢气掺烧 ， 确保送入的 氢气彻底燃烧-T净 ； 2 )燃烧器前设置监控装置， 确保气体流 出速度大于火焰传播速度 ， 防止 “ 回火 ” 。 另 外， 每个燃烧器还设置阻火器 ， 进一步防止产 生 “ 回火” 。 3 )联锁保护。 在锅炉异常运行 ( T ) 、 火焰检测无信号、 氖气 力过低时， 都必须进 入联锁程序， 紧急切断氢气， 打开放空阀， 开启 氮气置换。 4 )静电消除。 氢气管道所有阀门， 仪表均 进行静 电跨接， 并且接地 ， 有效地避免静电摩 擦产牛火花， 防止引起爆炸。 另外， 氢气管道设 置高空放空装置以及防雷设施。 5 )氢气报警装置。 为防止氢气管道、 法兰 等泄漏时造成爆炸火灾事故， 在燃气管道操作 台上安装固定式氢气报警仪， 并将声光报警信 号接入控制室。 同时， 还配备了便携式氢气报 警仪， 方便巡检人员检查设备管道是否有泄漏 情况。 一旦报警仪报警， 及时进行处理。 6 )在氢气燃 烧器 中设有点火枪和丰火 枪， 点火时先点燃点火枪再点燃主火枪， 提高 点火成功率。 如果点火失败 ， 必须完成吹扫后 方可进行下次点火。 7 )设有氢气燃烧安全保护系统， 它能在 锅炉正常运行和启动、 停止等运行方式下， 通 过连锁使氢气燃烧系统中有关部件按照既定 的合理程序完成必要的操作或处理未遂事故， 以保证锅炉炉膛及燃烧系统的安全， 它将在防 止 由于运行人员误操作及设备故障时引起的 人身伤害、 设备损坏方面起重要保障作用。 8 ) 锅炉区域侧氢气管道设分析取样 口、 吹扫 口， 置换用惰性气体管道设分析取样 口， 供人工取样分析。 置换气体采用氮气， 其 中氧 气的体积分数不超过 3 。 氢气系统内氧或氢 含量至少连续 2次分析合格， 氨的体积分数小 于或等于 0 4 时罱换结束。 9 ) 氢气主气枪及点火气枪管路均设发散 设施， 当危机状况时， 锅炉区域 内的气动关断 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 1 4 2 阀迅速动作， 同时对管内氢气进行发散。 1 o )氢气管道布置架空管， 氢气管道采用 无缝钢管， 管道连接采用焊接 ， 架空部分采用 碳钢管道， 碳钢与不锈钢连接部分为法兰连 接。 1 1 )氢气管道施工及检验符合国家相关 规定， 它包括在材料招标、 施工工艺、 及施工结 束强度试验、 气密性试验、 泄漏量试验。 1 2 )厂区管道设置切断阀及放散阀， 传动 方式均为气动， 在危机状况下， 切断外来气源 并将厂区氢气快速放净。 1 3 )氢气管道投运及检修严格按照规范用 氮气进行吹扫和置换， 合格后投入使用和检修。 1 4 )在锅炉爆炸危险性区域内的电气仪 表选用防爆型或隔爆型。 6 效果分析 单 台锅炉掺烧 的氢气 量 为 1 7 8 0 Nm 3 h ， 氢气热量 占锅炉总热量比约为 4 8 8 ， 掺烧后 燃烧空气量 I士 纯烧煤时的 1 4 3 6 8 4 Nm h减少 为掺烧氢气时的 1 4 2 9 2 6 Nm ， 而烟气量由纯 烧煤 时的 1 5 9 3 4 6 Nm h ， 减少 为掺烧氢气 时 的 1 5 7 9 2 5 Nm h ， 锅 炉空预器 出 口的烟气 温 度 由纯烧煤时的 1 4 3 降低为掺烧氢气 时的 1 4 2 “C， 锅炉效率 由纯烧煤时的 9 0 5 提升为 9 0 7 1 。 此外， 由于氢气是新时期的清洁能源， 氢 气的燃烧产物仅为H ： O。 替代部分燃煤可以有 效地降低二氧化硫、 氮氧化物和烟尘等污染物 的排放量， 此次改造完成后， 单台锅炉每年可 减少_氧化硫 ( s o ： ) 排放 1 1 】 3 6吨 年