基于气固废物再利用的节能环保一体化循环流化床锅炉技术.pdf

基于气固废物再利用的节能环保一体化循环流化床锅炉技术张红建，杨先斌，姜丽，王攀攀（河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南开封 475000）收稿日期：2023-06-07第一作者：张红建（1975），男，汉族，河南新郑人，工程师，学士，2010 年本科毕业于中南大学机械设计制造及自动化专业，现从事循环流化床锅炉工艺及机械设备方面工作，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.05.003引言河南晋开化工投资控股集团有限责任公司二分公司（以下简称晋开二分公司）年产 120 万 t 合成氨项目中采用五台型号为 YG-240/9.81-M5 的高温、高压循环流化床锅炉。该锅炉是一种高效、低污染的高压、单汽包、自然循环的循环流化床燃烧式水管锅炉，采用了膜式水冷壁、高温旋风分离器、返料器、流化床组成的循环燃烧系统，炉膛为膜式水冷壁结构，过热器分芋级布置，中间设域级喷水减温器，尾部设三级省煤器和一、二次风空气预热器。总体来讲，其煤种的适应性好，可以燃用烟煤、贫煤，也可以燃用褐煤、煤泥、煤矸石等较低热值燃料，且应用了分段燃烧方式，综合燃烧效率较高。但是，随着当前环保政策的收紧及企业竞争的日趋激烈，末端治理的空间不断收窄、成本持续上升，作为煤化工企业，更深层次的技术探索及应用、实现经济与环保效益的双提升，既是公司稳定、健康、可持续发展的内在需求，也是公司应有的社会责任担当，为此，晋开二分公司进行了一系列技术改造，现介绍如下。1循环流化床锅炉风烟系统工艺循环流化床锅炉风烟系统流程示意图见图 1。该锅炉采用平衡通风的形式，其用风主要由一台一次风机、一台二次风机供给，一、二次风经风机升压后进入两级管式空气预热器。上面一级为二次风预热器，下面一级为一次风预热器，烟气在管内自上而下流动，空气在管外横向冲刷，二次风经过预热后进入二次风母管，通过分层布置在燃烧室四周的二次风喷嘴进入炉膛，为分段燃烧提供空气。一次风经过预热后，一部分进入炉膛底部水冷风室，通过布风板上的风帽使床料流化；另一部分被送入落煤管作为播煤风，随燃料煤一同进入炉膛参与燃烧。烟气及携带的固体颗粒离开炉膛，从切向进入炉后两侧旋风分离器，粗颗粒由于离心力作用从烟气中分离出来，落入物料回料装置，由返料器送入炉膛再燃烧，而烟气携带细颗粒则从旋风筒顶部引出，经混合室进入尾部竖井，从上至下流动，经过各级对流受热面，先后进入电式、袋式除尘器，除去飞灰后，再由两台引风机送入烟气脱硫系统，后经烟囱排入大气。摘要为了实现锅炉飞灰固废和合成氨系统尾气（低温甲醇洗废气、液氮洗废气）的综合治理及再利用，解决锅炉效率低、锅炉排放烟气中氮氧化物控制困难等问题，河南晋开化工投资控股集团有限责任公司二分公司根据循环流化床锅炉的流化原理、SNCR 脱硝理论及燃烧理论，实施了飞灰循环燃烧、废气综合利用、新型旋风分离器构建等技术改造，实现了生产系统的安全、高效、环保运行的目的。关键词循环流化床锅炉；飞灰；低温甲醇洗废气；液氮洗废气；旋风分离器文章编号：1005-9598(2023)-05-0012-05中图分类号：TK229.6文献标识码：B引用格式：张红建，杨先斌，姜丽，等.基于气固废物再利用的节能环保一体化循环流化床锅炉技术J.煤化工，2023，51（5）：12-16.第 51 卷第 5 期2023 年 10 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.5Oct.2023第 51 卷第 5 期2技术研究背景2.1锅炉飞灰固废循环再利用的必然需求大规模气化装置将煤炭转化成合成气，合成气用于化学品生产。煤炭转化后形成的煤灰、渣一直影响着企业的正常运行。晋开二分公司通过对煤炭气化后灰渣特性分析，结合自身工艺技术特点，调研相关技术，提出“降低灰渣水分循环流化床锅炉掺烧”工艺处理方案，该工艺方案已经实现，并大量消耗固定床炉渣、航天炉炉渣，消除了原灰渣场煤泥水的环境污染，但在运行中出现了新的问题，主要表现在：（1）固定床炉渣、航天炉炉渣经过 1 000 以上环境的燃烧，基本无易燃组分，在循环流化床锅炉900 左右的环境中很难进一步燃烧，造成循环流化床锅炉粉煤灰中碳质量分数高达 15%以上；（2）由于循环流化床锅炉粉煤灰碳含量过高，引起粉煤灰品质下降，不能大量用于建材行业，大量堆积，造成占地大、粉尘污染等问题；（3）晋开二分公司是煤化工企业，“节煤降煤”是企业的长期工作，粉煤灰中 15%的残碳每年带出的碳资源多达 3 万 t，不但影响经济效益，而且占用煤指标，因此，对循环流化床锅炉粉煤灰进行处理势在必行。2.2合成氨系统中尾气综合治理的有效途径晋开二分公司合成氨系统中煤气净化采用了低温甲醇洗工艺、液氮洗工艺。（1）低温甲醇洗的作用是将粗变换气中的 H2S 和CO2脱除到要求的控制指标，同时还起到脱除变换气中 NH3、HCN、HCl 和羰基化合物的作用，进而为液氮洗提供干净的原料气、为尿素装置提供合格的 CO2、为WSA 制酸装置提供酸性气。但是低温甲醇洗还向外界排放废气，其废气中含有微量污染环境的 H2S、甲醇等有毒有害物质。如果采用高点放空，一方面可能对人及环境造成不良影响，且增加环保风险；另一方面，低温甲醇洗系统与空分车间距离较近，若扩散不及时，可能造成空气中 CO2浓度增高，引发分子筛运行异常，严重时可能导致空分系统紧急停车。该废气流量为 266 000 m3/h，废气压力在 40 kPa50 kPa，其主要成分（体积分数）分析结果为：CO275%，N224%，CH3OH 20010-6，CH41010-6。（2）液氮洗的作用是利用氮气与 CO、Ar、CH4的沸点相差较大的特点，将其从气相中溶解到液氮中，从而达到脱除 CO、CH4、Ar 等杂质的目的，此过程是在液氮洗工序的核心设备氮洗塔中完成的。该系统最终需将含有 CO、CH4、Ar 等杂质的气体进行高点排放。而液氮洗废气经测试热值为 1 617.2 kJ/m3，如果采用高点排放，一方面如果该气体中的 CO 富集可造成环境危害，另一方面，可观的热值也随着高点排放造成了能源浪费。该废气流量为 36 000 m3/h，废气压力为 0.25 MPa，其主要成分（体积分数）分析结果为：CO 10%，H22.3%，N286.87%，CH40.19%，Ar 0.34%，O20.000 8%。因此，对该系统的低温甲醇洗废气、液氮洗废气进行综合治理成为研究该技术的又一着力点。2.3锅炉系统老化、分离效率低下的客观要求循环流化床锅炉中高温旋风分离器系统是锅炉的核心部件之一，其在循环流化床锅炉运行中的主要二次风机空气预热器返料风左返料器返料风机（1）给煤机燃烧室炉膛屏式过热器/水冷屏放灰左旋风分离器右旋风分离器混合室顶棚管过热器返料风机（2）一次风机空气预热器播煤风点火风水冷风室放渣返料风右返料器放灰二次风空预器一级省煤器二级省煤器三级省煤器低温过热器高温过热器悬吊管过热器一次风空预器电式除尘器布袋除尘器引风机烟气脱硫系统烟囱大气放灰放灰放灰图 1循环流化床锅炉风烟系统流程示意图密封风张红建等：基于气固废物再利用的节能环保一体化循环流化床锅炉技术13-2023 年煤 化 工作用是将大量的高温固体物料从炉膛出口的气固二相混合气流中分离出来，通过底部的返料装置，送出炉膛重新参与燃烧。而分离器的稳定运行直接影响着锅炉的稳定运行，分离器的效率高低，则不仅影响锅炉的效率，还影响锅炉的带负荷能力。晋开二分公司锅炉系统自 2012 年 6 月投运以来，高温旋风分离器经过长期运行，其部件中心筒过热龟裂膨胀变形严重，甚至部分出现整体倾斜；分离区靶区冲刷磨损严重，产生弧度变形、结构受损等问题。这已不能满足公司长远的发展需求，因此进行锅炉优化节能改造成为公司提升效益、提高质量的突破点、落实点。3关键技术及创新点（1）基于循环流化床锅炉飞灰残碳及污染物协同资源化的烟气治理技术，探索研究了飞灰回流资源再利用技术模型。（2）根据循环流化床燃烧理论，分析论证了液氮洗废气送入锅炉炉膛内参与燃烧的经济性及安全性，为有效处理净化液氮洗废气提供理论支持。（3）基于循环流化床锅炉流化原理及布风理论，论证低温甲醇洗废气送入锅炉一次风中、参与锅炉燃烧系统中的物料流化燃烧的经济性、安全性及环保性，为降低净化车间废气排放及锅炉尾部烟气含氧量提供理论支持。（4）基于循环流化床锅炉循环倍率是影响锅炉效率的重要因素之一，深度研究了影响循环倍率的高温旋风分离系统，构建缩口、偏心中心筒旋风分离系统，提升分离效果。根据以上技术研究，建立体系化的基于气、固废物再利用的节能环保一体化循环流化床锅炉改造技术模型。4技术改造方案4.1飞灰回流技术影响飞灰含碳量的主要因素有燃烧温度、煤的种类、分离飞灰的循环倍率、燃烧氧量的供给、分离器的分离效率等。而根据锅炉设计参数及锅炉的运行数据分析，分离器的分离效率低导致分离飞灰的循环倍率降低，是导致飞灰含碳量偏高的重要因素。结合锅炉的运行情况，通过论证设计，晋开二分公司决定从提升锅炉循环倍率入手，选择在电除尘系统中一个灰斗的侧面开一个 500 mm500 mm 的出灰口，用斜插管连接,再通过手动闸板阀、缓冲仓、气动闸板、料位计、椎200 mm 星形卸料机（功率为 1.1 kW，最大输灰量为4 t/h）等组成飞灰回流系统，实现飞灰送入炉膛的再次燃烧，降低锅炉飞灰含碳量，减少固废排放及提升锅炉能效，进而满足锅炉系统降本增效、节能环保的发展需求。4.2废气综合运用废气的综合运用分为两部分：液氮洗废气热值相对较高，且流量达 36 000 m3/h；低温甲醇洗废气流量为 266 000 m3/h，压力为 40 kPa50 kPa。针对两种废气的特点，再基于循环流化床锅炉的燃烧理论、流化理论，将液氮洗废气通过 DN200 的管路引至炉前，再分别从左右两侧送入锅炉卫燃带密相区参与燃烧，充分利用了液氮洗废气高热值的特征，降低锅炉吨蒸汽煤耗；将低温甲醇洗废气通过 DN600 的母管从净化系统引至锅炉界区，再通过 DN400 的管路引至一次风风机出口管路，经过空预器后，送入水冷风室，充当部分流化风，降低一次风风机电流，既实现低温甲醇洗废气的综合利用，又实现了节电的目标。4.3新型旋风分离器构建根据高温旋风分离器的工作原理可知，决定分离器效率的主要因素有气流的初速度、颗粒的沉降速度、离心分离速度、临界粒径等。（1）气流的初速度由炉膛出口负压、炉膛出口面积、颗粒直径、颗粒形态等决定，而在炉膛出口负压不变、入炉煤煤质稳定的情况下，炉膛出口的形态成为决定气流初速度的决定性因素。炉膛出口高度不变、宽度减小，气流速度增加，颗粒的离心速度增加，分离效率和压力损失增加。而烟气流速不变时，高宽比增加，分离效果也会增加，最佳高宽比为 2:1 到 3:1。而当前分离器进口烟道对物料颗粒加速不利，分离器入口烟气流速偏低，为此，将进口烟道重新塑形，缩小分离器入口宽度，强化分离器气流入口气流速度，同时，配合中心筒偏心改造，使烟气和夹带的物料在进入旋风分离器之前得到较大的动量，更好地完成气固分离，提升分离器分离效果，促进锅炉循环灰量的增加，以降低床温，从而降低 NOx的原始生成量。（2）高温旋风分离器系统原设计中心筒材质为ZG8Cr26Ni4Mn3NRe、尺寸为 椎210 mm3 800 mm，且采用拉吊式布局结构的同心中心筒，在长期运行过程中，出现了耐热性能不够，已变形腐蚀等。结合对锅炉运行数据的分析，对中心筒重新设计选材，采用06Cr25Ni20 耐热钢板卷制制作工艺，并根据流体旋流14-第 51 卷第 5 期特性，增加颗粒的切向速度和减小气流的旋转半径，均能提高分离因子，将中心筒的布局结构设计为支座式的偏心式中心筒，并采用牛腿支撑结构，防止变形，一并解决中心筒变形、裂纹隐患，改造前后的筒体结构示意图见图2。5改造效果评价5.1改造前后运行工况的变化改造运行后，在煤量、煤质大致不变情况下，锅炉主要运行数据变化见表 1。由表 1 可知：此次技术改造后，锅炉系统中床温、炉膛出口温度、锅炉蒸发量、返料风压等关键工艺指标更趋向于系统原始设计值，使系统更加科学、均衡，同时，一次风电流、飞灰含碳等经济指标也更加合理，进而促使锅炉系统经济效益提升、环保治理水平更有成效。（1）改造前（2）改造后图 2筒体结构改造前后示意图表 1改造前后锅炉运行数据项目改造前改造后设计值锅炉蒸发量/（t h-1）200230240床温/950103095010009001000返料温度/850930炉膛出口温度/750860920炉膛差压/Pa30080010002000烟气含氧体积分数/%1075.89返料风压/kPa192525一次风电流/A393537.5炉膛料压差/Pa850093008500930085009500电除尘飞灰含碳质量分数/%10.556.78布袋除尘飞灰含碳质量分数/%12.4510.075.2效益分析5.2.1经济效益（1）经过多次取样分析，在电、袋除尘系统中，电除尘飞灰含碳质量分数由 10.55%降至 6.78%，布袋除尘飞灰含碳质量分数由 12.45%降至 10.07%，大大提升了入炉煤的利用率，降低了固废排出量，提升了企业抗环保风险能力。（2）单台锅炉可有效利用低温甲醇洗废气设计值为 44 000 m3/h，假设低温甲醇洗废气中甲醇的体积分数为 0.02%，甲醇热值为 19 437 kJ/kg（4 650 kcal/kg），标煤热值为 29 306 kJ/kg，相当于每小时可节约标煤约为：44 0000.02%22.43219 43729 306=8.34 kg/h。（3）单台锅炉进液氮洗废气设计流量为 4 000 m3/h，液氮洗废气热值经测量为 1 617.2 kJ/m3，相当于每小时可节约标煤约为：4 0001 617.429 306=220.73 kg/h。（4）锅炉系统中，一次风电流从 39 A 降至 35 A，风机电压为 10 000 V，功率因数为 0.85，则每台炉节电功率为：（39-35）10 000 1.7320.851 000=58.9 kW。（5）单台锅炉带负荷能力由 200 t/h 提升至 230 t/h，一方面提升了后续化工系统的运行保障，另一方面也提高了经济效益。5.2.2环保效益（1）以目前电除尘粉煤灰产量 4.0 t/h、布袋除尘粉煤灰产量 1.6 t/h 计算，每小时减排粉煤灰 4.0（10.55%-6.78%）+1.6（12.45%-10.07%）=0.188 88 t=188.88 kg。（2）系统有效消化了低温甲醇洗废气和液氮洗废气，净化了空分系统运行环境及人员工作环境，提升了企业抗环保风险能力。（3）改造后，锅炉循环倍率明显提升，炉膛压差更接近设计值，炉膛内温度场、物料场更加均衡，炉膛上部温度也能维持在 800 860，更接近选择性非催化还原法脱硝（SNCR）的理想反应温度，大大提升了脱硝反应效率，晋开二分公司的排放烟气中氮氧化物质量浓度已低至 50 mg/m3，实现了超净化排放。6结语晋开二分公司以无烟煤为燃料，采用基于气、固废物再利用的节能环保一体化循环流化床锅炉技术，吸收消化了净化系统中低温甲醇洗废气、液氮洗废气，有效避免了此类废气的排放压力。同时，通过飞灰回流技术及新型高温旋风分离器的改造，降低了飞灰含碳量，提高了煤炭利用效率，也实现了粉煤灰的就地消纳。以上改造在改善燃烧环境的同时，提高了锅炉效率，提升了锅炉带负荷能力；再者，改造后更利于系统中选择性非催化还原法（SNCR）烟气脱硝的理想张红建等：基于气固废物再利用的节能环保一体化循环流化床锅炉技术15-2023 年煤 化 工前 8 月我国肥料进出口量同比双增中国海关初步统计数据显示：18 月份，中国累计进出口各种肥料数量同比双增。出口方面：18 月中国累计出口各种大量元素肥料（含氯化铵、硝酸钾和动植物有机肥料，下同）1 890.1 万 t，同比增幅为 34.1%；出口金额 60.91 亿美元，同比降幅为 9.9%。8 月份当月出口各种肥料 340.4 万 t，同比增幅为 23%；出口金额8.53 亿美元，同比降幅为 38.5%。进口方面：18 月中国累计进口各种肥料 809.5 万 t，同比增幅为 28.9%；累计进口金额 39.27 亿美元，同比增幅为17.9%。8 月份当月，中国进口各种肥料 91.9 万 t，同比增幅为 33.8%；进口金额 3.2 亿美元，同比降幅为 10.2%。（全国煤化工信息总站编辑整理）2023 年 8 月份我国油气生产保持增长国家统计局统计数据显示：2023 年 8 月份，我国规模以上工业主要能源产品生产均保持增长。原油生产增速加快，进口加快增长。8 月份，生产原油 1 747 万 t，同比增长 3.1%，增速比 7 月份加快 2.1 个百分点，日均产量 56.4 万 t；进口原油 5 280 万 t，同比增长 30.9%，增速比 7 月份加快 13.8 个百分点。18 月份，生产原油 13 985万 t，同比增长 2.1%；进口原油 37 855 万 t，同比增长 14.7%。天然气生产稳定增长，进口继续保持较快增长。8 月份，生产天然气 181 亿 m3，同比增长 6.3%，增速比 7 月份放缓 1.3个百分点，日均产量 5.8 亿 m3；进口天然气 1 086 万 t，同比增长 22.7%，增速比 7 月份加快 3.8 个百分点。18 月份，生产天然气 1 521 亿 m3，同比增长 5.7%；进口天然气 7 771 万 t，同比增长 9.4%。窑简讯窑Circulating fluidized bed boiler technology integrating energy conservationand environmental protection based on reuse of gas-solid wasteZhang Hongjian,Yang Xianbin,Jiang Li,Wang Panpan(Henan Jinkai Chemical Investment Holding Group Co.,Ltd.,Kaifeng Henan 475000,China)AbstractIn order to achieve comprehensive treatment and reuse of boiler fly ash solid waste and ammonia synthesissystem exhaust gas(rectisol exhaust gas and liquid nitrogen washing exhaust gas),and solve such problems as low boilerefficiency and difficulty in controlling nitrogen oxides in boiler exhaust gas,technical transformations such as fly ashcirculation combustion,exhaust gas comprehensive utilization and new cyclone separator construction were implemented inSecond Branch of Henan Jinkai Chemical Investment Holding Group Co.,Ltd.based on the fluidization principle of circulatingfluidized bed boiler,SNCR denitrification theory and combustion theory,and the goal of safe,efficient and environmentallyfriendly operation of the production system was achieved.Key wordscirculating fluidized bed boiler;fly ash;rectisol exhaust gas;liquid nitrogen washing exhaust gas;cycloneseparator反应温度，大大提升了脱硝反应效率，使得系统的氮氧化物排放量得以有效控制。因此，该技术可用于以无烟煤、贫煤、贫瘦煤、煤矸石、煤泥等为燃料的循环流化床锅炉，为我国工业企业高变质煤炭资源的洁净开发利用及工业废气的消化吸收提供了新的技术方案。16-