鲁金灿，何旭刚
（徐州工业锅炉有限公司，江苏 徐州 221000）
2021年10月24日，国务院关于印发《2030年前碳达峰行动方案》的通知，我国碳达峰、碳中和的双碳目标和具体实施日渐清晰。随着碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，能源、化工等多个重点行业将迎来新一轮变革。碳达峰、碳中和“双碳”目标的提出，标志着我国对绿色发展提出了新的、更高的要求，鼓励企业节能升级改造，推动能量梯级利用。
2000年原国家计委、国家经贸委、国家环保总局、建设部四部委为落实《节约能源法》，提出国家鼓励发展热电联产、集中供热，提高热电机组利用率。目前，区域热电联产工程、余热余压利用工程、能量系统优化（系统节能）工程等和热电联产有关的工程已被国家列入重点实施工作内容。
湖北某化肥厂现有1台硫铁矿制酸焚烧炉，焚烧炉硫铁矿石处理能力为700 t/d，出口烟气含尘量为200～400g/m3，烟气量为50000m3/h，烟气温度为900℃。
原工程在焚烧炉后配套1台余热锅炉，该余热锅炉采用纯对流受热面，自然循环。对流区为管屏结构，卧式顺列布置，在运行过程中管屏间积灰搭桥严重，局部形成烟气走廊，引起管屏迎风面局部不定期磨损爆管，爆管后泄露的大量水蒸气和硫铁矿高温烟气中的SO2产生化学反应（SO2+H2O→H2SO3），形成亚硫酸，并氧化成硫酸（H2SO4），对管屏进一步形成化学腐蚀。在这种恶性循环的情况下，该系统已经不能安全稳定运行，开车困难，经济效益极差。
为推动企业节能措施顺利实施，拟通过设备升级改造，并利用其硫铁矿焚烧炉余热挖掘节能减排能力，形成能量梯级利用，达到节能减排之目的。经公司技术团队对原有设备运行参数及设备本体情况进行研判，拟定以下技改方案：
1）锅炉改造。对锅炉烟气流程进行优化，增加烟气沉降室，对原有对流区受热面进行改造优化。
2）过热器。增加过热器受热面，将额定蒸汽参数由原来的2.5 MPa/225℃升高到2.5 MPa/400℃。
3）增加背压汽轮机组。新建1台B1-2.35/0.98型背压汽轮机组，配套1000 kW励磁发电机。背压发电后低参数乏汽供给生产工艺用汽。
4）改造环保设备。增加1台多管除尘器，配套原有袋式除尘器，减少颗粒物排放。脱硫塔前增设洗涤塔，并增加除雾装置，提高SO2的吸收率和含水率。
2.1 锅炉结构
原焚烧炉配套余热锅炉型号为QCF50/900-30-2.5，采用全水管、自然循环、平衡通风。锅炉安装在沸腾焚烧炉后面，旋风除尘器之前。它把从沸腾焚烧炉送来的约900℃高浓度含尘烟气冷却到350～400℃左右，并通过灰斗除去部分矿尘，产生饱和蒸汽用于生产工艺用汽[1]。锅炉设计参数如表1所示。
表1 锅炉设计参数
余热锅炉布置为L型直角烟道结构，烟气自硫铁矿沸腾焚烧炉上部出来，经过烟道由上进入余热锅炉水平流动，依次横向冲刷各级对流管束，进行换热，烟气温度逐渐降低。
对流管束下部设有落灰斗，惯性沉淀的飞灰由螺栓输灰机集中送往炉外处理。
2.2 锅炉改造方案
根据硫铁矿烟气特性，该烟气具有烟气量大、含尘量高、SO2含量高和烟尘磨损性强的特点，为满足技改后的余热锅炉可长期稳定、安全、经济运行，锅炉共设置4个烟道受热区域。
在原有余热锅炉前部增设了沉灰室，在沉灰室与对流区之间增加槽型分离器，以减少卧式布置的对流管束区的烟气含尘量，避免大量积灰带来的不良影响。在沉灰室四周设置水冷壁，增加部分辐射受热面，为第一烟道受热面，可提高余热锅炉的最大连续蒸发量。槽形分离器亦采用水冷结构。
为避免烟气中的SO2和空气中的O2进行氧化反应，对锅炉的保温和外包进行了优化设计。其中，余热锅炉的第一烟道（水冷壁辐射受热面）、二烟道（对流受热面）为膜式壁全密闭结构设计，第三、第四烟道管束外部采用预制带保温层的烟气护板进行密封，并在外层采用密封波形板护板进行密封。
为满足热电联产需要，利用原焚烧炉出口烟气联通管道的有限空间，增加过热器受热面，将蒸汽参数由饱和蒸汽温度225℃（饱和蒸汽压力2.5 MPa）提高到过热蒸汽温度400℃，余热锅炉工作压力不变。过热器部件采用整体撬装结构，利于安装。
另外，新增加了锅炉控制系统，对设备电机采用变频控制，对过热蒸汽温度、蒸汽压力、水位控制等采用PLC进行自动调整[2]。改造后的锅炉结构如图1所示。
图1 改造后的锅炉结构示意图
2.3 改造依据
依据国家相关标准对锅炉结构进行改造，具体标准包括TSG 11—2020《锅炉安全技术规程》、TSG 91—2021《锅炉节能环保技术规程》、GB/T16507《水管锅炉》、NB/T47034—2013《工业锅炉技术条件》、GB/T28056—2011《烟道式余热锅炉通用技术条件》、GB50273—2009《锅炉安装工程施工及验收规范》、GB/T1576—2018《工业锅炉水质》、NB/T47055—2017《锅炉涂装和包装通用技术条件》和GB13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》。
2.4 部件设计
2.4.1 第一烟道水冷壁
在焚烧炉进口区域设置第一烟道，第一烟道设置有前水冷壁和左右水冷壁，后侧设置水冷型槽形惯性分离器，烟气在第一烟道经90°转向，经槽形分离器除尘后，依次水平进入后续对流区域受热管屏。
水冷壁采用膜式壁管屏结构，管子规格为Φ60mm×5 mm，节距为120 mm。
槽形惯性分离器基管采用Φ38 mm×6 mm厚壁管，节距为150 mm，鳍片高40 mm焊接于基管两侧，每500 mm设有2 mm间隙，以备膨胀。
2.4.2 第二烟道对流管屏
第二烟道对流管屏布置在槽形分离器后。管屏上下设有联箱，呈组装出厂，便于安装。
管屏管子规格为Φ42 mm×5 mm，横向节距为140 mm，纵向节距为160 mm。
2.4.3 第三、第四烟道对流管屏
第三、第四烟道对流管屏依次布置，管屏上下设有联箱，呈组装出厂，便于安装。
管屏管子规格为Φ38 mm×4 mm，横向节距为108 mm，纵向节距为140 mm。
2.4.4 过热器
过热器安装在沸腾焚烧炉出口和余热锅炉进口之间，为撬装结构，部件整体出厂。其支撑框架利用原有锅炉钢架，并局部在运转层增设支撑横梁。
过热器采用逆流换热，顺列布置，中间设置一级喷水减温器。如图2所示。
图2 过热器部件结构示意图
2.4.4.1 结构布置
过热器分为高温过热器和低温过热器，两级过热器受热面均为蛇形管结构，单管圈顺列布置。过热器采用GB/T308720号无缝钢管,规格为Φ38 mm×4 mm。管束通过材质为06Cr25Ni20的管夹固定于通风梁上，通风梁由外护板进行支撑。
硫铁矿焚烧炉出口烟尘浓度大，磨损性强，为防止过热器管路磨损，烟气流速设计为7 m/s，并在两级过热器的第一排管束迎风面设置耐高温的防磨护瓦。
过热器部件蒸汽流速设计约为22 m/s，系统汽水阻力小，避免汽包压力升高。
过热器部件采用耐火混凝土、保温混凝土和硅酸铝纤维板三层保温结构，耐火保温层均在制造厂内施工完成。设计部件外壁温度≤50℃，具有优良的保温性能。
过热器框架采用箱式组合梁，由槽钢和钢板组合而成。集箱和管束穿墙处全部采用钢板罩壳密封，气密性良好。
2.4.4.2 烟气流程
高温烟气自焚烧炉出来自上而下横向冲刷，依次经过高温过热器和低温过热器，饱和蒸汽自下而上与烟气方向呈逆流换热，依次经低过进出口集箱、喷水减温器和高过进出口集箱，由主蒸汽管道将过热蒸汽引至汽轮机组。
锅筒、过热器与喷水减温器之间分别采用导气管连接。
2.4.4.3 减温方式
过热器减温器布置在高、低温过热器中间位置，采用喷水减温器，减温水为除盐水。
喷水量由电动调节阀进行控制，调节水温灵敏，减温效率高。
2.4.5 吹灰装置
1）过热器区域。在两级过热器的进口处设置有吹灰装置接管，采用空气激波吹灰器进行定时吹扫清灰。清灰气源引自空压站。
2）对流区域。在水冷壁及三级对流管屏区域，设置清灰机械振打装置。机械振打采用振动电机，激振力≥10 kN。
本工程新增1套1000 kW背压汽轮发电机组，利于高温烟气余热产生高温参数蒸汽，经汽轮发电机组做功发电后，低压余热蒸汽供给车间生产用汽，实现热电联产。
热电联产利用锅炉蒸汽源和生产工艺用汽之间的蒸汽参数差，汽轮机发电过程中只消耗了蒸汽压力和温度，蒸汽量没有损失，既能满足生产工艺用低压蒸汽的需求，又能减少企业外用电的采购成本，是企业节能降耗、内部挖潜、提高经济效益的有效手段。具体参数见表2。
表2 汽轮发电机组设计参数
本工程新增1套陶瓷多管除尘器，布置在布袋除尘器前，处理烟气量80000 m3/h，除尘效率＞60%，可有效减少袋式除尘器的工作负担。
原系统设置有1台玻璃钢脱硫塔，本次在脱硫塔前增设洗涤塔，采用螺旋实心锥型脱硫喷嘴，提高脱硫效率，并在脱硫塔上方增设一层细分除雾装置，共设三级。
系统投运后，其排放指标满足在线监测要求。
5.1 积灰现象
试运行初期，在过热器区域没有投运吹灰装置的情况下，实际运行不到20 d的时间，过热器开始出现堵灰现象，高温过热器出口蒸汽温度逐步下降，发电功率减小。
在第二、三烟道内，管束间仍然存在积灰现象，其机械振动清灰装置效果较差。
拟将过热器预留的空气激波吹灰装置尽快装配完成，并在对流区域同步加装激波吹灰装置。
5.2 排烟温度偏低
投运初期，因硫铁矿焚烧炉投料量不足，锅炉排烟温度低于300℃，在除尘器区的烟道内形成低于酸露点的温度区，对烟道形成一定的腐蚀。
后期根据生产情况，拟逐步加大投料量，并将烟道更换为玻璃钢材质，外部全部加装保温层。
本系统技改完成后，经过热态调试，余热锅炉蒸汽参数基本可达到设计值，满足汽轮发电机组投运需求，系统运行正常。
因硫铁矿焚烧炉投料量稳定性不足，锅炉实际运行中负荷有还一定的波动性。经72 h试运行总结，按锅炉平均蒸发量25t/h计算，排汽压力控制在0.7MPa，其平均汽耗为29.5kg/（kW·h），平均发电量为847kW·h。
烟气余热锅炉配套热电联产系统按每年运行6000 h计算，共计可生产并外输蒸汽合计15万t，折合每年减少使用标煤约1.9万t，减少CO2排放量4.978万t，减少SO2排放量456 t,减少氮氧化物排放量133 t，其减排量相当于植树造林3.7万亩，经济效益和社会效益显著。
本系统的成功投运，可为同行业提供参考。特别是随着双碳目标的推进，高耗能企业压力巨大，采用余热技术进行热电联产，是相关企业的最优选择。
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