膜分离富氧技术在燃煤锅炉上的应用

全国化工热工设计技术中心站年会论文集83.膜分离富氧技术在燃煤锅炉上的应用方寿奇（江苏省阜宁化肥厂）[内容摘要]本文介绍了膜分离富氧助燃技术及装置首次用于燃煤蒸汽锅炉的运行情况，对该技术的节能机理作了简要阐述，并介绍了该技术的工艺流程及设备、安装及调试情况，并对节能效果作了分析。气体膜分离技术是利用渗透的原理，即分子通过膜向化学势降低的方向运动。首先运动至膜的外表层上，并溶解于膜中，然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸。其推动力为膜两侧的该气体分压差。由于混合气体中不同组分的气体通过薄膜的速度不同，从而达到气体分离，回收提纯气体的目的。目前，国内已成功地将膜分离富氧助燃节能技术应用于有色金属冶炼、玻璃池炉节能、化铁炉和铸造炉节能等方面，并取得了提高产品质量、节约能源、改善环境的效果。其节能率一般在10-16％。一、膜分离富氧技术的节能机理㈠、提高火焰温度因氮气量减少，空气量及烟气量均显著减少，故火焰温度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，但富氧浓度不宜过高，国内外的研究均表明，氧气的体积分数在28％左右时最佳。因为氧浓度增加时火焰温度增加较少，而制氧投资则猛增。㈡、加快燃烧速度，促进燃烧完全燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大，如N2在纯氧中的燃烧速度是在空气中的4.2倍，用富氧助燃，不仅提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时，温度提高后，有利于燃烧反应。㈢、降低燃料的燃点温度燃料的燃点温度不是常数，如CO在空气中的燃点为609℃，在纯氧中的燃点为388℃，所以用富氧助燃能提高火焰强度，增加释放热量等。㈣、减少燃烧后的排气量用普通空气助燃，占体积4/5的N2不参加助燃，且带走大量热能。如用富氧助燃，燃烧后的排气量减少，从而提高了燃烧效率。㈤、增加热量利用率富氧助燃对热量的利用率有所提高，如用普通空气助燃，当加热温度为1300℃时，其可84.全国化工热工设计技术中心站年会论文集利用的热量为42％，而用26％的富氧空气助燃时，可利用热量为56％，且氧浓度越高，加热温度越高，所增加的比例越大，因此节能效果越好。㈥、降低空气过剩系数富氧助燃可适当降低空气的过剩系数，这样，燃料消耗就相应减少，从而节约能源。二、工艺流程及主要设备㈠、工艺流程（见图）膜分离富氧助燃装置工艺流程简图空气经空气净化器除去10μm的灰尘后由鼓风机送至富氧发生器，形成含氧量28-30％的富氧空气，由水环式真空泵抽取后经汽水分离器、汽水分离罐、增压分离罐，脱除气体中的水分，由增压风机将富氧空气增压至3000-4500Pa后进入富氧预热器（安装于锅炉空预器和省煤器之间的烟道内），加热至大于80℃后分为两路：一路通入炉排下面的二、三风区由导风器、富氧均化喷头在横向均匀地高速喷入炉内煤层进入炉膛，使该燃烧区内的火焰温度升高，并增强火焰刚性；另一路富氧空气由后拱前端，通过具有扩散角的“富氧高温喷嘴”，喷入火焰上部，使火焰中的未完全燃烧物完全燃烧，可获得消烟除尘，提高火焰温度的效果。上述两路富氧空气均由阀门加以适当控制。㈡、技术指标和参数富氧浓度：28-30％富氧流量：150-200m3/h循环水量：50L/min系统阻力：800Pa电耗：0.07-0.12KWh/标方富氧空气㈢、主要设备空气空气净化器鼓风机富氧发生器真空泵富氧空气富氧预热器增压风机增压分离器汽水分离器汽水分离器后拱二、三风室全国化工热工设计技术中心站年会论文集85.１、空气净化器：Φ500除去10μm的灰尘阻力300Pa２、鼓风机：型号：DWT-5.2A风量：2800m3/h风压：4900Pa转速：2900r/min电机型号：Y132S1-2功率：5.5KW３、膜装置：型号：LTV-PS富氧膜结构：Φ100mm×Φ1000mm卷式组件由空气均配箱，卷式膜组件，真空均分器和外壳等组成。４、水环式真空泵型号：SK-12最大气量：720m3/h极限真空：8×103Pa转速：970r/min电机型号：Ｙ200L1-6功率：18.5KW５、增压风机型号：DWT-4.9A风量：200m3/h风压：4606Pa转速：2840r/min电机型号：Ｙ90s-2功率：1.5KW６、富氧预热器直径：500mm厚度：50mm共六组三、锅炉简介㈠、本次膜分离富氧助燃节能装置应用于我厂WGC20/3.82-Ⅰ型燃煤蒸汽锅炉，其结构系SHL型双锅筒横置式，采用自然循环，上下锅筒之间布置锅炉管束，炉膛出口与管束之间布置过热器，尾部竖井布置省煤器和空气预热器，燃烧设备采用加煤斗配正转的鳞式炉篦。其主要参数如下：额定蒸发量：20t/h出口压力：3.82MPa出口温度：450℃燃烧方式：加煤斗链条炉使用燃料：烟煤燃料低位发热量：19904KJ/Kg(4754大卡/Kg)86.全国化工热工设计技术中心站年会论文集给水温度：104℃空气预热温度：116℃炉篦有效面积：24.5m2燃烧室容积：88.2m3费斯顿管：17.5m2水冷壁管：82m2过热器换热面积：216m2省煤器换热面积：243m2空预器换热面积：343m2水压试验压力：5.4MPa排烟温度：158℃效率：80％㈡、辅机规范１、鼓风机：型号：G4-73-119D风量：24000-32900m3/h风压：2619-2472Pa转速：1450r/min电机型号：Y200L-4功率：30KW２、引风机：型号：Y4-73-1111D风量：60100-81800m3/h风压：2344-1716Pa转速：1450r/min电机型号：Y280S-4功率：75KW３、给水泵：型号：DG25-50×11流量：25m3/h扬程：550M转速：2900r/min电机型号：Y280M-2功率：90KW四、安装调试㈠、富氧发生站安装富氧发生站由鼓风机、富氧发生器、真空泵、汽水分离器组成，鼓风机和真空泵装在混全国化工热工设计技术中心站年会论文集87.凝土基础上，静止设备可安装于18＃槽钢制作的支架，使整个发生站形成双层布置，达到结构紧凑的效果，同时也便于维护、检修。为防止灰尘吸入鼓风机，我们在富氧发生站区域内搞了一个简易建筑，使该系统自成一体。㈡、增压风机安装增压分离罐和增压风机体积较小，我们将其布置于锅炉二层楼面，靠近富氧预热器，减少压头损头，也便于操作调节。㈢、富氧预热器安装富氧预热器装于锅炉空预器上方，省煤器下方的烟道内，六组平行竖向布置。安装时将盘状预热板尽量向里伸出，外面接管留10-15Cm长度，同时对该区间烟道内的积灰进行一次清理。㈣、富氧喷嘴的安装位于二、三风室的富氧喷嘴装于炉排下方的L60角钢上，其方向为正朝炉排上方，与水平方向成90°角，安装时需注意喷嘴位于炉排正下方，与两端炉墙的距离相等。位于后拱前端的富氧喷嘴因位于高温区域，故喷嘴伸入炉膛内不得大于15Cm，其分布角与水平方向成30°－40°。出富氧预热器的管路用厚2-3Cm的保温材料保温。㈤、试运行该装置于九八年四月开始安装，五月三十日利用小修机会接入系统，六月二十二日开始运行。由于是膜分离富氧助燃节能装置首次用于燃煤锅炉，我们分别就富氧浓度控制、富氧流量和鼓、引风机风量调节、前拱区和二、三风室富氧空气量分配等十多个参数进行了反复调试，取得了大量第一手资料，在此基础上，制订了该装置达到最佳运行状态的工艺指标，并统一了各班次的操作方法。试运行到六月二十六日十六时结束，整个装置投入正常运行。五、运行体会㈠、该装置工艺简单，设备运行平稳可靠，生产中仅两台风机，一台真空泵需正常的维护保养，不必配备专职操作人员。从投运到现在，该系统尚未出现过设备问题，维修费用几乎为零。㈡、该工艺的安装不改变锅炉原有结构和工作状态，仅预热系统和富氧喷嘴与锅炉接触，对锅炉的性能和安全无任何影响。由于提高了燃烧效率，烟气中的烟尘量明显下降，从而大大降低了除尘器的负荷，同时也减少了对环境的污染程度。㈢、富氧空气加入区，火焰亮度增强，炉温显著上升，一般可使富氧燃烧区的温度升高150℃左右，整个炉膛温度升高50℃左右，促进完全燃烧，使整个炉膛的传热系数，炉膛容积热负荷，炉排热负荷都达到了新的水准，也降低了空气过剩系数。㈣、膜法富氧助燃节能装置属静态操作，富氧空气量仅在锅炉蒸发量大幅度波动时加以适当调节，正常情况下每四小时根据炉温、压力等参数微调一次即可。㈤、我厂因规模扩张较快，锅炉负荷一直偏重，以往曾多次发生过因蒸汽不够用而影响生产的情况，而且一旦负荷大于20t/h88.全国化工热工设计技术中心站年会论文集即需人工搂火，提高炉排转速，出现烟囱冒黑烟、炉膛正压，对锅炉的安全稳定运行威胁很大。在富氧技术上马后，由于大大改善了炉内燃烧状况，炉子的负荷能力有较大提高，目前我厂20t/h锅炉蒸发量一般在19-23t/h运行，这对保证全厂对蒸汽的需求发挥了重要任用。六、效益分析经过一年的运行表明，膜分离富氧助燃节能装置起到了提高吨煤产汽量，节煤、节电，提高锅炉出率的效果。㈠、我厂九八年上半年平均吨煤产汽量为7.38t，下半年平均吨煤产汽量为8.2t。节能率＝(8.29+7.38)÷8.29×100％＝10.98％按产汽量20t/h计，每天可节煤7.14t，年节煤2142t，年度经济效益达60万元。（煤价按280元/吨计）㈡、以往锅炉满负荷运行时引风机电流一般为120-130A，鼓风机电流一般为45-50A，该装置投运后引风机电流一般为110A，鼓风机电流一般为40A，节电率大于10％，全年节电7.2万KWh，按我厂平均电价0.44元/KWh计，年效益3.17万元。㈢、利用富氧技术可提高锅炉出率10％左右，这对稳定全厂生产工况作用显著。统计表明，全厂因蒸汽波动影响生产台时下半年比上半年减少了186个，多产氨55.8吨，效益11.6万元。㈣、综上所述，膜法富氧助燃技术在我厂20t/h锅炉上的应用，直接取得了年节电7.2万KWh，节煤2142吨，经济效益74.33万元的效果，扣除运行成本（含维修费1.2万元/年、设备折旧费4万元/年、电费8万元/年）其经济效益61.13万元/年，还具有稳定锅炉工况、减少大气污染，延长锅炉寿命等效果，综合效益十分显著。[作者简介]方寿奇，男，62年5月生，1987年毕业于江苏省电大机械制造设备与工艺专业，大专学历，工程师，盐城市专利研究会会员。长期从事化工设备管理和技术改造工作。曾获得“阜宁县合理化建议和技术改进能手”(96年)、“阜阜宁县十佳青年科技标兵”(92年)、“阜宁县新长征突击手”(92年)等荣誉称号。参加过万吨合成氨扩建改造，“两改一”、“四改六”等工程，主持实施了吹风气回收，涡轮机用于脱碳泵节能，合成膜分离回收氢气，膜法富氧助燃技术用于20t/h锅炉等节能技改和五十余条小改小革项目。现代化管理成果获省级三等奖两次，省级二等奖一次。《关贸总协定与化肥企业产品结构调整对策》获盐城市企业结构调整研讨会三等奖(98年12月)。论文《用水封代替罗茨鼓风机进口阀》发表于《化肥设计》98年第6期。论文《W480-270型涡轮机组在脱碳工段运行小结》发表《小氮肥设计技术》99年第1期。