燃气锅炉负荷提升优化研究

张文亮，陈瑞军，高 磊

(内蒙古自治区特种设备检验研究院包头分院，内蒙古 包头 014010)

我国“碳达峰、碳中和”决策部署的重要性不言而喻，“双碳”目标关乎中华民族的永续发展和构建人类命运共同体。据不完全统计，钢铁行业消耗的能源约为全国总能耗能源的15%[1]，可见，降低钢铁企业的能耗对实现“双碳”有重大意义。钢铁企业在生产的同时也产生了大量的副产煤气，副产煤气作为二次能源可作为自备电厂锅炉燃料使用。锅炉属于高耗能设备，是保障国民经济发展和人民生活的重要基础设施，也是能源消费大户和重要的大气污染源。因此，实现好钢铁企业自备电厂的燃气锅炉高效运行既可实现副产煤气高效利用，也是钢铁行业“减亏、治亏”、“提质增效”、实现“碳中和、碳达峰”的重要措施。

本文以包钢热电厂9号煤气锅炉为研究对象，首先对该锅炉负荷降低可能原因进行分析。对比负荷降低前后时间段的运行参数，发现影响锅炉带负荷能力的主要原因是炉膛负压，负压低影响燃料投运；
并通过尾部烟道受热面实际阻力与设计阻力分析对比、实际温降与设计温降分析对比，找到烟气段阻力增加是影响炉膛负压的主要原因。进一步以烟道阻力增加为切入点，发现负荷降低主要是由于原煤气预热器存在烟气侧管路弯头多阻力大、煤气预热器热管结构布置难清灰、空气预热器堵塞及低温腐蚀等问题，造成烟道阻力增大。

通过以上分析，基于负荷降低根本原因，提出更换新型煤气预热器及烟道改造更换、空预器设备维护优化方案；
对锅炉煤气预热器及烟道的改造及运行优化调整，降低烟道阻力到设计值；
炉膛压力稳定，实现煤气大量投运，锅炉带负荷可达到设计负荷220 t/h，提高了锅炉的热效率、经济性和可靠性。

收集近几年的锅炉负荷运行数据：负荷下降没有明显的外界或内部变化，如图1所示。

图1 锅炉近几年负荷趋势

9号炉实际负荷从2018年12月开始下降，2020年底最低负荷只达到160 t/h左右，占设计负荷的70%左右，降低了蒸汽发生量、发电量，甚至影响到包钢集团公司经济效益。

1.1 从燃料的影响分析

如果煤气热值低于设计热值较多[2]，煤气中可燃成分CO、H2等含量低，煤气理论燃烧温度降低，造成燃烧区温度下降，炉膛温度降低，水冷壁炉膛辐射吸热量减少，负荷降低。设计计算用高、焦炉煤气成分如表1和表2所示。

表1 高炉煤气成分分析

表2 焦炉煤气成分分析

通过对高焦炉煤气不同时段热值分析，如图2所示，高焦炉煤气实际热值高于设计热值较多，理论上分析燃料热值高，造成燃烧区温度上升，炉膛温度高，锅炉负荷增加。但是，锅炉实际负荷从2018年底，负荷一直呈下降趋势。所以，锅炉负荷低与高焦炉煤气实际热值无关。

(a)焦炉煤气(b)高炉煤气图2 高炉(焦炉)煤气实际热值与高炉(焦炉)设计热值对比

1.2 从介质的影响分析

9号炉负荷对应给水温度情况比较如图3所示，即使给水温度在185 ℃左右，负荷仍可达到200 t/h以上，说明给水温度降低也不是引起9号炉负荷降低的原因。

图3 给水温度

1.3 换热分析

锅炉升负荷试验发现，在负荷升高过程中，因负荷上升，燃料煤气投入量大，生成烟气量大，即使吸风机入口挡板全开，炉膛负压仍会随负荷上升而降低，因此，采取锅炉降负荷运行，而炉膛负压由于无炉膛负压记录，只能通过吸风机电流变化趋势来分析，9号炉吸风机电流数据如图4所示。

图4 吸风机电流对比

理论上负荷稳定、烟气量稳定，引风机电流值也相对稳定。由图4可以看出，2018年3—12月这个阶段，锅炉负荷在200 t/h左右，吸风机电流呈较大上升趋势，直到吸风机电流达到峰值，引风机电流值与锅炉负荷不对应。通过图4 2018年12月—2020年9月这一阶段，吸风机电流值从峰值呈下降趋势，通过岗位运行记录，运行人员为保证炉膛压力稳定在-100～-50 kPa之间，吸风机挡板在持续开大，2018年末吸风机电流达到峰值，虽然挡板全开，电流仍有较大幅度降低，而负荷也随之下降，为保证炉膛负压，在吸风机挡板全开的情况下，只得降低负荷运行，炉膛换热效果不好是导致9号炉负荷降低的主要原因。而造成锅炉换热效果降低又有诸多原因，包括系统漏风、受热面老化、腐蚀、堵塞及燃料配比不合理等原因。

a.系统漏风

锅炉的尾部烟道出口烟气残氧量控制一般在2%～3%，9号锅炉实际残氧量为6%～8%。这可能是漏风引起，也会造成烟气量偏大。吸风机负荷增大，负压降低。针对以上分析，对锅炉做漏风试验。检查结果：炉膛1号角刚性梁连接开焊，漏风较大；
4号燃烧器处耐火捣料烧坏，漏风较大；
尾部烟道膨胀节等部位有漏风；
低温段空气预热器管有腐蚀漏风情况；
低温段空气预热器管堵塞较严重。

通过锅炉漏风试验，找到锅炉炉膛漏风、烟道漏风、空气预热器漏风、燃烧器处漏风，以上部位漏风使炉膛负压降低。

b.受热面换热效果降低

对比尾部烟道受热面烟气阻力变化，发现下级空气预热器及煤气预热器烟气阻力较设计值明显增加，表3是锅炉烟气各换热面阻力与设计值对比。

表3 烟气实际与设计阻力对比

由表3可见，与设计阻力相比，9号炉烟气整体阻力增加3089 Pa,从而使炉膛负压下降，影响锅炉负荷。9号锅炉煤气预热器实际阻力比设计阻力增加了554 Pa，占锅炉整体阻力的18%。低温段空气预热器实际阻力比设计阻力增加了2636 Pa，占锅炉整体阻力的85%。由此可见煤气预热器和空气预热器实际阻力超过设计阻力。

通过表4看各受热面排烟温度，可见空气预热器及煤气预热器压降明显大于设计值，即可判断下级空气预热器及煤气预热器存在较大的换热问题。下级空气预热器处烟气温度高于设计温度，说明该受热面换热效率低，而排烟温度高于设计值，说明煤气预热器换热效果差。

表4 烟道受热面温度 单位：℃

c.燃料配比不合理

由于高焦炉煤气热值差异较大，在混合燃烧时，很容易产生不完全燃烧的现象，从而影响换热效率。9号炉在尾部烟道设置一氧化碳浓度测量装置，测量数值是指占烟气的比例。通过测量，一氧化碳与烟气的质量比在500 mg/kg以上，严重超出50 mg/kg的设计值，说明燃料配比不合理，存在不完全燃烧的现象[4]。

2.1 低温段空气预热器

通过对9号炉低温段空气预热器检查发现，烟气侧堵塞严重，如图5所示。通过对堵塞物的化学成分可以得出，堵塞物主要是焦炉煤气燃烧形成的硫酸盐垢，其形成原因是由于流经各受热面，烟气温度逐渐降低，到尾部受热面时，尾部受热面的温度处于发生低温腐蚀的温度附近。这时如果烟气中含有硫化物的混合物，使烟气的露点升高，烟气中的硫化物便会在尾部受热面上进行凝聚，烟气中的硫虽然很少，但是经过露点凝聚后大大提高[5]。硫化物凝聚在尾部烟道设备后便会开始腐蚀，腐蚀的速度和设备壁温有直接的关联。在压力一定的情况下，温度越低二氧化硫越容易转化为三氧化硫，而当温度过高时，很难进行转化。由于流经多个受热面进行多次换热，烟气中的热量逐渐降低，到锅炉尾部时温度已经很低，非常利于三氧化硫的生成，也是发生低温腐蚀的常见部位[6]。

图5 9号炉低温段空气预热器检查

2.2 煤气预热器

煤气预热器的热介质为锅炉尾部烟气，冷介质为作为锅炉燃料的高炉煤气，是利用烟气的余热加热进入锅炉的煤气。这样降低了排烟温度，提高了煤气温度，降低煤气着火温度，减少了煤气着火前的吸热，减少了锅炉热损失，锅炉热效率提高。而9号炉煤气预热器原始的设计阻力高，原始设计阻力就高达808 Pa；
且实际运行中煤气预热器烟气侧积灰严重，如图6所示。煤气预热器本体运行阻力大，当锅炉负荷提高时，其阻力继续上升，造成引风机超载，锅炉炉膛负压不稳。煤气预热器烟气侧设计阻力808 Pa，目前实际运行在70%的锅炉负荷时，煤气换热器进口至引风机前阻力约为2000 Pa，造成锅炉带负荷能力下降，严重影响锅炉的带负荷能力，而且换热器表面积灰，传热热阻增加；
换热器加热煤气能力差。

图6 原煤气加热器烟气侧积灰

3.1 低温段空气预热器

由于低温段空气预热器结构较为简单，且通过风压试验检测，低温段空气预热器虽存在结垢及低温腐蚀现象，但未出现漏风情况，可采用定期高压清洗的方法进行疏通，低温段空气预热器维护优化前后对比，如图7所示。

图7 低温段空气预热器维护优化前后对比

3.2 煤气预热器本体及烟气侧烟道

a.煤气预热器烟道阻力大，为了安装换热器，将烟道从标高5 m处向上引至约标高25 m处，然后旋转180°再引回标高5 m处，烟气在此过程中经过旋转了4个90°的弯头多走长度40 m，其沿程阻力不可小视，在不改变烟道设计走向的情况下阻力无法降低。

b.原煤气加热器采用单根热管的形式制作，热管的使用寿命一般为3～5年，随着使用时间的延长，由于工作液体与热管材料发生化学反应或电化学反应，热管内会产生不凝性气体，在热管工作时，该气体汇集到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。

c.换热器采用单根重力型热管的设计，所以无法对热管进行再生(排气)作业，当热管换热能力下降(失效)时，只能采用更换的办法。

d.原煤气加热器设计时为了强化传热、减小换热器的换热面积，采用了错排布置的方案，如今进行清洗时，压缩空气或者高压水仅仅能冲洗到第1排管子和第2排管子的正面，第3排管子将完全冲洗不到，因此清洗的效果会非常差。

更换煤气预热器投资约150～200万元，按最大费用200万元考虑。投资效益按增加煤气预热器后煤气由管网温度加热到进炉膛温度136 ℃吸收的热量所能增加的负荷计算。统计2017年各月煤气预热器前煤气温度下，煤气回收余热增加锅炉负荷及增加的效益如表5所示。

表5 9号炉煤气预热器增加负荷估算

按最大投资200万元，回收投资需要14.5个月，9号炉煤气预热器已使用10年以上，收益已远高于投资，如简单清洗及更换部分组件，只会使运行工况不断恶化，其对锅炉负荷的影响也会继续伴随，必须整体更换煤气预热器及重新布置煤气管路。

3.3 新型煤气换热器采用无机传热元件技术

无机传热元件作为换热器的换热元件，该元件类似于热管，使用方式和换热计算与热管完全相同。但其传热机理与热管有根本的区别，使用性能也比热管优良得多。热管的传热机理为管内工质汽—液相变，在热流体侧蒸发，冷流体侧冷凝，通过相变汽化潜热传递热量。而无机传热元件的传热机理为元件内部无机传热工质受热激发后，高速振荡摩擦，以波的形式传热。

a.采用整体式结构

由于高炉煤气为易燃易爆介质，在设备中不允许烟气和煤气间发生泄漏而混合。因此本设计中要求严格保证设备的密封性。将烟气侧吸热换热面和煤气侧放热换热面分别布置在彼此独立的通道内，烟气侧吸热面吸收的烟气热量通过无机传热元件传递给煤气侧放热面，进而对流放热面以对流形式传递给煤气。

烟气侧和煤气侧换热面翅片管基管均选用无缝钢管，翅片选用O8AL材料。沿气体流向共布置30组换热元件，换热元件沿气流方向错列布置。为了调整换热元件壁温，防止低温结露，换热元件按烟气温度分段设计，每段采用不同的翅片参数。

b.煤气侧积灰措施

煤气中的含尘量为10 mg/Nm3，煤气量最大为180 972 Nm3/h，煤气最大带尘量为1.8 kg/h，每年运行时间按7000 h计算，年尘量为12 600 kg，如此大的灰量如果沉积在换热面上，将严重影响设备的换热效果，为此采取如下措施：在煤气进口前设置机械水分离板，同时具有惯性除尘作用；
保证煤气在翅片垂直布置，气体流动方向是上下流动方向，利于自清灰；
翅片管节距不小于8 mm，防止积灰搭桥；
在煤气换热器中部安装2台声波吹灰器，利用氮气定期吹灰；
在煤气换热器进口接管和出口接管各装一个清灰门，停车时进行人工清灰；
在机械水分离板下部和安装声波吹灰器位置的下部安装排水装置；
防止换热面结露。

c.烟气侧改造

烟气中烟尘的来源为煤气，煤气经煤气换热器分离掉一部分灰尘，再经炉膛燃烧及预热器前各段锅炉换热面又可分离掉一部分灰尘，只有少量的灰尘进入煤气预热器，因此在烟气侧换热器中只要使管壁温度高于烟气露点温度，不使少量的灰尘因结露而造成黏结性积灰，利用烟气的自清灰能力可以保持换热器表面清洁运行。为此采取如下措施：提高换热面壁温，防止结露而黏结性积灰，烟气流速大于7.8 m/s，具有自清灰能力。翅片节距为10 mm，防止积灰搭桥。在烟气进出口接管上设置清灰门，必要时可进行人工清灰。在烟气进出口接管和换热器中部设置灰斗及放灰孔，以便排灰。保证烟气在翅片垂直布置，气体流动方向是上下流动方向，利于自清灰。在烟气换热器中部安装2台声波吹灰器，定期吹灰。

所以，采用新型煤气预热器双循环水平蒸发式的换热器技术[7]，其设计理念结合整体式热管与分列式热管的优点，并且在系统上增加了控制装置，可对热量进行在线分配，同时加热多种介质，对换热器壁温进行自动控制，并且换热器顺排布置，阻力小，换热器设计了排气装置，可进行在线再生(排除不凝气体，恢复换热器的换热能力)，从而又优化了尾部烟道的布置形式，减小了运行阻力，对于提高锅炉效率，降低引风机电耗，增加运行稳定性及安全性意义重大。具体更换方案包括：拆除原有的煤气加热器，安装1套双循环水平蒸发式换热器，同时进行烟道走向改造，对比如图8所示。

图8 改造前煤气预热器

毁坏性拆除原煤气预热器设备本体，接口利旧；
将新制造的煤气预热器安装于原设备钢结构处(新煤气预热器载荷小于原设备，所以原钢结构基础均利旧)；
原有烟道直段做适应性改造。图9为改造后煤气预热器布置图，图10为系统示意图。

图9 改造后煤气预热器

图10 系统示意图

4.1 低温段空气预热器改造效果

通过清洗，低温段空气预热器段烟气阻力显著降低，由3086 Pa降至450 Pa，换热效果显著提升。

4.2 煤气预热器改造效果

通过整体更换改造后，煤气预热器改造后，煤气吸收烟气热量增加并提高煤气温度90 ℃，进入炉膛着火前吸收热量变少且缩短着火时间，炉膛温度提高，燃烧更充分。

4.3 整体换热改造效果

随着低温段空气预热器及煤气预热器优化改造方案的实施，9号炉炉膛负压即使在高负荷时，稳定在-100～-50 Pa，锅炉带负荷能力明显提高，纯烧高炉煤气时，高炉煤气量由130 000 m3/h升至170 000 m3/h，负荷由165 t/h升至220 t/h；
减少高炉煤气量40 000 m3/h。排烟温度由173 ℃降至115 ℃。煤气温度70 ℃升至160 ℃。改造后运行参数对比如表6所示。

表6 锅炉负荷159 t/h运行参数改造前后对比

本文以包钢热电厂9号混合煤气锅炉为研究对象，介绍9号炉本体改造情况，通过改造前后运行数据比较，验证煤粉改煤气锅炉改造成功。以该台锅炉运行多年后的燃料、介质、换热效果进行分析，对比以上数据研究后得到低温段空气预热器及煤气预热器阻力大、换热效果降低、燃料配比不合理是影响锅炉负荷最主要因素。以该台锅炉为优化改造对象，重点对影响换热效果的低温段空气预热器及煤气预热器进行了改造，改造效果明显。空气预热器结构较为简单，可通过定期清洗的方式防止堵塞和低温腐蚀的影响；
煤气预热器由于其结构复杂、清洗难度大、使用周期短等原因，尽量采用整体更换的方式保证其运行效果。