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浮法玻璃熔窑余热锅炉堵塞原因及解决筹划
江苏中动电力设备有限公司 / 2018-06-02

0引言

集团内部(21条玻璃熔窑生产线)各区域公司余热锅炉的运行状况差异较大,在同样的烟气特性下,有的余热锅炉能运行18个月之久(如15线),有的仅能运行1个月(如9线)。余热锅炉运行的不稳定性,已经成为影响环保系统运行稳定性的一个重要因素。SCR对余热锅炉的影响究竟有多大,余热锅炉设计选型是否适应于浮法玻璃熔窑,余热锅炉运行工艺是否合理等问题,都是目前急需考虑和解决的。通过调研各区域公司锅炉实际运行情况,对以上问题进行初步分析与探讨。

1浮法玻璃熔窑余热锅炉堵塞原因分析

1.1调研目的

(1)分析各区域公司余热锅炉运行情况;

(2)分析余热锅炉与SCR运行影响关系。

1.2调研方式

为了解目前公司在余热锅炉运行方面存在的问题,通过现场原因调查、运行报表数据提取分析、与操作人员技术交流沟通等方式,总结分析余热锅炉的运行与优化、烟气治理等相关方面的问题及国内外新工艺技术的发展,支持企业节能减排。

本次调研选择集团各区域公司的余热锅炉运行状况作为调研对象,通过横向比较集团内部各生产线运行中存在的问题及优劣对比分析,对余热锅炉的运行条件及可能对脱硫脱硝产生的影响因素进行了分析、总结,并提出了相应的解决措施。

1.3玻璃熔窑余热锅炉

1.3.1余热锅炉的作用

(1)经济效益

浮法玻璃熔窑烟气余热发电是利用玻璃熔窑排出的大量高温烟气,通过余热锅炉进行热交换而产生过热蒸汽,由过热蒸汽推动汽轮机实现热能和机械能的转换,然后通过汽轮机的高速运转带动发电机组运转,从而完成将机械能转换为电能的过程。该技术的推广应用减少了玻璃生产过程的能源消耗和环境污染,实现了玻璃熔窑烟气的余热利用,起到了节能、减排、增效的作用。

(2)为SCR脱硝提供合适的反应条件

SCR脱硝对于反应温度要求非常苛刻,余热锅炉设备作为SCR脱硝的温度调节系统,通过余热锅炉换热将烟气温度调节到最适合的温度区间,保证了SCR脱硝的有效、稳定、安全运行。

1.3.2余热锅炉应用存在的问题

锅炉选型:从目前我公司余热锅炉运行状况来看,主要参照电厂烧煤、烧天然气的锅炉选型,至今没有针对燃烧石油焦工况而专门设计的余热锅炉。因而锅炉在实际使用中存在吹灰不彻底、易堵塞、易腐蚀等运行弊端。

1.3.3余热锅炉运行周期影响因素分析

从以下几个方面对余热锅炉运行周期的影响因素进行分析。

(1)余热锅炉换热效率与运行周期的关系

余热锅炉换热效率=(入口温度-出口温度)/入口温度。余热锅炉运行周期与换热效率的关系见图1。

图1余热锅炉运行周期与换热效率的关系

从图1可以看出,余热锅炉运行周期与余热自身换热效率之间关系不明显。

(2)余热锅炉运行周期与进出口温度的关系

余热锅炉运行周期与进出口温度的关系见图2。

图2余热锅炉运行周期与锅炉运行温度的关系

从余热进、出口温度与运行周期来看,运行周期长短与烟气进、出口温度关系不大。

(3)余热锅炉运行周期与进水量的关系

余热锅炉运行周期与进水量的关系见图3。

图3余热锅炉运行周期与进水量的关系

从进水量来看,玻璃单位进水量在10kg/t左右,从运行周期对比来看,进水量对运行周期影响不大。

(4)余热锅炉运行周期与单位发电量的关系

单位发电量=余热锅炉实际发电量/玻璃熔窑拉引量。余热锅炉运行周期与单位发电量的对比见图4。

图4余热锅炉单位发电量对比

从玻璃单位发电量来看,A、B、C、F锅炉单位发电量要略大于D、E、G、H锅炉,初步分析原因如下:

①由于A、B、C、F锅炉对应脱硝运行不规范,而其它区域脱硝运行较为规范,脱硝热损较多,因而造成单位发电量较小;

②A、B、C、F锅炉对应玻璃窑龄相对较老,窑炉的热利用率较低、蓄热能力较差,因而烟气带走的热量较大,造成单位发电量略高。

(5)SCR脱硝对余热锅炉运行周期的影响

SCR运行规范:指喷氨正常,脱硝运行稳定,SCR能长期稳定达标运行。

SCR运行不规范:指脱硝运行不稳定,NOX无法长期稳定的达标排放。

脱硝运行与余热锅炉运行周期的关系见图5。

图5脱硝运行与余热锅炉运行周期的关系

从图5可以看出,余热锅炉运行周期与SCR运行规范性、变化规律关系较强。总体来说,SCR运行规范,余热锅炉运行周期较短;SCR运行不规范,余热锅炉运行周期较长。(1线、15线数据需单独进行分析。)

(6)其他因素

从余热锅炉吹灰方式、余热锅炉蒸汽出口温度、额定蒸发量、余热锅炉除灰量等参数分析,未发现有明显关系的变化规律。

综上分析,余热锅炉运行周期与SCR运行规范性所呈现的规律性较强,因此把SCR运行对锅炉的影响作为主要因素来进一步分析考虑。

1.4SCR运行因素对余热锅炉的影响分析

1.4.1余热锅炉堵塞较为严重的线别

余热锅炉堵塞较为严重的线别见表1。

表1余热锅炉堵塞较为严重线别

1.4.2余热锅炉堵塞位置

余热锅炉堵塞位置见表2。高、中、低温段堵灰状态见图6。

表2余热锅炉堵塞位置

图6高、中、低温段堵灰状态

1.4.3堵塞原因分析

(1)高温段堵塞原因

①高温段堵塞均在余热锅炉入口段,堵塞周期较长,基本在6个月以上;堵塞沉淀均为玻璃熔窑实际所产生粉尘,固化后较为坚硬,不易清理。分析因烟气与锅炉接口均属于直角(90°)交叉进入,烟气流场较为紊乱,造成烟气流速不均,从而导致烟气中粉尘多在此处聚集沉淀;再者,脱硝运行时,由于SCR脱硝工艺限制及运行制度(烟气不完全通过SCR脱硝),而造成进入余热锅炉的烟气量过少,导致烟气流速过低,从而使烟气中粉尘沉积,造成高温段堵塞。

②锅炉高温段与中温段连通阀:此阀门大部分为电动插板阀,在长期运行中粉尘易沉积在阀板上,过量累积造成粉尘大量掉落,堵塞余热锅炉入口高温段。

③余热锅炉换热管排列分布结构:目前我公司锅炉换热管道分布基本上以“十字交叉状”及“平行分布状”为主,从目前来看,换热管“平行分布状”要优于“十字交叉分布状”。同一子公司1线为“十字交叉状”分布,在不运行脱硝情况下清洗周期为2.5个月1次;2、3、4、5、6、7、8线换热管分布均为“平行分布状”,在同样运行条件下,要明显优于1线,运行周期在8个月左右。

④换热列管间距:换热列管间距越大,就越不容易堵灰。在保证换热效率的前提下,选择合适的列管间距,有利于余热锅炉运行。从同一子公司的15、16线比较来看,15线列管间距为13cm左右,16线为8cm左右,从运行情况来看,15线要明显优于16线。

⑤锅炉吹灰:现有锅炉吹灰均采用乙炔爆破定时进行吹灰,未实现在线连续吹灰,导致吹灰不彻底,锅炉长期运行下来,积灰板结较为严重,导致锅炉运行周期较短。

(2)中温段堵塞原因

中温段堵塞温度均在240℃左右,且凝结物质为灰白色黏性物质,使用蒸汽吹扫易结晶。从现象来看,运行脱硝是影响余热中温段堵塞的主要原因。从脱硝的副反应来看,在240℃左右,烟气中的SO3、SO2与逃逸的NH3反应生成粘附性强的硫酸铵与硫酸氢铵,硫酸铵与硫酸氢铵遇冷凝结、并吸附其它粉尘,最终导致锅炉中温段堵塞。

(3)低温段堵塞原因

低温段堵塞从堵灰颜色、形状来看,均属于烟气结露硫酸等对金属氧化腐蚀形成的二价金属硫酸盐颜色(如:硫酸亚铁、硫酸铜等)。低温段堵塞分析主要为烟气结露,烟气中三氧化硫形成硫酸雾对系统氧化腐蚀造成。结合各区域运行经验,锅炉低温段做好保温密封,适当提高余热出口温度,能有效减少低温段结露腐蚀现象。

综上,从目前我公司余热锅炉运行状况来看,SCR运行造成中温段堵塞是影响锅炉运行周期、环保系统长期稳定运行的最关键因素,因此将中温段堵塞确定为影响锅炉长期稳定运行的主要因素。

1.5.1硫酸盐生成规律分析

根据玻璃熔窑烟气监测数据显示,玻璃熔窑燃烧过程中,烟气中的SO2约有2%被氧化成SO3。

锅炉炉膛内烟气中SO2有0.5%~1.0%被氧化成SO3,此数据与我们对玻璃熔窑SCR脱硝前后SO2监测数据对比分析基本一致。

玻璃熔窑烟气中原有的SO3及经SCR氧化后SO3与逃逸的氨(NH3)、水蒸气反应生成硫酸氢氨或硫酸氨:

硫酸氨在余热锅炉空预器的运行温度区间内为干燥固体粉末,对空预器影响很小。而硫酸氢铵具有很强的黏性,很容易在空预器沉积,并吸附大量烟尘,从而降低余热锅炉热效率,并增大系统阻力。

1.5.2烟气中SO3与NH4浓度计算

15、16线安装了SCR氨逃逸监测系统,从在线监测数据来看,SCR氨逃逸基本为15×10-6左右,因此氨逃逸系统暂确定为15×10-6。

烟气中SO3浓度没有实际监测过,从目前我公司原烟气酸露点(150℃左右)来计算,SO3体积浓度应在50×10-6以上;根据玻璃熔窑燃烧在8%氧含量下燃料中约有2%硫燃烧转化为SO3,按照燃烧2.5%含硫率的石油焦粉计算,燃烧产生的SO3浓度约为80mg/m3,在SCR脱硝中又约2%的SO2转化为SO3。因此在经过SCR脱硝后原烟气中SO3浓度约为80mg/m3,共计折合45×10-6,与按照烟气酸露点计算得出的结果基本相符,因此我公司烟气中SO3浓度按照50×10-6计算。

当氨逃逸为15×10-6、SO3浓度为50×10-6时,主要生成硫酸氢铵,生成温度为230℃左右,这个温度点与我公司实际运行中烟气温度240℃左右稍有差异。经调研分析,230℃左右与锅炉在此阶段运行蒸汽温度(225℃)基本一致,分析认为,高温烟气经过与锅炉列管中的水进行换热,烟气在接触低温管壁的过程中,硫酸氢铵在锅炉管壁凝结形成(管壁温度为225℃左右)。由于硫酸氢铵黏性很强,进而吸附烟气中粉尘,进而对锅炉形成粘结堵塞,导致锅炉换热能力下降。

根据调研了解目前的实际运行经验,当SCR脱硝出口的氨逃逸浓度控制在较低值时,余热锅炉的系统阻力仍会因为少量硫酸氢铵的沉积附着而呈现缓慢增长的趋势。一般当余热锅炉运行阻力大于设计值50%时,需要停运锅炉,启动冲洗水系统对余热锅炉进行冲洗。余热锅炉的冲洗周期与SCR脱硝氨逃逸浓度直接相关,氨逃逸的浓度越大,余热锅炉阻力的上升也就越快,余热锅炉的冲洗周期也就越短,氨逃逸浓度与锅炉冲洗周期见表3及图7。

表3氨逃逸与锅炉运行周期的关系

图7氨逃逸与锅炉运行周期的关系

综上所述,硫酸氢铵是造成我公司余热锅炉积灰堵塞、运行周期短的主要原因。

2解决方案探讨分析

2.1氨逃逸控制

2.1.1喷氨系统设计

(1)喷氨距离

根据设计规范,喷氨位置到催化剂的距离应为烟道通径(烟道截面周长)的5~10倍。例如烟道设计为2.3m×2.3m的正方形,那么喷氨位置距催化剂的合理距离应该为46~92m。最小设置距离为3~5倍时,需要加装静态混合器,喷氨位置距催化剂的合理距离应该为27.6~46m。从公司喷氨位置基本都在10m左右,由于烟气与氨气混合距离过短,导致混合不均匀,造成局部氨量较高,因而氨逃逸过量,生成过量硫酸氢铵,导致堵塞余热锅炉。根据在其它工程案例进行的调研情况来看,喷氨位置设置均较我公司合理,从实际运行情况来看,也较为稳定。

(2)喷氨格栅

目前我公司的喷氨格栅由1根主管分为4根支管接入烟道,然后在烟道内进行喷氨。由于各管上喷氨点压力不同,从而导致喷氨不均匀。因此,如何对喷氨格栅进行优化设计与改造,如何提高烟道截面范围内的喷氨均匀性,是控制和减少氨逃逸的主要手段之一。

2.2脱硝控制存在问题

2.2.1喷氨温度、压力不稳定

图8为喷氨温度为10℃时喷氨压力与脱硝压差上升的关系图。

图8供氨压力与脱硝运行压差的关系

从图8可以看出,脱硝运行压差与喷氨压力呈正方向关系,喷氨压力高,脱硝压差越高,脱硝运行不稳定。

图9为供氨压力在0.2MPa时氨气温度与脱硝压差关系图。

图9氨气温度与脱硝运行压差的关系

从图9可以看出,喷氨温度与脱硝压差呈反方向关系,喷氨温度高脱硝压差低,脱硝运行稳定。

综上,喷氨温度控制在15℃以上,压力控制在0.2MPa左右,玻璃熔窑SCR脱硝运行较为合理。根据调研,供氨系统氨的气化量不够,导致供氨温度、压力不稳定,尤其是在冬季表现更为显著,SCR脱硝保证稳定运行更是难中之难,因此保证脱硝供氨系统的氨气气化量,从而稳定供氨温度、压力是保证玻璃熔窑SCR稳定运行的关键因素。

2.2.2喷氨控制

玻璃熔窑由于其特有的燃烧工艺导致NOx产生浓度波动较大。图10为NOx产生量与热点温度关系图。

图10NOx产生量与热点温度关系

从图10看,温度高于1400℃时,NOx产生量与温度成指数关系上升,温度越高,NOx产生浓度升高越快。因而在实际生产中,燃烧温度波动几摄氏度时,就能引起NOx产生浓度的大幅度波动。因此需要通过调整、稳定熔窑燃烧工艺,使NOx产生浓度相对比较均衡,便于脱硝喷氨的控制,从而使脱硝系统氨逃逸量维持在较低水平,延长余热锅炉的使用周期。

由于NOx产生量的不稳定性,要控制相对低的氨逃逸量,需加强脱硝系统喷氨操作的精细化控制。从目前玻璃行业使用的自动化喷氨控制系统来看,依然无法满足全自动精细化喷氨操作的要求。因此,研发玻璃行业适用的喷氨自动化控制技术,是解决过量氨逃逸的另一途径。

3结语

浮法玻璃熔窑烟气余热发电是玻璃行业一项重要的节能减排技术,其运行状况的好坏也直接关系到企业的经济效益,因此,优化改善余热锅炉的运行状况,不仅是环保系统能否连续稳定运行的促进性因素,同时也具有非常重要的经济价值。通过本次调研,基本明确了决定余热锅炉运行周期长短的最主要因素为SCR脱硝氨逃逸过量生成的硫酸氢铵对锅炉造成的堵塞。因此,如何控制脱硝运行中氨逃逸量,是今后需调研、优化、改进的一项重要工作。柴油发电机组

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