FGR有机热载体锅炉使用中的问题及其解决措施

FGR有机热载体锅炉使用中的问题及其解决措施

冯磊

南京炼油厂有限责任公司

江苏 南京 210000

摘要：本文主要介绍FGR有机热载体锅炉系统组成及工作原理，和在投入使用中所遇到的各种问题，例如露点腐蚀、氧含量不可控、氮氧化物排放不稳定等，根据各自对应的问题分析具体原因并提出合理解决方案，以此形成经验给同类型设备日常检查维修管理等提供案例分析。

关键词：FGR 露点腐蚀 氮氧化物 氧含量

针对当前政府出台的环保政策和近年以来越来越高的大气污染治理要求，各地环保部门要求当地企业必须将燃煤锅炉更换为低氮燃气锅炉，在用普通的燃气锅炉也必须要进行低氮改造。在这样的背景之下本公司于2021.1.27将原普通的燃气锅炉更换为FGR有机热载体锅炉，响应节能减排低氮的号召。与旧系统相比较，改变在于将原有燃烧器及炉体更换，增加空气预热器等FGR系统，实现低氮排放。

1、FGR有机热载体锅炉系统组成及工作原理

锅炉系统由炉管本体、燃烧器组件、导热油循环泵、高位油槽、低位油槽、注油泵、鼓风机、空气预热器、安全附件装置等组成。如图1所示。                                                  

图1. 锅炉循环系统

锅炉本体是瓦斯与空气混合在炉膛内燃烧，产生热量后传递给导热油，分别以辐射和对流的这两种方式。导热油被加热达到设定的温度后通过导热油循环泵传送至各储罐盘管换热后再被送到至炉体里加热，这样不断循环，就实现高温导热油与沥青不断的热交换。对于燃烧器组件，首先打开瓦斯进装置的界区阀，将瓦斯引入装置，先经过瓦斯经过滤器过滤、脱液罐脱液、减压阀减压后再进燃烧器点火阀。鼓风机主要负责将辅助燃烧所需要的空气鼓入炉膛，燃烧产生的高温烟气在经内外盘管换热后经过烟道送入空气预热器换热后进入烟囱排放。导热油循环泵是为保障导热油在系统内循环提供推动力，必须保持和锅炉相配套的流量，以此来保证系统内导热油的流速能达到所需要的工艺要求。另外还需配置一台相同型号，状态优良的备用泵，一旦运行中的泵出现故障，随时准备切换到备用泵运行，确保不影响装置正常生产。高位油槽主要作用主要有以下几方面：1、为循环泵提供压力，防止循环泵抽空；2、当系统温度升高时储存膨胀的导热油；3、当系统温度降低时，向系统内补充导热油；4、系统启动时排气脱水；5、监测导热油系统液位，确保系统正常运行。低位油槽罐主要用于储存高位油槽、炉管及系统等温度升高膨胀溢出的导热油，平时应处于低液位状态，随时准备接收外来排入的导热油。注油泵主要用来向高位油槽补充或抽出导热油，是由齿轮注油泵及阀门组成。循环泵出口设置安全阀：设置在循环泵出口管线上，防止导热油超压确保安全。FGR技术是利用烟气内外循环，其实质就是将燃烧产出的高温烟气再次引入炉膛，也就是在空气预热器出口抽取部分烟气与助燃的空气混合，在经过空气预热器换热升温后送入炉膛中，从而通过控制火焰温度降低燃烧温度和氧浓度，以此来降低氮氧化物等有害物质排放。烟气再循环的控制原理：风机进口的控制挡板使用来调节烟气再循环回收的烟气量，鼓风机入口挡板控制进风量，在不同负荷下设置与之相匹配的气门、风门和烟气门的比例，按规律制定出最佳燃烧曲线，将氮氧化物浓度控制在合理的范围内。

2、常见故障分析与处理

2.1、烟道露点腐蚀

瓦斯在炉内燃烧时，氢原子和氧原子在炉膛中结合生成水蒸气，从而导致烟气含有较多的水蒸气。另外瓦斯中的硫在燃烧后生成SO2，其中部分SO2又经过氧化生成SO3，SO3与烟气中的水蒸气混合生成硫酸。当烟囱受热面的壁温低于露点时，含有硫酸的蒸汽就会在受热面上凝结成为硫酸液体，进而使烟道内壁严重腐蚀。因为此腐蚀是在受热面上结成露珠后才发生，所以叫做露点腐蚀。露点温度的高低不仅受瓦斯中的硫含量的影响，还与过剩空气系数和三氧化硫的生成量等因素有关。炉膛燃烧越充分过剩空气越少，则燃烧中生成的二氧化硫就不容易被氧化成三氧化硫，露点温度也越低。另外在燃烧过程中，如果受热面与烟灰接触面的温度低于露点还会使烟灰附着在受热面上，不仅会影响传热，也会增加烟气的流动阻力，长此以往就会堵塞管线。因此采取有效的措施使与烟气接触的烟道温度高于露点至关重要。

图2                                       图3

在新加热炉安装完毕后正式投用后，由于是在冬季气温较低，烟囱表面温度低于烟气露点温度，立刻形成冷凝水并造成露点腐蚀，因为烟囱、烟道及排凝都是利旧用的原碳钢材料的设备，烟道及排凝管线在几日之内就出现腐蚀漏水现象，测量冷凝水PH值为强酸性。为解决这一问题而采取的措施为在空气预热器进出口增加DN150跨线，目的在于减少空气预热器换热量，以此来增加空气预热器排烟温度从而控制泠凝水的形成，最终减少露点腐蚀。在实际操作记录过程中，当室外温度持续降低甚至低于零下时，就算跨线阀门全开仍无法完全抑制冷凝水的形成，并且此操作会降低炉效，最终无法达到控制露点腐蚀的效果。鉴于此种情况，为了彻底解决碳钢露点腐蚀，决定将原碳钢材质烟囱更换为不锈钢烟囱。在将旧烟囱拆除更换期间对烟囱四周进行测厚发现并无明显减薄现象，如表1所示，后将管壁烟灰取出泡入水中测量其PH为强酸性，也论证烟道露点腐蚀是由旧烟道残存烟灰引起，由于原加热炉系统没有FGR系统，直接排烟温度远高于露点，所以很少会形成露点腐蚀，但含有硫烟尘残留在烟道壁及其浇注料中，更换后的FGR系统中排烟温度降低，气温低时达到露点，从而形成露点腐蚀。在更换完不锈钢烟囱后，测量其冷凝水PH值为中性。

表1、烟囱测厚数据

说明：1、本次壁厚从内衬断界面上、下来检测。检测某几个点时出现偏小值，稍微移开一点，数值又恢复到正常值，此现象可能原因有两点：① 烟囱卷曲钢板天生缺陷有气泡；② 烟囱内壁有坑蚀现象。2、从检测数据来看，有内衬的烟囱壁厚基本没有变化，无内衬的烟囱壁厚有稍许减薄情况，且越往高处有略微减薄的趋势，说明旧烟囱只有少量腐蚀。

2.2氧含量失去控制

加热炉氧含量的控制对加热炉整体控制来说也是至关重要，氧含量应控制在一定的范围内最为合适。当氧含量过高，供风量大，造成空气过剩，不仅大风量带走的余热多，加热炉效率低，而且过多的氧气也会导致炉管和设备氧化腐蚀；当氧含量过低时，瓦斯燃烧又不完全，排放指标不合格，热效率也会降低。综上所述，控制合适的氧含量，不仅可以提高加热炉效率，节能减排，而且还能减少设备腐蚀，所以要保持氧含量在固定范围内。另外由于瓦斯干气成分随时会变化，气门、风门和烟气门开度仍然保持原有配比，无法跟随瓦斯变化及时调整，导致氧含量也随之变化，对同一地点不同时间进行三次采样分析，结果如表2，由表可知瓦斯组分相差比较大，进而影响氧含量，当氧含量失控至边界值时会导致防爆门开启。当风机进口流量瞬时降低，低于最低限值时，风机内气流运动方向与叶片进口安装角偏差较大时，造成气流旋转，就会在风机流道中形成气体介质涡动，阻碍气体流动，使风机出口压力突然大幅度下降。由于风机与后续系统相连，此时系统中的压力并不会立马降低，于是管网中原气体压力就会大于风机出口压力，因而系统中的气流就会倒流向风机，直到系统中的压力降低至风机出口压力时倒流才停止。风机又继续向系统供气，风机的流量又增大，恢复正常工作，但当管网中的压力恢复到原来压力时，风机流量又减少，系统中气体又产生倒流，如此周而复始，产生周期性气体振荡现象就称为“喘振”，防爆门也周期性开启。

表2. 瓦斯组分检测表

由于瓦斯组份不稳定，造成锅炉氧含量波动较大，严重时会造成“喘振”，为解决氧含量大幅波动而无法控制的情况，对鼓风机增加变频功能，变频器安装在配电房，其频率范围为35 Hz—50 Hz，控制信号已传送至操作室锅炉监控PLC上；为保障锅炉正常运行，规定氧含量应在2%—5%之间，正常工况下，变频器运行在42Hz；其控制方法如下：

在锅炉系统PLC上，有<<、>>两个按钮，<<键为减小键，>>为增大键。当氧含量开始下降，并逼近与2%时，增加变频器频率，增加鼓风机转速，从而提高氧含量。当氧含量开始上升，并逼近与5%时，降低变频器频率，降低鼓风机转速，从而降低氧含量。变频器频率调节，每点一次按键，都会弹出是否增加或者减少1 Hz，变频调节不宜调节过快，每调节一次，观察氧含量变化。此变频器能瞬时调节鼓风机转速来控制进风量，从而控制氧含量在理想数值。

2.3氮氧化物排放不稳定

瓦斯气在燃烧的过程中生成的NO和NO2，统称为氮氧化物，其中主要含量是NO，其余为NO2及少量的N2O。燃烧生成的NO排入大气后很容易氧化成NO2，与水结合形成酸雨污染环境,所以要严格控制氮氧化物的排放。烟气再循环的原理就是通过将燃烧排出的烟气再次引入到炉膛，控制燃烧的氧化物浓度，从而实现降低氮氧化物的排放和节能的效果，烟气再循环的烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量之比，称做烟气再循环率。再循环率的变化影响锅炉的氮氧化物的大小，所以烟气的适当引入和再循环率是降低氮氧化物的排放量达到排放标准的关键。由于瓦斯组分不稳定，造成氮氧化物排放量随之变化，在线检测时有超标。在现有条件下解决措施为调节风门、气门和烟气门的开度至合适位置使得燃气组分如何变化都能达到排放标准。在这样的条件之下调节烟气混合门使其排放的氮氧化物达到排放标准。实际调试如表3所示，以锅炉在20%负荷下为例，在气门20% 风门11% 烟气门20%至30%的条件下，氮氧化物排放能持续达到100mg/m3以下，达到排放要求。烟气再循环技术降低了火焰区域的最高温度，就可以降低氮氧化物的形成。与此同时降低了氧和氮的浓度，又进一步起到降低氮氧化物的作用，其中高温烟气对瓦斯和助燃空气起到预热的作用，又起到节能效果。

表3. 锅炉氮氧化物排放检测表

结语

综上所述，FGR技术不仅可以降低氮氧化物的排放浓度，满足环保要求，而且改造工程量小、投资成本低且改造效果显著，不仅环保而且节能。尽管在使用中遇到的露点腐蚀、氧含量失控以及氮氧化物排放不稳定的情况，但是都能得到妥善解决。

参考文献

[1]王宪辉、李钟.燃气锅炉低氮改造技术探讨[J].山西建筑,2017,43(05).

[2]吴志余.锅炉风机调节特性与经济运行探讨[J].工业锅炉,2002,(05).

[3]刘兰斌.一种燃气锅炉运行调节方式的探讨[J].暖通空调,2009,(02).

  姓名：冯磊   电话：18502513841