燃氢锅炉结构、运行及维护

李春宝

（上海氯碱化工股份有限公司华胜化工厂，上海 201507）

上海氯碱化工股份有限公司华胜化工厂已经在上海化工区与Bayer、Huntsman和BASF公司的产品链形成园区型循环经济模式。烧碱生产能力为72万t/a。

在烧碱生产过程中产生大量富余氢气，一直没有很好利用。经过反复论证与市场调研，2009年，由中国船舶重工集团七一一研究所总承包，建设了2台以氢气作燃料的中压蒸汽锅炉，运行至今，状况良好。2012年，上海氯碱化工股份有限公司又新建2台中压蒸汽锅炉，使宝贵的氢能源得到充分利用，节能减排，产生了很大的经济效益。

1 锅炉本体结构简介

LHS10-2.45型氢气锅炉为立式自然循环燃气锅炉，具有结构简单、尺寸紧凑、占地面积小、寿命长、传热效率高等特点。锅炉采用立式结构，烟气由下向上依次通过炉膛，对流受热面和省煤器，直接通向烟囱排大气，能最大程度减少烟气流程死角，避免了因未燃氢气滞留而引起爆燃。

LHS10-2.45型氢气锅炉主要由圆形炉膛与汽水锅筒2大部件组成，为圆筒、烟管型结构，一体化出厂，到现场直接支承在结构基础上，并建操作平台、扶梯和安装烟囱，并对锅炉燃烧系统，汽水系统，控制系统和电气系统进行安装。

锅炉圆形炉膛直径Ø2 250 mm，由90根直径Ø51 mm×4 mm膜片管构成。膜式水冷壁管束上部与球形护胆封头连接，下端与中心直径为2 250 mm的外形联箱焊接，膜式水冷壁主要吸收炉膛的辐射热，在水冷壁外围布置了14根Ø76 mm×5 mm的不受热下降管。圆筒形炉膛为一气密性炉膛，可保证锅炉在微正压燃烧时烟气不致外逸。炉膛的上方设置了1个防爆门，在炉膛上不同位置布置了3只观火装置，以观察炉内燃烧情况。炉膛下部布置有一人孔装置，方便锅炉停炉检修时进入炉内。环形联箱由Ø273 mm×16 mm的无缝钢管经中频加热弯制而成。底部环形集箱上开了2只108 mm×94 mm手孔，可供停炉时打开清除泥渣等物。环形集箱上还有2只DN25下排污阀接管。

锅炉上部汽水锅筒由球形胆封头，筒体及平管板组成，上下封头之间以正三角形方式布置了五百八十多根单头内螺纹管受热元件，其管径为Ø51 mm×4 mm（周边管为Ø51 mm×5 mm），螺纹槽深为1.5 mm，螺距为25 mm。炉膛出口的高温烟气对管子进行纵向冲刷，由于烟气在通过内螺纹管时，气流扰动比光管剧烈，传热效果比光管好。上部汽水锅筒上布置主汽阀，安全阀，给水阀，水位计，水位控制器，压力表，上排污阀及放空阀等主要接口，并布置了2只300mm×400 mm的人孔装置，可供组装锅筒内部设备时人员进入施工。为进一步提高蒸汽品质，蒸汽从主汽阀出来后再进入位于钢架顶部的炉外干汽包，经汽水分离后，送到用户。

锅炉顶部有1个方圆过渡的连接烟道，将烟气引至布置在其上方的省煤器，最后再通过1个方圆过渡的连接烟道将烟气排至烟囱。省煤器进出口集箱间共布置了12×10根螺旋翅片管，螺旋翅片管的结构是在Ø32 mm×3.5 mm对额管子外焊接高度为15 mm，厚度为1 mm，全片的节距为5 mm。用翅片管作为换热元件，可以增加单位长度的换热面积，减小省煤器的体积，降低烟气流动阻力。

锅炉的外部绝热保温材料选用纤维毡 （局部再加硅酸铝），炉膛部分保温层厚度为300 mm，其余部分为170 mm，保温层外用镀锌铁皮包复。炉膛底部砌有莫来石耐火浇注料及轻质隔热浇注料，炉底的中心布置燃烧器。

2 锅炉主要技术性能参数

额定蒸发量 10 t/h

设计压力 2.65 MPa

工作压力 2.45 MPa

给水温度 105℃

设计效率（全工况）>90%

额定燃耗 2 362.2 m3/h

燃料成分 99%（V）氢气

燃料器形式 扩散式气体燃烧器燃烧器机组总功率100 kW

锅炉机组电源，总功率

3～380 V 50 Hz 140 kW

锅炉外形尺寸（直径×总高）～Ø2900mm×8200mm

锅炉干重 ～34 t

水容积 ～17.28 m3

3 锅炉给水系统

每台锅炉配有2台卧式多级锅炉给水泵，其中，1台为备用泵，组成既可独立又可互相关联的2套给水系统，筒体上装设有给水截止阀和给水截止止回阀。

给水泵型号：DG(A)25～30卧式多级离心水泵

扬 程：340 m

流 量：15 m3/h

电机功率：45 kW

锅炉设有2套水位控制器及二副平板式玻璃水位表，水位控制器中，一套为水位调节装置，另一套为极限低水位报警装置。当锅炉水位处于极限低水位时，通过继电器动作切断燃烧。锅炉水位控制是通过水位调节装置将差压信号送到给水调节阀，由给水调节阀自动，连续地调节给水量，使锅炉水位保持在正常范围内。当给水泵启动后，给水泵出口压力低于3.0 MPa时，备用给水泵自动启动，以使水位恢复正常。

4 锅炉燃烧系统

锅炉的燃气由99%（V）纯氢气经罗茨风机提升到20 kPa进入燃烧气管道。采用机电一体化全自动分体式氢气燃烧器，燃烧氢气采用扩散式燃烧方式，氢气燃烧器为环状布置，设多根氢气燃烧喷口，燃烧空气从中心导流叶片和漩涡状扩散器切向进入炉内，和喷入的氢气混合，使氢气和空气达到良好混合并燃烧。

根据 《蒸汽锅炉安全技术监察规程》第167条“用煤粉，油或气体作燃料的锅炉，必需装设可靠的点火程序控制和熄火保护装置”的规定，本锅炉配置了自动点火系统。

每台氢气锅炉的自动点火系统由电点火捧，高能点火变压器，2只火焰检测器以及相应的管路控制阀门组成，并通过在PLC中编制程序来控制。满足点火程序控制，启动和熄火保护的要求，高能点火变压器安装在就地的点火变压器箱内，由220/240 V交流电源供电，它产生一个高压（8～10 kV）电源闪出电火花，点燃输入的天然气，产生火焰。

锅炉为全自动操作，用氮气吹扫炉膛，用天然气点火。火焰检测器检测到点火成功，氢气阀才打开，否则，立即切断氢气。本锅炉具有安全的火焰检测系统，燃烧器配备双重火焰检测器及双重氢气自动切断阀，具有双重保护。

在氢气管路设置阻火器，可以进一步防止回火现象，确保本台锅炉安全可靠。

燃烧器的调节方式为根据氢气燃料流量讯号，送到燃料/风量比值器、风量控制器，自动调节风量，氢气的流量则根据蒸汽压力讯号的变动进行调节。

燃烧系统采用燃气泄漏自动检测、燃气压力保护、空气压力保护，当燃气压力大于或小于设置的最大压力值或最小值时，将立即切断氢气气源，同时，为保证切断动作的安全可靠，氢气切断阀采用压缩空气阀。

5 锅炉主要热工参数的自动调节

主要热工参数的自动调节内容包括：

（1）2台氢气锅炉供汽母管的压力控制；

（2）每台氢气锅炉的燃烧自动控制，包含燃烧氢气量和所需燃烧的空气量自动调节；

（3）每台氢气锅炉的水位自动调节。

6 氢气锅炉运行热工参数的检测与报警

氢气锅炉的工艺运行操作要求设置必要的运行参数检测及报警信号，进行温度、压力、流量和液位等参数的检测及报警，重要的热工检测及报警的信号通过就地的PLC的RS-485通信送入总控制室的DCS系统。

7 氢气锅炉的停炉连锁自动保护

氢气锅炉在运行时，发生下列情况之一，即进入事故停炉连锁自动保护。2只火焰检测器检测均无火焰；锅炉汽包压力高；锅炉汽包水位低；锅炉送风机跳闸；供给氢气压力高或低。

停炉连锁自动保护启动时，将发出综合故障信号给PLC，与此同时，立即切断氢气供给，并进行炉膛自动吹扫。

8 锅炉的安全运行和可能发生的故障及其处理方法

为确保LHS10-2.45氢气锅炉能安全运行，必须使锅炉的给水及炉水及炉水品质符合GB1576-85《锅炉水质标准》中有关规定。

8.1 锅炉启动前应注意

（1）启动前，应认真做好准备工作，仔细检查锅炉及系统各有关部件和机电设备的工作是否正常，各阀件的开关是否处于正确位置。

（2）应防止点火时产生冷爆故障。点火前，必须进行前扫气，对自动点火程序，通过PLC来控制前扫气时间。首先对炉膛扫气，然后对氢气管进行扫气，一定要有足够的前扫气时间，扫气完成并进行炉膛测爆后，方进行点火。 点火前，应检查高能点火器是否处于正确位置，确保点火成功。

8.2 锅炉正常运行

（1）锅炉给水需进行处理至总硬度0.035mmol/L。

（2）锅炉正常燃烧后，当空气阀有蒸汽逸出时，关闭空气阀并开始升压。

（3）在锅炉升压及正常运行中，应随时注意各阀件有无泄漏，并应消除。

（4）自动运行时，应经常观察锅炉汽压，水位及炉内燃烧是否正常。当锅炉处于手操状态时，操作人员不得离开现场，要严密监视锅炉压力，水位和燃烧是否正常。

（5）当锅炉发生故障时，应立即停炉并查明原因。

8.3 锅炉经常性管理中的注意事项

（1）本锅炉配置有2只水位表，水位表应经常冲洗，以保持水位表指示的正确性及玻璃的清洁。若发现其中1只水位表损坏，应及时进行修理，如2台水位表同时损坏，则应临时停炉，直到有1台水位表恢复正常后方可继续运行。

（2）锅炉上，下排污阀进行连续排污，排污量控制在蒸发量的5%以内，以确保锅内水质符合要求。

（3）为避免安全阀日久锈蚀失效，每月应拉动安全阀手动开启装置，排气一次，以检查安全阀的工作可靠性。拉动安全阀手动开启装置时，应在锅炉内有压力情况下进行，以免杂物夹在阀座上引起阀的泄漏而影响正常使用。

8.4 锅炉可能发生的故障及其处理方法

（1）缺水。当锅炉处于自动控制给水状态，如因某种原因造成锅炉水位降低至极低水位，锅炉即自动报警，并同时切断燃烧。检查缺水原因并解决后，锅炉即能重新投入运行。如在水位监控显示屏中突然发现水位低于正常水位，直至低于低水位而自动控制系统并没有报警，表明缺水时间短，可立即补充给水并检查自动控制系统的故障。如在水位监控显示屏中发现水位表内已看不到水位时，应立即停炉检查。如确认缺水时间很短，则可立即补充给水；若发现缺水时间较长，则不能立即补给水，以免较低温度的给水与过热的锅炉受热面接触，引起材料与设备的损坏，此时应先检查受热面过热情况及水位表接管有无堵塞，旋塞位置是否正确，再做处理。

（2）在有下列情况时锅炉应紧急停炉：给水设备全部失效；所有水位表，压力表，安全阀的一种全部失效；燃烧器或自动控制系统出现故障；锅炉的主要零部件发现裂纹或水冷壁管爆破；紧急停炉后，应防止事故进一步扩大。

9 锅炉的维修保养

（1）根据“蒸汽锅炉安全技术检查规程”（1996）及使用部门的有关规定，必须制定锅炉使用维修保养的操作规程，并要求操作人员严格执行。

（2）锅炉停炉时的保养包括以下内容：

a.短期停炉时，锅炉保持原水位即可；

b.短期保养一般采用湿保养，即满水保养，但这不适合冬季情况，以免锅水结冰而冻裂设备，造成破坏；

c.长期保养一般采用干保养，即停炉后将锅水放干，打开上部筒体人孔盖及环形联箱上的手孔盖，最好用压缩空气将内部吹干，然后以2 kg/m3（锅炉容积）的无水CaCl2用纱布包扎成若干小包，从人孔及手孔放入锅炉内部，并随之紧闭人孔盖及手孔盖，以免空气进入，定期检查吸湿情况并更换。放入的纱布包要做好记录，在锅炉重新启用前，要全部取出，切不可遗留在内。

d.锅炉停用后，如有结冰可能时，应把炉内水全部放光。

10 运行总结及效益

2台氢气锅炉从投产至今已有二年多，运行可靠。美中不足的是，点火系统不稳定。因点火枪 （电点火捧、）和助燃仪表气都是现场安装和调试，其长度和角度，仪表气的压力等影响很多。造成点火不成功率偏大，建议做成标准件。其次因锅炉汽包水为高温、碱性、压力高，现场液位计损坏严重，要改进液位计选型。

另2台燃氢锅炉投运后，4台燃氢锅炉可利用氢气量为14 720万m3/a，以年运行时间8 000 h计，生产2.45 MPa（G）蒸汽51.2万t/a。锅炉给水52万t/a，采用烧碱蒸发装置产生的蒸汽凝结水，既解决了凝结水回收的问题，又节约了能源。 以外购蒸汽价387.56元/t（不含税）计，费用为 19 843万元/a，则可节约成本10329万元/a；以外购锅炉给水价21.08元/t（不含税）计，费用为1 096万元/a，则可节约成本1 022万元/a。合计11 351万元/a。

氢气作为公认的清洁能源，完全燃烧后，不会对环境造成污染。