湖北江汉油田盐化总厂氢气掺烧回收利用

毛秋荣

摘要:江汉油田盐化工总厂有年产20万吨氯碱厂，副产氢气总量约7000Nm3/h，其中有1000Nm3/h用于盐酸合成，其他外围厂利用2000Nm3/h，约有4000Nm3/h氢气作放空处理，这样即浪费能源又损失了财源，为了利用H2我们提出将氢气在锅炉内掺烧回收利用

关键词：氢气节能脱硝

中图分类号： TE08文献标识码： A

1概述

江汉油田盐化工总厂配建有2台75t/h供热锅炉，年消耗燃煤10万吨左右，氯碱分厂在工业生产过程中副产氢气，总量约7000Nm3/h其中有1000Nm3/h用于盐酸合成，其他外厂利用2000Nm3/h，约有4000Nm3/h氢气作放空处理。氢气除作为化工生产原料外，还是一种清洁无污染燃料，燃烧产物是水，对环境不产生任何污染。其热值高，居多种燃料之首，据测定每千克氢燃烧释放的热量为1.4*108。为石油热值的3倍。现拟将这部分富余氢气作为燃料来回收利用，减少煤炭消耗，降低燃料成本，既解决了环保安全问题也在为企业创造了经济效益。

2、基础条件

2.1、氢气

体积比：≥99%（体积比），酸碱性基本为中性（含碱量≤PPM级）

含水率<0.5%

压力：40～100kpa

流量：Max 4000 Nm3/h以上

温度：≤40℃

2.2、仪表气

压力0.7MPa（G）

温度常温

2.3、氮气

压力0.04～0.1MPa（G）（进燃烧器前压力）

温度常温

3、安全防范措施

氢气特性 安全问题

爆炸极限范围很广4.1～74.2% 泄漏、积聚达到一定浓度，极易产生爆燃或爆炸

燃烧速度非常快，当量燃烧速度2.6m/s，过量燃烧速度4～6m/s，是天然气的8倍 极易产生回火，造成管内爆炸

火焰界面温度可达1800℃左右 容易高温腐蚀燃烧设备，造成设备损毁，以至燃烧不可靠

热值低，纯氢2566kcal/Nm3 容易造成失火脱焰

针对氢气燃烧特性，我们采取一系列措施，彻底保障氢气燃烧的安全性、可靠性。

3.1、防止氢气泄漏的措施

3.1.1、采用反应速度快的双阀组

选用反应速度<2.5 s的气动切断阀，动作可靠，并设置两个切断阀门，保证氢气总管的可靠开启，不使氢气泄漏进入炉膛。

3.1.2、鼓风机常吹扫

鼓风机采用常开方式，一方面保证始终向炉膛吹扫，拥有足够的吹扫时间和吹扫空气量，不使氢气在炉膛内产生积聚；另一方面起到冷却燃烧头的作用，不致因炉膛内对流热和辐射热对燃烧头的高温腐蚀。

3.1.3、氢气直接点火

采用氢气直接点火方式，不采用氮气和氢气逐渐置换点火，直接达到氢气燃烧浓度，不使因氮气和氢气逐渐置换过程前期达不到点火浓度，而使少量氢气进入炉膛造成爆燃；也不采用其他燃料进行点火，减少操作和系统的复杂性，降低因点火不顺造成微量氢气进入炉膛的可能性。

3.1.4、燃烧器阀组的位置设置

燃烧器阀组结构紧凑，紧靠燃烧器喷口，氢气以最快速度进入火焰生成区域，使点火顺畅，点火成功率几乎100%；采用放空方式在停止燃烧时放空阀组管道内残余氢气，不使用氮气吹扫，从而使少量管内氢气进入炉膛。

3.1.5、燃烧器检漏阀组系统

采用三套阀门来完成燃烧器阀组检漏程序，即在两个主气阀门间设一个放空阀，通过开关放空阀与氢气进气侧切断阀完成检漏，不使微量氢气进入炉膛。

三阀组检漏示意图

3.1.6、燃烧器阀组检漏程序

先开关放空阀，卸去双主气阀间压力，如阀间压力没有上升，表示氢气进气侧主气阀没有渗漏，而后开关氢气进气侧主气阀，使双主气阀间建立压力，如没有出现压力下降，说明阀组其他阀门无渗漏。按此顺序进行检漏同时保证了氢气气源离开点火区域更近，点火时氢气能即时到达点火区域进行点火，进一步保障了点火成功率。

3.2、防止氢气燃烧失火与回火措施

3.2.1、控制燃烧混合速度

3.2.1.1、长明灯效应防脱焰

氢气热值较低，在氢气小气量燃烧时，氢气燃烧产生的热量较小，燃烧火焰温度相应较低，火焰形成的三要素中其中一项是温度，因此当小火焰时，火焰容易被助燃风给吹灭，也就是我们所说的脱焰。

燃氢专用燃烧器燃烧头与燃烧盘的结构，使氢气与空气的混合产生一个回流，回流区域为燃料充足区（没有足够的空气使氢气燃尽），回流使一部分火焰被压制在燃料充足区，而因为该区域缺少足够燃烧空气，又不至于会产生回火，因此形成了一个真正意义上的长明火，彻底保障了氢气燃烧的安全，不使出现氢气燃烧脱焰。

3.2.1.2、形成不同混合区域防止回火

氢气专用燃烧器燃烧盘使燃烧用氢气和空气按一定比例成不同角度进入燃烧混合区域，并形成因燃料充足区与空气充足区两个区域，燃料充足区即燃料不完全燃烧区域，氢气不会因燃尽后跟不上，就不会使燃烧氢气过早充分混合，造成回火；空气充足区有足够空气量，可把未燃尽氢气充分混合，完全燃尽保证了保证了100%的氢气燃烧率。

3.2.2、高/低压保护设置

在靠近氢气燃烧喷口前，设置高压保护开关，氢气气源进燃烧器阀组前设置低压保护开关；回火的产生是因为两种原因：一是炉膛压力过高，高于氢气出口压力，使氢气无法进入炉膛，此时，喷口端管内的氢气压力会上升，意味着燃气无法进入炉膛，在此处设置高压保护，可以预警回火的可能，并及时联锁，关闭氢气阀组。

回火另一个原因是由于助燃空气过早与氢气混合充分，燃烧速度过快，后续管内氢气不能即时跟进，从而火焰顺者管内氢气而上，此种情况管内氢气压力会下降，因此在氢气进口设置低压保护也是防止氢气燃烧回火的必要措施。

燃烧示意图

3.3、氢气燃烧器结构保障措施

氢气专用燃烧器是氢能回收装置中的核心技术设备。

3.3.1、特殊的外混燃烧式燃烧盘，经过精确计算设计制作的结构，使氢气与助燃空气按一定比例，分多层，成一定旋转角度喷射进入炉膛，合理控制燃烧混合速度，使氢气与助燃空气完全充分混合，彻底保证了氢气的100%燃烧率。

3.3.2、采用专利技术燃烧器结构，使氢气燃烧火焰与燃烧盘隔离。避免了由于燃烧高温而熔化腐蚀燃烧盘金属。

3.3.3、通过对燃烧混合的控制达到灵活控制火焰形状，以适应各种不同环境。

3.4、氢气燃烧系统可靠性保障措施

3.4.1、机械式联杆固化连动

风量的调节与氢气量的调节采用机械式联杆固化连动，排除人为或电信号干扰造成配比失调，调试后一次性固定，彻底做到不同负荷位置，空气与氢气配比的正确性，即使机械结构故障，也不会改变两者之间的配比，从结构紧凑性上，系统复杂性上，以及安全可靠性上具有绝对优势。

3.4.2、氢气温度监测

氢气输送进入燃烧系统前设置氢气温度监测，以防氢气温度过高造成氢气燃烧系统橡胶件及软密封件的老化损伤，保证燃烧系统的安全可靠运行。

3.4.3、远程控制

在燃烧器现场，不设就地控制箱，以防现场误操作，造成现场事故，燃烧器的运行控制操作，在控制室内进行，这也是安全操作的保障。

3.4.4、合理的空/燃气比对效率的保证

为尽量避免掺氢改造对原锅炉的影响，燃烧器调试时，氢气与空气的配比尽量要求合理，调试时采用尾部烟气分析仪进行调试，有可靠的数据为依据，以尽量提高氢气利用的效率。

3.4.5、设备用材选择

由于氢气来源于氯碱生产，氢气中或多或少都会带有一定量的碱，因此燃烧系统配置的配件充分考虑了碱腐蚀问题，尽量不采用铝材，这也是一种设备保障。

3.4.6、燃烧器的安装

采用活动支架固定安装燃烧器，在不使用燃烧器时，及时把燃烧器从炉膛中退出，并关闭燃烧器鼓风机，防止炉膛内高温以及粉尘对燃烧器的损伤。

燃烧系统示意图

3.5、氢气燃烧控制系统保障措施

配置的自控仪表和系统是针对氢气燃烧特性设计，全自动化控制操作方便简单，同时也完全保证装置的安全可靠稳定运行。

3.5.1、针对氢气燃烧特性设计的控制系统，已获国家专利。保证系统的安全可靠运行。

3.5.2、多重控制：采用PLC+PC与机械式程序控制器多重控制，运行稳定可靠。

3.5.3、分层控制：针对氢气燃烧的关键点（回火，泄漏等）采用多点检测监控，分层控制——预警，警示，连锁。彻底保证氢气燃烧的安全性和系统的可靠性

3.5.4、针对氢气燃烧的特性进行控制点设置，燃烧负荷输出根据不同要求变化，保证燃烧不间断。

3.5.5、控制系统具备全自动控制装置与人工智能控制系统（可切换），可具有远程监视功能。

3.5.6、合理设置温度，压力，流量检测等措施确保系统安全运行

4、改造费用估算燃氢专用燃烧器、现场仪表、执行器等约180万元，锅炉改造及安装40万元

5、经济分析

5.1、计算依据：

原煤热值： 5000Kcal/kg

原煤价格： 600元/吨

氢气燃烧量： 4000Nm3/h

氢气低位热值： 2566Kcal/Nm3

年计算运行时间： 8000小时

CO2排放量： 2620Kg/吨

5.2、节约标煤计算

项目 煤炉改造

氢气燃烧每小时

可回收的热量 4000 Nm3/h×2566Kcal/h

= 1026.4x104Kcal/h

氢气燃烧每小时

可回收的热量折算成原煤 1026.4x104Kcal/h ÷5000Kcal/kg

=2.05吨/h

年节约原煤 2.05吨/h×8000h/年

=16400吨/年

5.3、年产生的经济效益

16400吨/年×600元/吨≈984万元/年

5.4、年减少CO2排放量

16400吨/年×2620Kg/吨≈42968吨/年

5.5、回收期：220万元÷984万元×12个月≈3个月

5.6、同时H2还可在炉内作为还原剂替代氨将NOx还原为N2达到脱硝的作用。

6、结论

综上所述，本锅炉改造氢气掺烧回收利用项目，从安全性能上、氢气有效利用上、系统与设备配置上；以及生产运输、安装、操作、维护保养等各方面都已相当成熟和可靠。此项目将带来可观的经济和社会效益，为节能减排做出贡献、造福子孙后代。