三废炉优化控制技术

梁玉明，李明，王文，宁崇军，田龙

（云南云天化股份有限公司红磷分公司，云南 开远 661600）

云南云天化股份有限公司红磷分公司三废炉装置以造气炉渣、造气污泥和造气吹风气、合成驰放气三废为主要原料，生产压力3．82MPa、温度 450℃的过热蒸汽。其设计能力为50t/h（3．82MPa、450℃）。装置自2008年建成投厂创造了很好的效益，但也存在很多问题，经过10年的研究改造现在能达到“安、稳、长、满、优”运行。

1 工艺流程简介

红磷分公司三废炉装置采用沸腾炉燃烧合成氨装置造气炉渣、造气污泥和造气吹风气、合成驰放气“三废”，由燃烧系统、水汽系统、烟气除尘系统、尾气洗涤系统组成。其主要任务是将混配合格的煤送入沸腾内燃烧，同时配烧造气炉吹风气和合成驰放气，产生温度≤950℃的高温烟气，高温烟气经组合除尘器除去粒度较大的烟尘后进入锅炉受热蒸发区，高温烟气在蒸发区内传热使脱盐水发生相变成为蒸汽。换热后的烟气经电除尘器，除去粉尘后由引风机送洗涤系统洗涤后经烟囱排入大气；混配煤在炉内燃烧产生的灰渣，在保证炉内燃烧正常的情况下间断直排炉外。流程如图1。

煤仓（V-07）内的煤经下料调节闸板阀进入皮带给煤机（L-08A/B）到螺旋给煤机（L-09 A/B），由螺旋给煤机将煤推送入混燃炉的燃烧室内，经二次风机（C-03）来的空气经二级空气预热器，通过给煤机出料口下部的播煤风管送入混燃炉的燃烧室内，并将给煤机送来的煤均匀吹撒到混燃炉的床层上。由一次风机（C-02）来的空气经一级空气预热器预热后进入风室，通过布风板经风帽进入炉膛内，提供煤燃烧所需的氧，使煤在混燃炉的炉膛内，加之由二次风机送来经二级空气预热器预热的空气绕动作用下，充分燃烧以放出热量加热产生高温烟气。通过引风机（C-04）的抽吸，燃烧产生的高温烟气经炉膛上部进入组合式分离器内，将烟气中所携带的颗粒粉尘和部分细粉尘分离后，进入锅炉换热蒸发区，依次经过蒸发水冷壁管1～2组、高温过热器、低温过热器、蒸发水冷壁管3～22组、高温省煤器、低温省煤器、一、二级空气预热器、电袋复合除尘器（V-05）、过引风机（C-04）由烟气脱硫塔（V-06）排入大气。由造气和合成送来的吹风、驰放气分别在预混器和无焰燃烧器内，配入由二次风机送来经二级空气预热器预热的空气后，进入混燃炉的中上部完全燃烧变成高温烟气。

2 主要化学反应

（1）炭与空气（氧气O2）的反应

（2）氢与空气（氧气O2）的反应

（3）硫与空气（氧气O2）的反应

（4）吹风气与空气（氧气O2）的反应

（5）驰放气与空气（氧气O2）的反应

3 生产装置存在的问题

（1）从工艺流程分析，三废炉装置燃煤及烟气系统没有采用自动控制，也无氧含量测量控制。

（2）从尾气排放数据分析正常情况尾气中颗粒物、二氧化硫、氮氧化物没有超标，尾气中颗粒物偶尔超标，氧含量长期超标。

（3）空气过量较多烟气流速过快，烟气中的粉尘加速磨损水冷壁管、炉墙、省煤器水管及引风机导致设备故障多停车。粉尘磨损水冷壁管如图2所示。

（4）烟气流速过快把大量粉尘带到静电除尘器，导致静电除尘器除尘效果差，之后技改加装了布袋除尘器及洗涤系统才解决了尾气粉尘超标问题。

图2

（5） 空 气过量、燃煤及烟气系统没有采用自动控制是造成三废炉不能“安、稳、长、满、优”运行的主要原因。

4 解决方案及措施

在三废炉燃烧过程中，当空气过剩系数过小即氧量不足时，燃料未完全燃烧而导致热效率降低，烟囱冒黑烟，对环境造成较大的污染，同时存在爆燃的安全风险。而当空气过剩系数太大即氧量过多时，过剩空气带走的热量多，也导致热效率低。过量的氧气会导致烟气中SO2、SO3和NOX含量增大，粉尘排放超标，一方面对环境造成严重污染，另一方面加速水冷壁、省煤器、炉墙的磨蚀损坏。因此，将氧气含量控制在一个合理的范围内，不仅能够提高燃料热效率，起到节约能源的作用，还能够减少废气对环境的污染以及水冷壁、省煤器、炉墙的磨蚀损坏，降低收尘系统及尾气洗涤系统的负荷。为达到装置“安、稳、长、满、优”运行的目的，对燃烧系统必须做如下优化控制。

（1）本装置采用DCS系统进行全流程温度、压力、流量、液位监控，热力系统的锅炉液位采用先进的三冲量自动控制，除氧器液位、减温减压采用单回路PID控制。

（2）燃烧系统的自动控制是解决“安、稳、长、满、优”运行的主要办法。

①在混燃炉出口增加一套氧化锆氧分析仪，将氧气含量控制在一个合理的范围内,氧化锆氧分析仪能在线实时监测烟气中的氧含量，并能将监测到的氧含量值直接输入到DCS控制系统，与二次风机C03形成PID自动控制回路，氧含量控制在5%以下，风机电机为185kW380V，执行机构采用变频调速器控制。如图3所示。

图3

②混燃炉底风室压力PI-1001与一次风机C02形成PID控制回路，压力稳定控制在5kPa左右, 保证煤的沸腾燃烧。风机电机为630kW6kV，执行机构采用永磁调速器控制。如图4所示。

表1

图4

③混燃炉流化床压力PI-1002与引风机C04形成PID控制回路，压力稳定控制在-100Pa左右，保证系统微负压工作。风机电机为800kW6kV，执行机构采用永磁调速器控制。如图5所示。

图5

4.3 改造新增设备表（表1）

由于空气过量降低30%，尾气排放温度降低59．63℃，年可以节约7552t标煤/a，按500元吨计可以节约3776000元。

5 改造前后经济技术指标比较表（表2）

改造前后尾气排放指标，见表3。

6 结论与展望

6.1 节电效果

通过对装置的优化控制实现系统节能，装置节电率达到50%左右，三台风机年可以节电：

Q=（8 0 0+6 3 0+1 8 5）×5 0%×2 4×3 3 0=6395400kW·h，按0．4元计算年可以节约电费2558160元。

6.2 热能利用效率提升

由于空气过量降低30%，尾气排放温度降低59．63℃，年可以节约7552 t标煤/a，按500元吨计可以节约3776000元。

表2

表3

6.3 设备故障率下降

（1）由于采用永磁电机调速器进行平滑无级调速，柔性启动，减少电机的冲击电流，延长传动系统各主要部件（轴承，密封等）的使用寿命。

（2）由于永磁调速器使电机和负载分开，无机械连接，隔离振动，电机、风机振动不会相互影响，设备故障率下降60%左右。

（3）由于采用优化控制，空气流速下降，水冷壁、省煤器、炉墙的磨蚀降低，保证了装置的“安、稳、长、满、优”运行。空气流速下降，带到除尘及尾气洗涤系统的粉尘大幅下降，减轻尾气处理负荷，保证尾气排放达标。

（4）节能减排是能源、化工、冶金、建材等企业管理永恒的主题。单纯的从某个专业的角度考虑节能减排效果有限，只有组织工艺、设备、电气、自控、操作等专业专家对装置进行系统进行充分论证，通过优化控制实现系统节能才能实现企业效益最大化。