1、氢气锅炉的开发应用胡伟敏(上海氯碱化工股份有限公司 上海 200241)摘要本文介绍了燃氢蒸汽锅炉的开发内容、技术特点、特性指标及技术创新点等，其技术水平已达到国际先进水平，经济效益显著。关键词蒸汽锅炉烧碱氢气清洁能源1 项目概况上海氯碱化工股份有限公司电化厂烧碱产量从年产八万多吨发展到四十多万吨，在烧碱生产过程中部分副产氢气却没能得到有效利用，长期被放空到大气中去，浪费了十分可贵的清洁能源。电化厂每天要消耗大量蒸汽，如以电解放空氢气作为锅炉燃料制造蒸汽供电化厂内烧碱蒸发使用，可以使氢气资源得到充分利用，同时也可降低外供蒸汽的用量，这是一个节能降耗的有效措施。经过反复论证和充分的市场调研，认为
2、用氢气作锅炉燃料制造蒸汽，技术上是可行的。2002 年由有关单位联合设计开发，在该公司成功建设了 2 台国内首次使用纯氢作燃料的蒸汽锅炉。氢气作为锅炉燃料，与常规气体燃料如天然气、城市煤气、液化石油气等相比，易爆是其最大特点。氢气与空气混合，爆炸浓度范围宽达 4一 74，因此对锅炉本体结构、燃烧控制系统、安装及运行等都提出了十分严格的技术要求。2 氢气锅炉的研制开发21 主要内容本项目成功开发了以氢气(燃料中氢的体积分数大于 9896)为燃料的燃气蒸汽锅炉，单台燃氢锅炉最大生产能力为蒸汽产量 10 th，蒸汽压力 O8MPa(饱和蒸汽) ，实际操作时可根据氢气量变化调节蒸汽产量。主要研制开发内
3、容包括：(1)燃氢蒸汽锅炉的新颖炉体结构： (2)锅炉燃料的安全控制系统。22 主要技术特点(1)锅炉本体采用立式布置，对流传热部分为单程，减少炉内烟气流程内的死角及保证烟气排放畅通，降低烟气阻力，避免未燃氢气在炉内积聚，产生爆鸣。(2)燃料氢气采用扩散式燃烧方式，燃烧时不会产生回火现象，确保氢气燃烧可靠稳定。(3)锅炉点火燃料为液化石油气，锅炉点火、负荷调节、火焰监察、锅炉水位及连锁控制等操作均由可编程序控制器(PLC)完成，安全可靠。(4)燃烧室内直径与高度均大于火焰直径与高度，保证氢气安全燃烧后，烟气进入对流段燃氢锅炉燃烧室，对流室分别设有防爆门，与其他锅炉相比，防爆面积大，安全可靠。(
4、5)燃氢蒸汽锅炉采用多重连锁保护装置，当锅炉运行时，任何异常波动均会自动报警直至连锁停车。23 特性指标本次开发成功的燃氢蒸汽锅炉主要特性指标为锅炉最大蒸发量 10 th；最大工作压力10MPa：额定蒸汽温度 184；最大氢气燃料用量 2300 m3h：锅炉热效率大于 85。24 设备结构特点为尽可能减少炉内烟气流程内的死角区，保证烟气排放的畅通和降低烟气阻力，燃氢锅炉本体采用立式布置，本体受热面采用水、火管相结合的方式，辐射受热面由布置于炉膛内四周的水冷壁组成，内侧水冷壁管与外侧下降管形成 1 个自然循环回路，本体对流受热面由布置于锅壳筒体内的烟管组成。为有效降低锅炉的排烟温度，提高锅炉热效
5、率，锅炉本体出口布置钢管式省煤器，结构为环形盘管，以满足整体布置协调及烟气冲刷均匀之要为提高蒸汽品质，燃氢锅炉除炉内设有汽水分离装置外，炉外还增加汽水分离罐。燃氢锅炉燃烧装置设置在锅炉底部，燃烧器采用扩散式锅炉专用燃烧器，确保氢气燃烧安全稳定。25 控制特点燃氢锅炉采用二次点火程序方式，即先由高频点火器自动将 C点燃，经火焰监测器确认己检测到 C；确实被点燃后，氢气阀门随即自动打开，C 。将氢气烧嘴点燃，用火焰监测器确认氢气烧嘴被点燃。锅炉在点火前程序还将执行炉膛吹扫和氢气管道自动检漏。在点火及运行过程中，任何异常波动均会使氢气管道上自动切断阀和自动调节切断阀立即自动关闭，以确保操作绝对安全。
6、全部操作控制系统由 1 台 PLC 可编程序控制器执行，燃氢蒸汽锅炉在自动操作控制功能上还具有以下特点：多冲量连续给水调节；多重高低水位报警及连锁保护：锅炉负荷自动调节：多重超压报警及连锁：燃料氢气管道开停车自动氮气吹扫：氢气管道及阀门自动检漏。26 技术创新点本项目设计制造了适用于氢气作燃料的安全、经济的蒸汽锅炉。(1)燃氢蒸汽锅炉炉体结构充分考虑到氢气燃烧的安全性。根据氢气密度很小的特点，将锅炉设计成立式，燃烧器在底部，依次为炉膛辐射段和对流段，省煤器向上布置，锅炉内部无死角，避免烟气在炉内积聚。(2)燃氢蒸汽锅炉的结构形式体现了燃烧经济性。炉膛辐射段( 燃烧室)设计成水冷壁式，充分吸收燃
7、烧辐射热，对流段设计成烟管式吸收热量，锅炉尾部顶端设有省煤器，吸收热量加热给水，降低排烟温度。(3)燃烧控制系统的创新。锅炉采用二次点火程序，氢气管道及炉膛内自动吹扫，自动检漏，多重报警及自动连锁熄火保护程序，确保锅炉运行安全可靠。(4)能源综合利用的创新。烧碱蒸发工段蒸汽冷凝水经除氧处理后，重新作为燃氢锅炉给水，锅炉用燃料为电解生产中的富余氢气，大大降低了生产成本。27 与国内外同类研究技术的综合比较(1)经调研，国内尚没有企业以纯氢( 燃料中氢的体积分数98)作燃料的蒸汽锅炉，上海氯碱化工股份有限公司开发成功的燃氢蒸汽锅炉为国内首创。(2)韩国制碱行业有利用电解氢气与天然气混合气体作燃料的
8、蒸汽锅炉开发使用经验，但生产能力较低，其蒸汽产量为 60 th，而利用纯氢作燃料的蒸汽锅炉较少使用。(3)加拿大 PCI 化学公司的氯碱企业有使用氢气作为锅炉燃料生产蒸汽的成功经验。由上可见，上海氯碱化工股份有限公司开发成功的燃氢蒸汽锅炉的技术水平已达到国际先进水平。3 经济效益(1)项目总投资为 900 万元。(2)单台锅炉生产能力：蒸汽产量 10 th：压力 08 MPa。(3)若按氢气、冷凝水放空不计入成本计算效益，扣除公用工程消耗( 水、电、气等)、职工福利、设备折旧等，全年运行成本约为 150 万元，则蒸汽制造成本约为 30 元t。按年产蒸汽 12 万 t，低压蒸汽市场价 90 元t 计，全年可节约蒸汽成本 720 万元，2 年内可以全部收回投资。4 结束语上海氯碱化工股份有限公司研制开发成功的燃氢蒸汽锅炉，使长期放空的富余氢气得到重新利用，从而提高了氢气利用率。氢气用来开发精细化工产品，可以更大地提高它的经济价值，效益也更加显著。但从目前能源紧缺，原材料上涨等实际情况考虑，作为锅炉燃料生产 08MPa 蒸汽供烧碱蒸发使用，也是一种较好的节能降耗途径。氢气锅炉的开发成功将为全国氯碱行业提高氢气利用率提供了一条成功经验。
