黄磷尾气循环流化床锅炉设计

黄磷尾气循环流化床锅炉设计

马锦聪

云南弥勒市磷电化工有限责任公司 云南 弥勒 652304

摘要：联合黄磷尾气的燃烧特性，优化设计循环流化床锅炉，以锅炉布置、核心部件为设计重点，分析锅炉运行的磨损、腐蚀问题，提出科学的处理对策。

关键词：黄磷尾气；循环流化床；锅炉设计

我国的黄磷产量非常高，出口量达到世界第一。黄磷尾气是黄磷生产的副产品，由于含有残磷，具备自燃特点，腐蚀性和毒害性强。多数生产厂家未充分利用黄磷，导致剩余黄磷被排入到大气环境中，严重污染环境。黄磷尾气综合利用的途径如下：其一，使用纯净一氧化碳作为原料，合成多种化工产品；其二，利用尾气热值作为燃料。但是在使用黄磷尾气合成化工品时，很难实现规模化推广应用。所以使用黄磷尾气燃烧锅炉之后会产生蒸汽发电和供热，成为黄磷尾气综合利用的研究方向。

1、锅炉整体布置

为了全面提升黄磷尾气的利用率，首先要处理好锅炉选型问题。以气体作为燃料的锅炉型式，以室燃炉为主。室燃燃气锅炉的设备简单，结构紧凑，能够实现自动化操作，也不会污染大气环境。然而我国多数企业因用电形势等多种原因很难稳定生产黄磷，黄磷尾气生产工艺也不太稳定，对室燃炉的运行安全性影响明显，同时很难提升锅炉的参数、效率。循环流化床锅炉，燃料适应性非常强，能够高效处理黄磷尾气锅炉粘覆和腐蚀等不良问题。

锅炉流化原理是将气体以一定速率通过布风装置，使得经过布风装置的物质或粒子接触气体，并由此而产生热流态。流化床的性质，会受床内气体的截面速率影响。在气流速率不断增加后，床内物质从稳定床态，逐渐转变为快速的流体床态。为了保证流化床的流动工况，收集随气流逸出的颗粒后，遵照比例送回至流化床内循环使用。

此次设计的锅炉为循环流化床锅炉，采用自然循环、单汽包、循环流化床的燃烧方式。锅炉为全钢焊接结构，采用露天布置法。锅炉由膜式水冷壁炉膛、尾部竖井、旋风分离器组成。锅炉设置给料装置共计2台，布置在炉膛前端。同时设置气体燃烧器，设置在炉膛下部水冷壁。在炉膛内部，设置屏式过热器。在煤仓下面，由水冷壁管组成的水冷风室，还连接着其他风道点火器。风道点火器的下面，还建有油枪式击发蓄电燃烧器装置。煤仓、床尾高温再热装置的内侧，安装有旋风分离器滤光装置，并在下方安装有J阀回料器。而在J阀回料器上方，则安装有床料补充进口、脱硫脱磷剂进口。竖井内安装有高温过热器、低温过热器、省煤装置、空气预热器等。在过热器系统中，还包括了喷水减温系统。锅炉采用对称布置方式，支吊在锅炉钢架上。

锅炉使用平衡通风方式，炉膛出口为压力平衡点。高压锅炉内物料经过循环后，由引风机、送风机所产生的动能启动。送风机一般分为一次风机、二次风机。一次风机所产生的鼓风可以分成三路：一路在经过空气预热器进行加热处理之后，首先流经位于煤仓出口的底部风室，然后再经过布风板上的风帽，使空气与床料流化，进而产生气固两相流；一路经过空气预热器进行加热处理后，用到炉前气力播料中；一路不进入空气预热器，而是作为密封风用来保护给料皮带。而二次风机所产生的气流，在通过空气预热器并经过预热处理后，分成二路：一路流入煤仓，一路流入空气蓄热燃烧器。当黄磷的尾气逐渐减少后，经过预热后的二次风机部分，随着通过煤仓的风向而转入了煤仓。二次风在锅炉内营造还原性气氛，以降低氮氧化物生成量。尾气所携带的固体颗粒离开了炉膛出口，通过水冷壁墙的进口排出尾气，再流入到旋风分离器中。在分离器中，尾气可以分离出多数物质粒子，由旋风分离器的中心筒导出。

2、锅炉主要部件

为了实现脱磷脱硫效果，黄磷尾气燃烧达到环保标准之后，要处理好炉膛布置问题。在锅炉结构中，炉膛是重要部件。锅炉输出时应确保燃气的充分燃烧，使出口空气的温度快速冷却，以达到空气对流受热面的安全数值。锅炉炉膛分为两侧墙及前后墙，炉膛底部的后墙管形成风室底部、流化床布风板，加上水冷壁构成水冷风室。在炉膛顶部，前墙向炉后弯曲形成炉室顶，与后墙水冷壁管子在炉后相连。在炉膛的下面安装有外侧水冷壁下集箱、内侧水冷壁下集箱等。每一层墙壁上都有一个进口集箱、一个出集箱。点火燃烧器的设计热容量，根据锅炉的15%BMCR热负荷设计。点火燃料主要为黄磷尾气排放，而单个黄磷尾气气枪流量仅为2000Nm3/h，最大气压14kPa。另外，4个主蓄热燃烧器结构布置在标高11000mm至15000mm之间，炉膛的进出口为左右两侧各2台。整个锅炉从结构上可以分为上、下二个部分，以标高13480mm为界。下部主要为热流化的密相区，并针对脱硫脱磷剂热值逐步减少的特点，调整了炉膛的横截面，从而保证了床温的稳定性；底层还含有2个正常排渣口，通过对正常排渣量大小的合理控制，使布风板上的料层差压都保持在合理范围内，并保证了高压锅炉尾部保持良好的工作状态；而上层则根据黄磷尾气排出的燃烧特性，进而使黄磷尾气的排出物得到了充分燃烧。

旋风分离器的使用也同样至关重要。旋风分离器的是稳定循环流化床的关键部件之一，其分离性能的优劣也是产生稳定循环气流的主要依据，其气压的强弱会直接影响锅炉尾部的空气动力消耗。所以，本锅炉的2台绝热式旋风分离器都采用了普通切向进口进气方式，由钢板壳、衬砌层和耐磨物质组成。分离器进口烟温为865℃，属于高温分离型。

燃煤锅炉冷态启动后，在锅炉的布风板中装入启动材料。首先启动风道点火机，接着在点火风道将可燃气体加温至870℃后，通过水冷式布风板送入流化床，加热启动物料。床温上升至400℃并稳定后，已粉碎的脱硫脱磷剂又分别通过给料装置，并从前墙送入煤仓下部的密相区被再一次风流化。黄磷尾气通过炉膛下部左右侧水冷壁4个主燃烧器进入炉膛。黄磷尾气燃烧后形成的烟气夹带着大量脱硫脱磷剂中的灰、物料反应物向炉顶转移，再经过位于后壁水冷壁上的烟气出口，最后通过中心筒实现气固分离。由分离器中心筒中收集下来的混合物，再经过分离器滤波器底部的立管和J阀回料器，返回布风板上进行回收燃烧。经多次循环的物料，燃烧效率高，脱硫脱磷充分。

3、磨损问题及解决

在炉膛密相区，由于床料和所添加的物质在掺和后而被气流变成细颗粒。颗粒有很强的磨损性。如果不进行防护，就会造成炉膛水冷壁管爆管，影响锅炉安全运行。所以建议采取耐磨防火塑料方式进行防磨。在锅炉台底布风板上铺设了耐磨可塑料，布风板四周后用耐磨浇注料浇灌台阶。炉膛水冷壁敷设耐磨可塑料。

4、腐蚀问题及解决

黄磷尾气中有许多元素，包括磷和硫元素，会对锅炉材料造成腐蚀影响。腐蚀性主要包括高温腐蚀和低温腐蚀。黄磷尾气中磷和硫在燃烧的高温下会与钢管中的铁结合生成多孔疏松化合物，造成钢管腐蚀穿孔，此为高温腐蚀。为防止炉膛主燃烧器附近膜式水冷壁管屏高温腐蚀，本锅炉对此区域管屏向火面进行超音速镍基喷涂。黄磷尾气燃烧后生成的烟气在脱硫脱磷后依然含有少量的三氧化硫和磷，会与烟气中的水蒸气结合成酸雾凝结在低温受热面管子上造成腐蚀，即为低温腐蚀。为防止尾部竖井空气预热器管子低温腐蚀，本锅炉空气预热器采用高效先进的结构形式，便于更换，密封良好。

5、结束语

综上所述，本文设计的循环流化床锅炉，对于燃料的适应性非常强，能够随着黄磷尾气气量实现灵活运行，充分利用黄磷尾气，处理黄磷尾气污染、资源浪费问题。该锅炉在A工业园试运行成功，性能指标满足设计要求，实现黄磷尾气的清洁使用。第一，本文设计的锅炉工况范围处于30%-111%，额定蒸汽温度达到540℃，热效率超过88%，黄磷尾气的使用效率高。第二，锅炉炉膛出口烟温为854℃，排烟温度为134℃，满足锅炉节能监管要求，运行期间无磨损、腐蚀现象。

参考文献

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