关键词：电厂；锅炉；氢气掺烧；回收利用
引言：氢气不仅是无色无味的可燃性气体，同时也是可重复利用的二次能源。受氢内在特性影响，与常规能源系统相比，氢能系统的危险性更强，进而对氢的应用范围进行限制。为了回收利用氢气，可将富余氢气运送到电站锅炉中掺烧，以此达到节能减排的目标。
1电厂锅炉氢气掺烧的方案设计
某工厂烧碱车间当前有5000Nm3/h富余氢气量，从该厂中引出一根管线经过压力控制后送往电厂，经过氢气缓冲罐进行稳压调整后，结合在线运行情况，将氢气送入锅炉18m的平台中，氢气燃烧器直接插入炉膛，在炉膛内燃烧。在烧碱车间中，采用罗茨风机加压向电厂输送氢气，在出口管道中增加管线与电厂相连，为确保氢气压力值与设计值相等，还应加入一台氢压机。在电厂中的主要设备为氢气燃烧器和调节阀以及速关阀等，将氢气运送到电厂后，使运行压力在30—40KPa之间，运送到各个炉前分配母管，再将其分别配送到4个角的燃烧器，进入炉膛燃烧。在燃烧器处设置阻火装置，在排空管处设置排空阀，在整条管线中安装氮气置换阀。
2锅炉氢气掺烧回收利用的工艺流程
2.1调试与准备
氢气具有易燃易爆特点，极限为4.0—75.6%之间，一旦设备工艺不符合标准，很容易出现氢气泄漏，增加危险性。在管道与设备调试后，应对各个燃烧喷嘴、氢气切断（速关）阀、管道压力表、DCS联锁保护等进行检查，还需要开展试压实验，对全部管道进行气体打压等。
（1）将压缩空气输入分配管中，切断双向隔离阀，开始进行管道打压。由于运行压力较低，可将试压时扩大为运行压力的10倍。对实验前压力记录后，利用肥皂水对法兰、阀门、焊缝等进行检验，观察是否出现气泡，记录渗漏之处，并对其进行紧固或焊接，如若全部正常，则记录结束压力，与初始压力对比，在数据稳定的情况下缓慢泄压；
（2）根据母管压力设置压力高连锁，炉膛温度不超过700℃时，切断全部切断阀，开启母管排空；对全部调节阀、气动阀进行远程确认，使压力表处于正常状态，最后利用氮气替换整个氢气管线，将两个隔离门闭合后，调试与准备工作全部完成。
2.2送、停气操作：
（1）氢气送气前氢气管路通氮气置换合格。从烧碱车间总管管道上的充氮口充氮气，至电厂燃烧器前排空置换至含氧≤0.8%，关闭充氮阀，氮气置换完成。电厂局部置换，打开各支路放散，从电厂母管快关阀后及各支管输送进氮气，直至完全排空原有空气，遇动火检修工作需操作重复置换两次。
（2）确认氢气手动碟阀打开，排空阀打开，进行氢气管道氢气置换，并进行取样分析，直至氢气置换管道内氮气至合格。（注：分析氧含量小于0.5%、氢气纯度≥99%，且连续分析三次结果符合指标要求）
（3）确认氢气置换管道合格后，按以下步骤投用氢气燃烧器：
1)打开母管手动快关阀和气动快关阀；
2)开启燃烧器前手动快关阀，静置5-10分钟，观察管道压力是否符合要求，派专人持便携式氢气泄露报警仪到各燃烧器区域检测是否有氢气泄露，绝对无泄露才能投运氢气燃烧器。
3)开启氢气燃烧器气动调节阀10%开度，打开气动快关阀，观察燃烧器出口着火情况，火焰燃烧正常慢慢调整燃烧器气动调节阀氢气流量为1600Nm3/h-2500 Nm3/h之间，根据氢气管道压力和供应量调整阀门开度，保持单只燃烧器出力为1600-2500Nm3/h范围之内，燃烧器前管道压力不小于15kPa（以流量为主）。
4)根据燃烧的氢气量，尽量投用对角燃烧器，如总氢气量小于5000Nm3/h时，只需投用2只氢气燃烧器，长时间运行时，需经常切换对角燃烧器。
5)燃烧过程中，一旦发生燃烧器灭火情况，要立即关闭燃气阀气动调节阀，打开放散阀，用氮气吹扫置换。分析出灭火原因并能解决后，再按操作规程投用氢气燃烧器。
6)燃烧器喷口布置有铠装热电偶，可检测喷口温度，燃烧器还布置有紫外光火检，用以检测燃烧是否有火。当喷口温度超过正常值时较大时（起炉运行后数值），有可能是喷口浇筑料损坏或喷口结焦严重，需仔细检查，必要时停炉检修。
（4）正常停气操作
1）关闭气动快关阀和调节阀，关闭手动蝶阀。
2）完成停气操作，缓慢打开充氮阀，氢气管道充氮气保压（30kpa~40kpa）。
2.3安全保护措施
因为氢气无色、无臭、无味，氢气比空气轻，氢气与空气混合容易形成爆炸性混合物等特性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆锅炉掺烧氢气必须完善其安全保护系统。
（1）必须在锅炉稳定运行工况，且炉膛温度大于850度后再进行氢气掺烧，确保送入的氢气彻底燃烧干净；
（2）燃烧器前设置监控装置，确保气体流出速度大于火焰传播速度，防止“回火”。另外，每个燃烧器还设置阻火器，进一步防止产生“回火”。
（3）联锁保护。在锅炉异常运行(MFT)、火焰检测无信号、氢气压力过低时，都必须进入联锁程序，紧急切断氢气，打开放空阀，开启氮气置换。
（4）静电消除。氢气管道所有阀门，仪表均进行静电跨接，并且接地，有效地避免静电摩擦产生火花，防止引起爆炸。另外，氢气管道设置高空放空装置以及防雷设施。
（5）氢气报警装置。为防止氢气管道、法兰等泄漏时造成爆炸火灾事故，在燃气管道操作台上安装固定式氢气报警仪，并将声光报警信号接入控制室。同时，还配备了便携式氢气报警仪，方便巡检人员检查设备管道是否有泄漏情况。一旦报警仪报警，及时进行处理。
（6）设有氢气燃烧安全保护系统，它能在锅炉正常运行和启动、停止等运行方式下，通过连锁使氢气燃烧系统中有关部件按照既定的合理程序完成必要的操作或处理未遂事故，以保证锅炉炉膛及燃烧系统的安全，它将在防止由于运行人员误操作及设备故障时引起的人身伤害、设备损坏方面起重要保障作用。
（7）锅炉区域侧氢气管道设分析取样口、吹扫口，置换用惰性气体管道设分析取样口，供人工取样分析。置换气体采用氮气，其中氧气的体积分数不超过3％。氢气系统内氧或氢含量至少连续2次分析合格，氨的体积分数小于或等于0.4％ 时置换结束。
（8）氢气管道施工及检验符合国家相关规定，它包括在材料招标、施工工艺、及施工结束强度试验、气密性试验、泄漏量试验。
（9）厂区管道设置切断阀及放散阀，传动方式均为气动，在危机状况下，切断外来气源并将厂区氢气快速放净。
（10）氢气管道投运及检修严格按照规范用氮气进行吹扫和置换，合格后投入使用和检修。
（11）在锅炉爆炸危险性区域内的电气仪表选用防爆型或隔爆型。
3、掺烧氢气对锅炉性能影响分析
基于不同掺烧比例的混合燃料，在原设计边界条件的基础上，进行BMCR工况下不同掺烧比例的锅炉热力计算。从热力计算结果中可以看出：
（1）BMCR工况下，锅炉主汽、再热汽温均能达到原设计值；从锅炉各级受热面的烟温水平和汽温水平来看，掺烧氢气方案与纯燃煤工况基本持平，说明原设计锅炉受热面的壁温水平满足掺烧氢气的要求，锅炉受热面不需要改造；
（2）锅炉效率（按低位发热值）随掺烧比例的增加，氢燃烧损失逐渐增加锅炉效率逐渐降低，呈反比关系，随着掺烧比例提高，锅炉效率（按低位发热值）逐步降低；
（3）随着掺烧氢气比例增高，过热器与再热器喷水均增加；
（4）锅炉排烟温度随着掺烧比例增加而略有升高。
4、回收效果
氢气在燃烧时低位发热值为10794kJ/Nm3，因含有少量甲烷，综合热值约2979 kcal/Nm3，假设为电厂锅炉输送5000Nm3/h的氢气，则每年（按8000小时）可燃烧40000000Nm3氢气，每年可节约的标煤为17022吨。现阶段，煤炭的标煤采购价为900元/吨，掺烧氢气每年可节约的费用为1532万元，可见具有较高的经济效益。
结论：综上所述，经过充分的准备与调试运作，在多项安全措施的保障下，最终使锅炉掺烧氢气成功的运送到电厂中，并得到有效利用。通过此种方式，可使锅炉设备利用率与整个电厂的经济效益得到显著提升，这是对二次能源回收利用的成功尝试，值得推广应用。
参考文献：
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论文作者:章锡强
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第6期
论文发表时间:2020/5/9