2016年氢气锅炉可行性研究

PAGEPAGE1钢城集团科研项目可行性研究报告编号：项目名称：氢气锅炉可行性研究报告项目单位：攀枝花钢企欣宇化工有限公司合作单位：/编制时间：2016年11月目录1、总论 11．1概述 11．2项目提出的背景 12、蒸汽使用现状 12．1蒸汽装置情况 12．2蒸汽需求情况 23、燃氢锅炉规模 33．1氢气量计算 33．2燃氢锅炉规模 44、建设燃气锅炉技术条件分析 54．1氢气管道核算 54．2氢气洗涤塔核算 64．3氢气压缩机组 64．4锅炉水处理 64．5氯碱氢气系统控制 74．6其他公辅条件 74．6建设条件分析结论 75、燃氢锅炉系统 85．1燃氢锅炉系统 85．2燃氢锅炉生产厂家 105．3立式锅炉和卧式锅炉比较 146、原辅料、选址和人员 166．1原辅料供应 166．2动力供应 166．3选址和消防 166．4定员 177.项目施工方案 177．1建设手续 177．2项目施工组织 178、投资估算及资金筹措 188．1投资估算 188．2投资说明 189.财务分析 199．1生产成本 错误!未定义书签。9．2效益分析 错误!未定义书签。10、结论 20即1吨折百42%碱需蒸汽量为：0.9523×0.65=0.6190吨即1吨折百48%碱需蒸汽量为：1.25×0.65=0.8125吨2011年蒸发用蒸汽量：10599×0.6190+9791×0.8125=14515吨,占80%2012年蒸发用蒸汽量：18499×0.6190+17820×0.8125=25929吨，占78%2013年蒸发用蒸汽量：10520×0.6190+5542×0.8125=11014吨，占42%3、蒸汽需求分析 根据上面分析，全年蒸汽耗量在3万吨左右，按照目前外购蒸汽价格135元/吨，2012年是450万，2013年357万，2014年306万元。2013年因碱产量减少，42%和48%碱少，故总蒸汽量少，但是其它点蒸汽量比重大幅度增高，占到58%。可能有两个因素：一是当蒸汽不大量使用蒸碱时，蒸汽在管道内转化成冷凝水耗掉增加；二是2013年开氯酸盐分解时间增加。其他蒸汽耗量按照前2年比重扣除后，多耗蒸汽量如果按照30%计算，约26479×30%×135=107万。当开三台电解槽时，蒸发岗位蒸48%碱用蒸汽4.98吨/小时，蒸42%碱用蒸汽3.79吨/小时。3、燃氢锅炉规模3．1氢气量计算电解槽每天产碱量（效率92%，吨）（1）一台电流12.2KA：1.492×122×12.2×0.92×24/1000=49.033吨折百碱（2）两台电流12.2KA：49.033×2=98.066吨折百碱（3）三台电流12.2KA49.033×3=147.099吨折百碱电解槽每天产氢气（Kg）80：2一台：49.033/40×1000=1225.825

Kg/天=51.08Kg两台：98.066/40×1000=2451.65Kg=102.15三台：147.099/40×1000=3677.475Kg=盐酸合成炉每天消耗氢量（1）年产盐酸按3万吨考虑，30000×1000×0.31÷36.5÷330=772.105Kg/天=32.17（2）年产盐酸按5万吨考虑年产盐酸5万吨时：50000×1000×0.31÷36.5÷330=1286.84Kg/天=53.62剩余氢气量开一台电解槽时：1225.825-772.105=453.72Kg/天每小时：18.9开两台电解槽时：2451.65-772.105=1679.545Kg/天每小时：69.982451.65-1286.84=1164.81Kg/天每小时：开三台电解槽时：3677.475-772.105=2905.37Kg/天每小时：3677.475-1286.84=2390.635Kg/天每小时：99.61剩余氢气标况流量Nm3/h1摩尔氢气，体积22.4L，质量2g，1000摩尔氢气，体积22.4m3，质量也就是说2Kg氢气在0℃,101Kpa下，体积剩余氢气标况流量Nm3/h：开一台电解槽：18.905/2×22.4=211.74Nm3/h即：0—211.74Nm3/h开两台电解槽：48.534/2×22.4=543.58Nm3/h69.981/2×22.4=783.79Nm3/h即：543.58—783.79Nm3/h开三台电解槽：99.61/2×22.4=1115.63Nm3/h121.96/2×22.4=1365.95Nm3/h即：1115.63—1365.95Nm3/h汇总如下表：分项产氢气盐酸消耗量剩余氢气量可产蒸汽Kg/hKg/hKg/hNm3/小时吨/h一台电解槽51.0832.17—51.080—18.910—211.74—两台电解槽102.1532.17—53.6248.53—69.98543.58—783.791.94—2.8三台电解槽153.2332.17—53.6299.61—121.961115.63—1365.953.98—4.883．2燃氢锅炉规模根据热值计算氢气热值143kJ/g，即143000kJ/Kg，1.0Mpa蒸汽热焓2777.67kJ/Kg，剩余氢气量最大121.96Kg/h，每小时可产蒸汽量为：121.96×143000×75%/2777.67=47019Kg=4.7厂家提供资料根据厂家提供资料，280Nm3/h产蒸汽1吨，每小时可产蒸汽量为：1365.95/280=4.88吨燃氢锅炉规模根据计算，最大可产蒸汽4.88吨/小时，选择6T/h的锅炉。可产蒸汽费用计算产蒸汽费用计算不采用8000小时，也不采用最大负荷计算，而是按照氯碱实际生产负荷计算，这样计算结果符合目前生产实际。按年计划产量40000吨折百碱考虑，按照目前三台电解槽规模，生产时间为6400小时，产蒸汽3.98—4.88吨/小时。6400×3.98=25472吨，6400×4.88=31232吨25472×135÷10000=343.872万元，31232×135÷10000=421.632万元故年可节约蒸汽费用343.872—421.632万元。4、建设燃气锅炉技术条件分析4．1氢气管道核算根据《GB50177-2005氢气站设计规范》碳素钢管中氢气最大流速规定为：设计压力Mpa最大流速（m/s）备注﹥3.0251.0-3.015﹤1.0按照压力降确定一般取8-12m/s。根据上面计算三台电解槽产氢气量153.23Kg/小时，即1716.176Nm3/h，0.4767Nm3/S电解水封后氢气到洗涤塔，温度85℃，6Kpa，101×0.4767×(273+85)/(273×107)=0.59管道DN150，流速33.40管道DN200，流速18.79m/管道DN250，流速12.03m管道DN300，流速8.35m/S所以根据上面计算，可知原氢气总管到氢气洗涤塔前DN150不适合，应选用DN250以上的管道，目前该管道已改成了DN300。经洗涤塔冷却除水除杂后，温度45℃，6Kpa，101×0.4767×(273+45)/(273×107)=0.5241管道DN150，流速33.40m/S，管道DN200，流速18.79m/S，管道DN250，流速10.68m/所以根据上面计算，可知氢气洗涤塔到氢气压缩机入口DN350适合，但氢气压缩机入口DN150不适合，采用DN250。氢气压缩后，温度45℃，100Kpa，101×0.4767×(273+45)/(273×201)=0.279m管道DN125，流速22.75m/S管道DN150，流速15.8m/S管道DN200，流速8.89m/S所以根据上面计算，可知氢气压缩机出口DN100不适合，应采用DN200。氢气压缩后，氢气分配台至锅炉，最大流量为1365.95Nm3/h，即0.3794Nm3/S，温度45℃101×0.3794×(273+45)/(273×201)=0.222m管道DN125，流速18.1m/S管道DN150，流速12.57m/S，所以根据上面计算，可知原电解至氯氢处理的氢气主管（DN150），可以作为氢气分配台至燃氢锅炉的返氢管道。4．2氢气洗涤塔核算根据氢气锅炉要求，为确保氢气燃烧稳定，氢气压力应为0.05-0.20MPa，质量分数必须达到≥92%。氢气工况流量0.59m3/S氢气洗涤塔进口DN400（现在是变径DN150×400，过小，应恢复原进口管道直径），出口DN350，接口适合。氢气洗涤塔直径￠1600，填料高度2500，两层，采用￠50PP十字球环，洗涤循环液DN125，泵流量Q70m3/h，换热器面积F17.1m2。计算洗涤过程复杂，但我们可以通过氯气洗涤塔进行对比：氯气工况流量101×0.56942×(273+85)/(273×100)=0.7542m3氯气洗涤塔￠1800，填料高度2500，两层，采用￠51CPVC花环；洗涤循环液DN150，泵流量Q88m3/h，换热器面积F26.04m2。氢气洗涤塔应能满足要求。4．3氢气压缩机组现在氢气压缩机YLJ-500/3.0两台，单输送能力500Nm3/h，YLJ-1250/3.0一台，输送能力1250Nm3/h。同时开启YLJ-500/3.0、YLJ-1250/3.0各一台能满足电解氢气1716.176Nm3/h要求。考虑到备用，建议增加一台YLJ-1250/3.0氢压机。冷却器采用冷冻水作为冷却介质，降低温度，可减少氢中含水，这样氢气压缩后水雾捕沫器￠1500×4500，能满足要求。4．4锅炉水处理锅炉水处理必须引起足够的重视。现在氯碱循环流化床锅炉采用树脂吸附处理生产水，一塔运行一塔再生，处理规模小，手动操作，生产水没有经过预处理，效果不理想。锅炉给水由两部分组成：生产水软化处理后水和蒸汽冷凝回收水，再经除氧器除氧后进入锅炉。蒸汽冷凝液回收水量跟蒸汽使用情况相关，对氯碱各使用点蒸汽情况进行调查，只有I效蒸发器的冷凝水不含碱和盐回到锅炉，其他如E153、氯酸盐分解等都不具备冷凝水回收条件，蒸发冷凝液受槽的水含碱到一次盐水。根据前面2013年蒸发用蒸汽分析，蒸发占蒸汽量40%，回收水量只是一小部分，并不能保证蒸发岗位连续运行，因此，锅炉水处理装置设计水量应能满足锅炉需水要求。按照6吨/h锅炉，需要耗水6.5吨，在不计算回收水的情况下，生产水的处理装置应该能达到7吨/小时。生产水软化处理采用过滤+离子交换树脂，需要专门设计。4．5氯碱氢气系统控制调节阀PIC226根据压差调节P227压力在，氢压机回流调节阀PIC601进氢处理前压力，电解放空阀PICA228根据设定值保持放空压力；结合电解放空阀P228和氢回流调节阀PIC601能保持氢气系统的正压和稳定，连锁停时ZV227切换到PIC228放空。盐酸放空阀PIC802根据设定值保持进炉的压力。PICAPICA228去合成水封氢压机PIC226压差计算PIC601P227P601ZV227氢气PIC802为了保证燃氢锅炉的氢气，电解PIC228应完全关闭，氢系统压力稳定依靠氢压机回流PIC601调节阀（同氯气系统调节方式）。但是，在遇到单槽连锁停仍有一电解槽在运行时，氢气量瞬间骤减，为了保证系统压力，PIC601调节阀回流会开大，这样容易引起盐酸和燃氢锅炉熄火。此情况不同于氯气系统，氯气因跟液氯贮槽相连，仍能保证盐酸处的氯气压力和氯压机的回流量。因此，上燃氢锅炉后，如何保证氢气系统的正压和压力稳定，需要借鉴其他公司的控制方式和经验。4．6其他公辅条件燃氢锅炉需要其他工作介质如下表：序号名称规格用途1瓶装液化汽点火时用2氮气≥0.3Mpa，DN40置换3压缩空气≥0.4Mpa，DN40吹扫4仪表空气≥0.6Mpa，DN32调节阀压缩空气、仪表空气和氮气管网可以就近岗位上接入，瓶装液化汽攀枝花能购买到，不需要上其他装置。4．6建设条件分析结论 根据前面的分析，建设燃氢锅炉需增加氢气压缩机组一套和锅炉水处理，并对氢气系统的控制方式做全面分析。因氢气管道属于特种设备的压力管道和氯碱系统做工艺变更，设计方面燃氢锅炉装置由供货方设计，厂区内的氢气工艺管线等由设计院进行设计。5、燃氢锅炉系统5．1燃氢锅炉系统 燃氢锅炉由以下几部分组成：见工艺流程图：（1）给水系统 水处理后的水和冷凝液回水进入软水箱，用泵打到除氧气器，在除氧气器中用蒸汽加热升温析出氧气后，用加压泵进预热器（跟烟气交换热）进入锅炉汽包，通过冷水壁产生蒸汽后回到汽包，蒸汽进入蒸汽分配台。（2）锅炉主体 含预热管、锅炉汽包、烟道、钢支架等。锅炉本体含有上下两个纵置汽包，上下汽包间有胀接对流管束，对流管束对面与两侧受热面采用膜式水冷壁共同围成燃烧室（见图1和图2）。燃烧室呈立方体形状，底部筑有一层5cm厚耐火高温浇注料，燃烧器四周也有一层环状浇注料，以保护膜式受热面承受燃烧器高温侵蚀。由于锅炉本体由对流和辐射两部分组成，炉膛空间大，燃烧充分，炉膛内的简单结构可确保没有残余氢气滞留。 （3）燃烧器 燃烧器是燃氢锅炉的关键设备，如上图。进入燃烧器的管路有氮气、氢气、天然气，点火用天然气四条管路，皆用柔性软管与器内正中间的总进气管路相连。由鼓风机送入的空气通过环状分配管和汽轮机叶片状导向叶片被均匀地呈螺旋状进入炉膛并与燃料气均匀混合。点火燃料从燃烧器中心进入炉膛内部，而电子脉冲点火枪离燃烧器中心有一段距离，靠近燃料分配管边缘。点火燃烧的火焰由紫外线探测仪负责检测，点火火焰随鼓风机送入的空气呈螺旋状分布于进气管路附近，就像狐狸的尾巴在摆动。另一火焰检测器距离燃烧器中心较远，负责检测主火焰。2个紫外线探测仪方向性很强，必须保证探测方向正对点火火焰，否则就会由于检测不到火焰而发生停止点火过程的情况，即使用肉眼已经观察到火焰也无济于事，因为锅炉的BMS是否继续进行下去完全依赖于仪表监测结果或监测数据。两个主火焰监测器与点火火焰检测器在点火过程的监测数据体现在BMS控制柜上就是0-100%的数值。正常情况下点火检测器只测量点火火焰。主燃料燃烧后两个检测数值同时为100%，表明点火过程成功。实际工作中，经常发生因两监测器引线接反、探测器未对准、波长调整偏差等情况而出现的点火困难，此时会出现监测器指针剧烈波动的现象，如果不能得到稳定将导致点火失败。由于上述情况曾多次出现，必须引起足够重视。（4）控制系统 包含仪器仪表、控制阀和智能性控制柜等。5．2燃氢锅炉生产厂家 根据前期了解的有三个厂家：重庆重锅锅炉有限公司、杭州特富锅炉有限公司、上海德洲科技发展有限公司和南京新丰工业锅炉有限公司。杭州特富锅炉和上海德洲科技以前是合作单位，后由于各种原因分家，特富本身就是做锅炉的，德洲没有制作锅炉的条件，都是经营进口燃烧器；南京新丰工业锅炉有限公司是中韩合资企业，燃烧器主要是进口的，锅炉本体自产；重庆重锅氢气锅炉室经过燃气锅炉改造而来的，这从他们的供货范围也可以看的出来。以前氯碱企业使用最多是立式底烧单回程的10t/h氢气锅炉，以浙江特富生产的居多，这类锅炉的安全性比较高，基本不会出任何安全问题，但这种锅炉又高又大。现在已经发展成第四代技术，由燃烧器和炉窑系统、氢气输送和氢气收集处理系统、仪表控制系统和炉窑系统组成，逐步开始有卧式锅炉。四家单位最初报价分别如下：杭州特富锅炉氢气锅炉分项报价10吨（2015年前报价）序号主要部件型号及规格制造商单价数量小计备注说明或参数（台/套）一主机部分1锅炉本体浙江特富18800002预热器浙江特富134000带控制3分汽缸浙江特富112000Φ5004小计926000二辅机1燃烧器特富专配1680000氢气炉专配2钢架平台扶梯2300003一次仪表阀门600004电器控制柜和仪表控制系统特富专配1460000特富专配5鼓风机风力嘉142000防暴电机6取样器专配230007锅炉给水泵恩达泵业224000防暴电机8除氧器江苏华宇专配162000除氧控制柜180009除氧水泵恩达泵业专配29000防暴电机10全自动水处理专配180000双罐流量11连续排污扩容器荣达专配11200012鼓风烟道6米1200013烟囱8米22000DN800小计1704000三设备运输就位146000卸货就位四安装部分1电气仪表、安装材料、电线及锅炉至电控柜的电缆特富专业锅炉安装公司1500000交钥匙工程（包括办证费用交特检院的费用）2锅炉管道、锅炉保温材料、防腐3安装、调试、代办办证、培训五总计3176000上海德洲科技发展有限公司（2015年前报价）序号项目名称数量总价产地/品牌1总价含燃氢蒸汽锅炉炉体（6t/h，1.25mPa）、锅炉一次仪表阀门、特种燃氢燃烧器（原装进口分体型）、控制系统（PLC+PC）、人员流转、现场施工指导、开车调试、操作培训等不包含辅机设备1套1,520,000.00上海德洲2运输费1台代办托运德洲水国3氢气收集、管道敷设、系统安装及施工材料、鼓风机、除氧器等辅机1套约300,000.00用户自理合计：约RMB：1,820,000.00（大写人民币：=1820000\*CHINESENUM2壹佰捌拾贰万圆整）重庆重锅锅炉有限公司2016年3月6吨氢气锅炉报价序号主要部件型号及规格制造商单价数量（台/套）小计备注说明或参数一主机部分1锅炉本体SZS6-1.25-Q氢重锅公司76176含燃烧室,平台扶梯,泄压门2节能器JNQ6-QW重锅公司5.015.03冷凝器LNQ6－QW重锅公司8.618.64分汽缸FGφ600×2350×12重锅公司1.311.3含分汽缸阀门5锅炉消音器重锅公司0.710.76小计大写：玖拾壹万陆仟元整91.6二辅机1天然气/氢气两用燃烧器6t/h配套重锅配套56.0156.02电器控制柜和仪表控制系统6t/h配套重锅配套28.028.0含变频控制3鼓风机6t/h配套重锅配套2.312.3含变频4引风机6t/h配套重锅配套2.812.8含变频5仪表阀门箱6t/h配套重锅配套4.614.66取样器6t/h配套重锅公司0.120.2炉水蒸汽各1只7锅炉给水泵6t/h配套南方泵业1.222.48热水循环泵6t/h配套南方泵业0.4520.99电源动力柜6t/h配套重锅配套4.014.0含变频控制10水封箱及附件6t/h配套重锅配套1.0011.0011鼓风烟道6t/h配套重锅公司0.8010.8012引风烟道6t/h配套重锅公司0.910.9013烟囱15m重锅公司2.012.0014氢气缓冲罐1立方重锅公司2.812.815定期排污扩容器随机配套重锅公司1.811.816脱盐水箱10立方重锅公司2.212.217汽、水管道随机配套重锅公司3.113.118小计大写：壹佰壹拾伍万捌仟元整。115.8三设备运输含下车就位费4.214.2四锅炉房设计10五安装部分1电气仪表、安装材料、电线及锅炉至电控柜的电缆1﹑整个锅炉系统用电负荷容量为75KW。重锅配套15115供方所供设备之间连接的电缆由供方承担，系统外的电源电缆、现场桥架由买方提供2安装、调试、办证、培训费六工程总包共计人民币大写：贰佰叁陆万陆仟元整236.6南京新丰工业锅炉有限公司2016年3月6吨氢气锅炉报价燃氢锅炉供货报价分析：（1）上海德洲科技和杭州特富锅炉报价为前期（2015年前）调研报价，可比性较差，2016年找这两家单位报价时，未予回复。（2）重庆重锅锅炉有限公司和南京新丰工业锅炉有限公司的报价为2016年3月份所报，但不含水处理系统和氢气处理系统费用。（3）四家单位均不含土建费用，土建内容包括基础、操作控制室。（4）预计总费用约585万元5．3立式锅炉和卧式锅炉比较比较如下表：序号项目卧式立式比较卧式立式1锅炉结构组成上下二个锅筒纵置式单锅筒对流循环好，汽室大，蒸汽含水量小，液位波动平稳、容易控制，热交换面布置合理对流循环差，汽室小，蒸汽含水量大，液位波动很大、难控制，热交换面布置无法合理两回程单回程烟气流程长，热损小，热效率高，90%~92%烟气滞留时间短，热损大，热效率低，≤85%水管式火管蒸汽出汽快，7～8分钟就可以出汽，使用寿命20年，检修成本低，检修简单，局部更换就可15分钟才出蒸汽，使用寿命10～12年，检修困难、成本高，应力不均匀，必须整体更换燃烧器侧装燃烧器底装安装位置便于观察，便于安装维修和保养，不会由于炉膛内异物掉落影响正常燃烧安装、维修和保养难，操作不便，容易由于炉膛内异物掉落往下影响正常燃烧膜式壁结构上升管、下降管、火管与底部环形集箱热交换面布置合理，炉内循环良好热交换面布置不合理，炉内循环不良2炉膛燃烧室膜式壁全封闭耐火混凝土浇筑密封性好，充分吸收热量，保温性能好，火焰充满度好，锅炉受热均匀，NOx排放易设计控制，一般为100ppm以下（50ppm以下需特别设计），锅炉效率高容易烟气泄漏，必须现场浇筑，对现场施工质量要求高，有热量损失，保温性能差，需要现场较复杂工艺的烘炉操作才能使用，火焰充满度差，锅炉受热不均匀，锅筒底部管板容易过热变形，NOx排放设计控制难度很大，排放量大，大于100ppm3制造成本有/抗风抗地震要求制造成本低比卧式高60%4安装整机出厂，现场无需拼装分几段出厂，必须现场施工拼装工作量小，方便，安装周期短，费用低同心度要求高，难度很大，工作量大，安装周期长，费用高，比卧式大100%5运输结构紧凑体积小，重量轻，整机安装在底部支架上，整体运输与卧式相反方便运输和安全，费用低需要几段运输，超长，不方便和不安全，费用高6安装基础炉体重量由4根工字钢呈“井”字横卧地面，承受无需特别处理炉体重量由4根钢筋混泥土立柱支撑，应力非常集中，必须严格的预埋打桩和地面接触面大，基础要求低，只需要考虑地面的承载和平整度就可，简单，成本低对基础的抗震、抗风、垂直度要求高，设备重量全部在4根基桩上，承载要求很高，复杂，成本高7排烟温度150℃～240℃～热损小热损高8结论卧式锅炉与立式锅炉相比较，在制造成本、热效率、安装成本、施工、操作运行和管理等各个方面有绝对优势，卧式锅炉已成为燃氢蒸汽锅炉的换代产品，替代老式的立式结构。通过上面的对比，氯碱采用卧式锅炉比较适合。6、原辅料、选址和人员6．1原辅料供应本项目使用的主要原料电解氢气，三台电解槽运行时最大剩余量1365.95Nm3/h,用管道进行输送。原料、产品动力能源消耗平衡序号原料数量来源用途1氢气1365.95Nm3/h自产燃料2生产水6.5吨/h厂内管网锅炉用水3蒸汽(0.5-0.8MPa)4.9吨/h给厂内供汽4电75kw/h提供动力5氮气少量厂内管网置换6液化气少量外购点火7压缩空气少量厂内管网吹扫8仪表空气少量厂内管网控制6．2动力供应用电设备主要为给水泵和助燃风机，采用欣宇现有供电系统，用电负荷最大75kw/h。锅炉用水量6.5m3/h，所需水压为0.45Mpa，欣宇供水系统能满足要求6．3选址和消防根据其他厂的建设，燃氢锅炉占地25m×1氯碱车间锅炉工序外废料场比较适合建设燃氢锅炉，远离生产区，初步定在锅炉工序外废料场。氢气属于易爆，应配备氢气报警仪，消火栓数量为2个，厂房按防火规范设计和施工。6．4定员不需要单独设立班组，挂靠氯碱车间蒸发班。由于自动化程度高，设操作人员每班1人，共4人，能满足倒班要求。7.项目施工方案7．1建设手续1、环境审批《中华人民共和国环境影响评价法》：锅炉房项目必须先进行环评环评内容包括：（1）选址的环境合理性分析；（2）生产工艺流程分析；（3）主要污染物及达标排放分析；（4）环境保护措施；（5）总量控制指标；（6）选址要求不能对环境敏感区产生影响，总量控制指标符合要求，环保措施的有效性分析。符合包含以上内容的环评批复文件（环评报告书、表、登记表）后，锅炉房才