余热锅炉方案设计.docx

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余热锅炉方案设计

余热锅炉方案设计

[摘要]　结合硫磺制酸再生烟气的特性,论述了用于这种烟气余热回收的余热锅炉设计特点和应当注意的问题.指出采纳螺旋肋片管可使锅炉结构更为紧凑、传热成效更为理想。

在设计中应充分考虑受热面的结构设计，包括锅水循环系统应选用简单回路和锅炉钢管的选择。

积灰会大量的降低锅炉的效率，故积灰的避免和清除超级重要。

应采纳返烟方法以降低锅炉入口烟温、利用附加剂、从锅炉结构设计上考虑避免积灰，清除积灰的方式有吹灰和振打。

侵蚀是阻碍余热锅炉寿命的重要缘故，它一样分低温侵蚀和高温侵蚀。

低温侵蚀的特点是均匀性的侵蚀，它使管壁厚度慢慢减薄以至破裂。

高温侵蚀的特点是局部性溃疡性侵蚀，它使管子因管壁穿孔而破坏。

重点论述了低温侵蚀和高温侵蚀的形成缘故和避免发生高温侵蚀和低温侵蚀的设计、余热锅炉的热负荷不稳固性、锅水循环方式、振动和磨损问题，还有余热锅炉要紧部件即过热器、蒸发器、省煤器的改造设计方案,以保证余热锅炉的正常运行。

[关键词]　余热锅炉,螺旋肋片管,低温侵蚀,积灰，方案设计

Designofwasteheatboiler

Abstract:

Combinationwiththecharacteristicsofthecatalyticcrackinggas,discussingthecharacteristicsofdesigningofwasteheatboilerthatusedforwasteheatgasrecoveringandtheproblemsthatshouldpayattentionto.PointingoutthatadoptingofSpiral-finnedtubecanmaketheboilerconstructionmoretightlyandtheeffectoftransmittingheatmoreideal.Inthedesign,weshouldconsidertheconstructionthatisdesignedbyhotwell,thewatercirculatorysystemshouldusethesimplebacktrack,chooseboilersteelpipe.Depositioncandepresstheefficiencyofheatboilergreatly.Soclearingandpreventingtodepositionisveryimportant,weshouldadopttoimprovingthespeedoftheboilersmoketoboostuptheabilityofcleaningthedepositionitself.Corrosioncanreducethenaturallifeofheatboiler,anditincludelowtemperaturecorrosionandhightemperaturecorrosion,thecharacteristicsoflowtemperaturecorrosionisanevenandsexualcorrosion,itmakethethicknessofthepipereducegraduallythinthentobreak.Thecharacteristicsofhightemperaturecorrosionisapartialulcercorrosion,itmakepipebrokenbecausethetubewallboreshole.

Keywords:

Wastehestboiler,Spiral-finnedtube,Lowtemperaturecorrosion,Deposition

1设计前提．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

余热锅炉的设计条件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.3

余热锅炉设计条件说明及分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.4

2余热锅炉的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

过热器结构尺寸计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.5

蒸发器的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

过热器的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

省煤器的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

设计结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

3设计中需要考虑的其它问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

受热面烟气流速的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.9

积灰的避免和清除．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

侵蚀．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.10

磨损问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.．12

4小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

5参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..15

附录：

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附录1设计原始数据及要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..16

附录2过热器段计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..19

附录3蒸发器段计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..21

附录4省煤器段计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..23

附录5阻力较核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.....25

附录6方案布置及说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28

1设计前提

余热锅炉的设计条件

某磷矿公司硫磺制酸工艺中产生的再生烟气,原送入武汉锅炉厂生产的ＣＯ锅炉中加以余热回收。

该锅炉为双汽包横置式中压锅炉,其受热面由省煤器、对流管制、水冷壁及高、低压过热器组成.原设计是利用再生烟气中可燃气气体ＣＯ（Ｖ=%）在燃料油的补燃下,回收烟气的显热和化学能。

随着该厂完全再生技术的应用,催化裂化烟气中的可燃气体含量降低（ＣＯ≈%）,回收化学能已无实际意义，而是在不补燃的条件下,将再生烟气直接引入ＣＯ锅炉,利用锅炉的原有受热面回收烟气中的显热。

由于烟气参数与原ＣＯ锅炉设计条件相去甚远,只能产生/200℃的低压蒸汽7～8ｔ/ｈ,造成了大量的能源浪费。

由于余热锅炉依如实际的烟气参数设计,能充分回收烟气的热量,因此国内催化裂化工艺中的ＣＯ锅炉已慢慢被余热锅炉所取代。

表1列出了余热锅炉的设计条件。

表1余热锅炉设计条件

参数单位数值

正常烟气流量m3/h105，000

最大烟气流量m3/h112，000

平均烟气温度oC535

SO3%

SO2%

N2%

O2%

H2O%8

给水温度oC104

给水压力Mpa

过热蒸气压力Mpa

过热蒸气温度oC450

许诺烟气阻力pa2050

余热锅炉设计条件说明及分析

在设计烟气余热锅炉时,第一应充分考虑到其特殊性.

（1）再生烟气中含有硫氧化物ＳＯｘＳＯｘ的含量达1/10000.依照体会,再生烟气中ＳＯ3的含量占ＳＯｘ的总量约10%.因此其酸露点温度可达130～150℃,高于余热锅炉的进水温度104℃,有可能造成低温侵蚀

.

（2）再生烟气中含有催化裂化粉尘,其含尘量在120～160ｍｇ/ｍ3,其中90%以上粉尘粒度小于20μｍ,由于分子引力和静电引力的作用极易附着在受热面上形成松散性积灰,从而阻碍传热成效。

（3）余热锅炉处于微正压下运行（2500～3000Ｐａ）炉体密封问题相当重要,不然烟气外漏,将污染周围的环境.设计中尤其要考虑余热锅炉在启停进程中由于热应力的作用造成的余热锅炉泄漏问题。

（4）再生烟气的烟温较低（535℃）,而用以生产中压中温蒸汽ＭＰａ/450℃）,二者之间温差较小,依照热工学公式:

Ｑ=ＫＨΔｔｍ,在必然的传热量Ｑ下,假设传热温差Δｔｍ较小,必需强化传热以增加传热系数Ｋ,但传热系数Ｋ在对流换热的条件下（例如烟气流速必然）,其增加量受到限制.因此,再生烟气余热锅炉的受热面必需采纳扩展受热面代替光管以大幅度地增加传热面积Ｈ。

2余热锅炉的设计

受热面的结构设计

顶部入口的烟速可取8～15m/s，有的还要大些。

因为从顶部进入时，炉内烟气动力场容易组织，对烟尘的分离和沉降也有益处，同时也可缩小入口烟道的尺寸。

烟速高也能够减小烟尘在烟道中的沉降，从而减轻烟道中的积灰。

入口截面的形状一样采纳圆形。

锅水循环系统应选用简单回路。

所谓简单回路是指回路中没有和其它回路共用的管件。

循环回路应按受热面强度相差不大的原那么来划分区段。

将各区段的锅水循环系统配置成有独立的下降管和上升管的简单回路。

当烟气有爆炸的可能性时应设有专用的防爆门。

受热面结构设计是在锅炉炉型、参数、水循环方式和设计所需的基础数据确信了的基础上进行的。

受热面是锅炉要紧组件之一。

是锅炉的核心部份。

它关系到传热性能的好坏，水循环是不是靠得住，烟气动力场组织是不是合理，和为它效劳的元件可否适应等等。

在作受热面结构设计时，应注意以下问题。

锅炉钢管的选择余热锅炉的工作压力一样为中、低压，很少用高压。

入口烟气温度一样最高只是900～1200℃，因此它的蒸发受热管及水冷壁管可采纳低碳钢锅炉钢管。

在特殊情形下及高压余热锅炉中，应选用锅炉用高压无缝钢管。

管径的选择要紧受两个因素的阻碍，即锅炉水循环的平安性及受热面的制造本钱。

如选用管径过小，会增加锅水循环的阻力，降低水循环倍率，当强制循环时会增加循环水泵的电耗量。

如选用管径过大，会增加受热面的制造本钱。

一样来讲，关于中、低压的自然循环余热锅炉，常选用的钢管内径为40～60mm。

循环回路高度大时，可选较小的管径；反之，应选较大的管径。

关于强制水循环锅炉，辐射室内的水冷壁管常选用内径为40～50mm的锅炉钢管，对流蒸发管常选用内径为25～42mm的锅炉钢管。

当管中含汽率大时应选较大的管径；反之，能够选较小的管径。

钢管的种类通常有两种，即滑腻管和螺旋鳍片管：

（1）滑腻管我国已有各类标准的钢管可供选用，YB232-70为锅炉用无缝钢管标准，YB529-70为锅炉用高压无缝钢管标准。

（2）螺旋鳍片管我国目前尚无系列产品，为了提高传热成效依照具体情形专门制造。

比起光管占管空间大，制造也较困难，但大大提高了传热系数。

合理地确信锅炉烟气入口的位置和截面的尺寸。

其确信依两个因素：

即工业炉排烟口位置的高低和锅炉内烟气动力场合理组织的需要。

烟气入口的位置，一样有前面入口和顶部入口两种形式，一样采纳前面进入的较多。

在前面进入时，入口面积的大小由入口烟速来决定，一样入口烟速取8～15m/s，也可取入口为前墙面积的20～35%。

在设计受热面时应考虑它的支吊件的安装位置，以保证受热面在受热面在受热或冷却时能自由膨胀，以避免把焊口或管件拉坏。

另外，关于吹灰、振打、观看孔、人孔等都应全面加以考虑，以保证操作的方便和人身的绝对平安。

用于回收再生烟气显热的余热锅炉受热面应由3部份组成:

蒸过热器、蒸发器和省煤器。

图1为其布置简图。

余热锅炉拟设计为单汽包自然循环锅炉,而不采纳强制循环。

要紧考虑到强制循环要增加两台热水循环泵（一台运行,一台备用）,同时还要设置两套供电回路,以保证锅炉水循环的平安。

这必将增加投资费用和运行费用。

采纳自然循环,要将汽包置于较高位置,以保证蒸发器中汽水混合物有足够的有效压头,以克服流动阻力,保证水循环的靠得住性,依照该厂的场地情形,采纳自然循环是适宜的。

蒸发器的设计

初期的再生烟气余热锅炉采纳双汽包结构,受热面由光管组成,其蒸发器类似于ＳＨＬ型锅炉的对流管制.实际运行证明,这种布置方式不但存在着金属耗量大,而且下汽包处极易堆灰,使受热面积减少,阻碍整体传热成效.本次设计采纳扩展受热面（螺旋肋片管）并将蒸发器在制造厂内做成单元组装式,如此做可使金属耗量大幅度减少（可减少40%～50%）;在现场安装时,用组装件可缩短工期（原双汽包结构要在现场焊接或胀接千余根受热管）;检修改换方便;气流冲洗完全,不堆灰,传热成效好,烟气流动阻力小.蒸发器基管选用42×4,材料为20Ｇ,选用较粗的管径,能够减少循环回路的阻力,降低汽包的布置高度。

蒸发器采纳螺旋肋片管结构后,与光管相较,布置空间减少一半。

本次设计采纳的螺旋肋片管,肋片高度16ｍｍ,厚度ｍｍ,间距12ｍｍ。

过热器的设计

过热器在再生烟气余热锅炉中,运行条件较为恶劣,其要紧缘故是它处于烟温和工质温度的最高区,加上烟气参数的波动,处置不妥,可能会造成过热器超温,阻碍余热锅炉的正常运行。

在设计条件下,过热器的吸热量占总的吸热量%,所需的传热面积仅ｍ2.因此全数采纳12CrMoV材料,尽管投资略有增加,但能保证其平安运行,在制造、安装、维修上较为方便.过热器采纳38×4ｍｍ管径,呈顺列逆流布置。

由于余热锅炉的传热为纯对流方式,要紧吸热量在蒸发器部份,在烟气参数发生波动时,例如随着再生烟气流量和温度的升高,蒸发器产生的饱和蒸汽量亦随着增加,相应地过热器通过的冷却蒸汽量也增加,蒸发器取到了稳固蒸汽参数的作用。

在烟温波动±20℃时,过热汽温波动不超过10℃。

省煤器的设计

省煤器处在烟温较低处,其传热温差小,所需传热面积大。

由于其给水温度低于烟气露点温度,容易发生低温侵蚀。

为了避免低温侵蚀的产生,通常采纳以下方法。

（1）将给水温度提高到130～150℃接近或高于烟气露点温度,阻止硫酸蒸汽在管壁上的冷凝,进而避免低温侵蚀的发生。

其方式有：

将省煤器的出口的部份高温水经喷射器注入到省煤器入口或采纳高压除氧器，用提高省煤器进水温度的方式来避免低温侵蚀,必将要增加省煤器的传热面积,在设计条件下,假设省煤器出口水温为209℃,入口水温由104℃提高到150℃,省煤器呈逆流布置。

相应地传热温不同离为52℃和35℃,在传热系数不变的条件下,省煤器的面积将从1400ｍ2增到加2080ｍ2。

.

（2）在省煤器的低温段采纳热管换热元件,利用热管能维持较高的恒定壁温这一原理来避免酸性液体的冷凝。

（3）在省煤器的低温段采纳耐侵蚀的低合金钢,以阻止酸性液体对金属材料的侵蚀。

本次设计将省煤器分成高、低温两段,高温段管材为20Ｇ,低温段用耐侵蚀合金钢,以便制造安装。

省煤器采纳φ38×4ｍｍ螺旋肋片管结构,肋片高度20ｍｍ,厚度1ｍｍ,间距12ｍｍ。

高、低温段采纳相同的几何尺寸。

设计结果

设计结果列于表2.

表2余热锅炉要紧设计参数

项目单位过热器蒸发器省煤器

基管规格—φ38*φ42*4　φ38*

排列方式—顺列顺列顺列

布置方式—顺流—逆流

横向节距mm10011050

纵向节距mm15011090

烟气流速m/s

传热系数w/

平均温差oC127

传热面积m2

3设计中需要考虑的其它问题

受热面烟气流速的选择

余热锅炉受热面烟气流速是设计中的一个重要参数,它直接关系到余热锅炉的技术经济性和运行的平安性。

选用较高的烟速可强化对流换热,减小余热锅炉的受热面积.但太高流速会增加烟气的流动阻力。

依照热工学原理,对横向冲洗的管制,传热量与烟速的次方成正比,而流动阻力与烟速的平方成正比。

.因此应综合比较投资与运行费用,来选择适合的烟气流速。

选用较高的烟速,对形成松散性积灰的受热面,其自清灰作用更为明显,但对含尘烟气,将带来较大的受热面磨损,依照研究受热面的磨损与烟速的3～4次方成正比。

另外,在选用烟速时,还需考虑余热锅炉的振动问题,在烟气横向流过管制时,太高的烟速容易引发受热面的振动,造成余热锅炉不能正常运行。

综合考虑以上因素,对再生烟气余热锅炉烟气流速在8～15ｍ/ｓ比较适宜。

积灰的避免和清除

从锅炉结构设计上考虑避免积灰

（1）采纳足够大的“空腔辐射冷却室”。

（2）在必然的温度区内，全数砖墙都用翅片管组成的受热面遮盖起来，幸免烟尘与砖墙接触，产生积灰的核心。

（3）在余热锅炉内部不要设置容易引发积灰的结构。

3.2.2从烟气动力场的组织上来避免积灰

（1）为了在辐射冷却室内，把高温烟气冷却到烟尘粘结的温度以下，冷却室的尺寸往往相当庞大。

（2）.在选择对流受热面的冲洗方式时，应考虑避免积灰。

3.2.3避免积灰的其它方式

（1）采纳返烟方法以降低锅炉入口烟温。

（2）利用附加剂避免积灰。

3.2.4积灰的清除

（1）吹灰吹灰是余热锅炉经常使用的一种机械清灰方式，往往一台锅炉装设几十台乃至上百台吹灰器。

依照吹灰杆伸缩的长短可分为长杆和短杆的吹灰器。

吹灰介质有过热蒸汽，紧缩空气或氮气等。

它的优势是吹灰介质压力高，喷射速度大，能清除粘结性较强的积灰；吹灰介质也容易取得。

这的缺点是：

一次投资较大、占地面积大，运行费用高。

若是利用紧缩空气或蒸汽作吹灰介质，会增加烟气中含氧量或水分，并增加锅炉的排烟量，从而对尾气的处置带来必然的不良阻碍。

（2）振打振打装置是利用小容量电动机作动力，带动一长轴作低速转动，在轴上按等分的相位挂上许多击锤，按顺序对锅炉受热面进行锤击，在锤击的一刹时使受热面产生强烈的振动，使粘结的积灰受到反复作用的应力而发生微小的裂痕，致使积灰的附着力受到破坏而造成脱落。

当余热锅炉的积灰、结渣情形严峻，一样清除灰渣较多是采纳紧缩空气吹灰和机械振动两种形式或结合利用。

紧缩空气吹灰需配置辅助设备,本钱较高,不太适于小型余热锅炉。

安装在水冷壁角隅上的振动除灰装置由激振器、振动杆、连接弹簧和固定悬臂梁组成,为了清除受热面上的积灰和结渣而施加的振动力可在受热面上产生低、中、高频振动。

低频振动易引发锅炉构件局部较大的应力和应变而损坏构件。

一样以为高频振动清灰成效较好,但从实践来看,高频振动往往因冲击力穿透不够,位移过小而清灰打渣成效不睬想。

合格的频率应是使锅炉水冷壁上各振动模态被充分鼓励出来,在不损坏锅炉构件的前提下,取得最大的有效振动而取得理想的清灰成效。

侵蚀

很多炉窑排出的烟气中，常含有一些侵蚀性气体和侵蚀性物质，如硫的氧化物，钒的氧化物，硫酸盐络化物等。

这些物质对锅炉会产生强烈的侵蚀，严峻时，在很短的时刻内会使锅炉受到损坏，这是一个很突出的问题，因此应了解侵蚀的机里，把握其规律，避免侵蚀的产生，以保证锅炉长期平安、靠得住的运行。

侵蚀一样分低温侵蚀和高温侵蚀，低温侵蚀的特点是均匀性的侵蚀，它使管壁厚度慢慢减薄以至破裂。

高温侵蚀的特点是局部性溃疡性侵蚀，它使管子因管壁穿孔而破坏。

低温侵蚀

当进余热锅炉的烟气中含有较多二氧化硫时，其中一部份会进一步转化为三氧化硫，并与烟气中水蒸气结合生成硫酸。

当锅炉受热面壁温低于所生成的硫酸露点时，硫酸就在管壁上凝结而产生侵蚀，这确实是低温侵蚀。

低温侵蚀的速度是很惊人的，造成的后果也是严峻的。

避免低温侵蚀的方法有：

（1）使余热锅炉受热面的壁温超过露点---避免侵蚀的全然方法。

提高壁温的方式通常有提高锅炉运行压力和充填法两种，即提高锅炉运行压力及用管充填法。

（2）从锅炉设计上考虑避免低温侵蚀

1）采纳密封炉墙。

2）除特殊情形外，一样应使烟气纵向冲洗受热面，如此既利于避免积灰，又利于避免低温侵蚀。

3）采纳局部爱惜方法。

4）采纳涂爱惜层的爱惜方法。

5）选用适合的防腐材料。

（3）在烟气中利用附加剂避免锅炉低温侵蚀，有的附加剂能使积灰性能恶化，变成紧密坚硬积灰，这点应专门注意。

3.3.2、高温侵蚀

当余热锅炉受热面的壁温高于硫酸露点，烟气温度在500℃以上的区域还会发生侵蚀，通常把这种现象称为高温侵蚀。

过热器、再热器、辐射室中水泠壁管、金属固定件等都可能产生这种侵蚀，其特点是局部深陷的溃疡性侵蚀。

高温侵蚀的现象是一个综合作用的复杂进程，其特点是金属温度或积灰表面温度超过500～600℃时就开始显现，同时温度越高侵蚀速度越快，而侵蚀的必要条件是灰的软化。

目前有如下的几种理论：

（1）碱性金属硫酸盐络合物的液相侵蚀学说。

（2）钒化学侵蚀学说。

（3）高温氧化侵蚀学说。

（4）硫酸蒸汽的侵蚀学说。

避免高温侵蚀的方式有：

（1）操纵金属温度使它低于开始显现高温侵蚀的温度。

（2）维持受热面的清洁是避免高温侵蚀的有效方式，因此对锅炉受热面上的积灰应及时清除。

（3）选择耐高温侵蚀的金属材料或涂料。

（4）利用附加剂。

　避免高温侵蚀和低温侵蚀的设计　

当余热锅炉受热面的壁温高于硫酸露点,烟气温度在500℃以上区域发生的侵蚀为高温侵蚀。

因此要操纵余热锅炉内受热面壁温低于此温度,一样不设过热器（考虑热负荷波动难以实现过热蒸汽、参数额定,也应不设过热器）。

由于烟气中含SO2较高,转化为SO3后,与烟气中水蒸汽结合生成硫酸,当锅炉受热面壁温低于所生成硫酸的露点时,硫酸就在受热面上凝结而发生低温侵蚀。

避免低温侵蚀应维持受热面壁温高于烟气露点温度。

在设计上,选择锅炉压力时使相应的工质饱和温度高于烟气露点5～10℃。

磨损问题

由于烟气中含有较多的烟尘，若是处置不妥，受热面就会产生严峻的磨损。

磨损是一个超级复杂的现象，一样以为它由以下三种情形产生的：

（1）撞击磨损：

由于粒子的撞击，使机体的表面组织产生局部的破碎和离开。

（2）刮痕磨损：

由于粒子深切机体的表面，在烟气流的推动下产生局部的裂痕和剥离。

（3）擦动或转动磨损：

由于粒子的摩擦而引发的机体表面的磨薄。

阻碍磨损的因素是很多的，总的来讲有三个方面：

既烟气流条件