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1、焦化炉余热锅炉的设计与开发李志宏河北宏泽锅炉制造有限公司， 饶阳 053900)摘 要 ；本文对焦化炉余热锅炉设计开发过程中遇到的若干问题进行了探讨， 并介绍了余热 锅炉炉型的选择和锅炉的设计开发情况。关键词：余热锅炉； 设计；开发Design and Development of Coking Furnace-Heat Recovery BoilerLi Zhi-hong(HeBei HongZe Boiler Manufacture CO.,Ltd, RaoYang 053900)Abstract: This paper discusses some problems about desi
2、gn and development of coking furnace-heat recovery boiler, and introduces the style of choice of heat recovery boiler， and introduces design and development of this boiler.Key words: Heat Recovery Boiler; Design; Development1 前言某焦化厂为回收焦化炉产生的大量高温烟气余热，需要四台余热锅炉。我公司接受了余 热锅炉的设计与制造任务，并组织技术人员调研，搜集资料，分析论证，确
3、定余热锅炉设计 方案，用技术先进、经济性好、安全可靠、满足焦化工艺要求的余热锅炉型，博得了用户的 青睐。有关数据及对余热锅炉的技术要求如下。烟气成分和特性烟气成分如表 1。烟气含灰，灰有弱黏结性。余热锅炉的设计参数如表 2。余热锅炉要采用先进技术，优化炉体组合，作到热效率高、体积小、安全可靠、投资少、寿命长。表1烟气成分含量（a =1.25时）成分CO202N2H2O干烟气2.5%-85%3.5%-4.5%85%-89%20 r时烟气6.5%3.6%69.85%20.6%表2余热锅炉设计参数特性表项目单位锅壳省煤器额定压力MPa1.01.05饱和蒸汽温度r184额疋蒸发量t/h22烟气流量Nm
4、3/h4400044000烟温入口r950 ± 50234出口r234160水温入口r14020出口r1402炉型设计方案的确定按用户的技术要求，我们布置了以下三种余热锅炉炉型设计方案。由于进口烟气温度为 950C，三个方案均为对流换热布置受热面结构；也由于烟气含灰颗粒小，并有弱黏结性，没 有必要采用冷却室达到沉降灰粒和进行辐射换热。（1）第一方案：烟管式（锅壳式）余热锅炉烟管式余热锅炉结构如图1。采用了新型水火管锅炉技术：采用高效传热元件一一螺纹烟 管、拱型管板等，锅炉布置成隧道式，结构紧凑，密封性好。图 1锅壳吉构隧道式余热锅炉(2) 第二方案：光管+翅片管式水管余热锅炉光管+翅
5、片管式水管余热锅炉结构如图 2。950C -650C高温烟气部分用光管， 650C对 流管束和省煤器均用翅片管。光管上锅筒翅片管下锅筒u烟气入匚I l省煤器烟气出口烟囱翅片管给水图2光管翅片1水管余热炉(3) 第三方案：全部光管式水管余热锅炉即全部用光管，结构如图3,目的是防止灰的黏结上锅筒蒸汽出口给水省煤器图3光管式水管余热锅炉(4) 三种余热锅炉方案的比较见表3根据比较结果，采用了第一方案，即烟管锅壳式余热锅炉，其型号为QF44/950-22-1.0。焦化过程产生的烟气温度高，含尘量较高，烟气量大，且温度和烟气量波动幅度大。余 热锅炉如何适应这一特点是设计者需要考虑的问题。我公司技术人员通
6、过充分调研，本着安 全可靠、经济合理、便于制造的原则，突破了多个难关，成功地设计开发出余热锅炉新产品。 3锅炉设计中的几个问题(1)炉型及总体结构余热锅炉采用螺纹烟管锅壳式结构型式，锅炉采用隧道式布置：高温烟气一锅壳(蒸发段)一螺纹烟管省煤器(加热段)除尘器-引风机一烟囱.表3三种余热锅炉方案技术经济性比较表序号项目锅壳式光管+翅片管水管式光管水管式1结构简单、紧凑复杂、体积大复杂、体积大2对流管咼效传热兀件螺纹烟管，传热系数大，省钢材翅片管只部分应用，钢材耗量介于三方案中间传统型光管，钢材耗量大3积灰状况锅炉不积灰，不用吹灰器积灰，用吹灰器，但翅片管吹灰困难用吹灰器，但尾部黏结灰也难吹掉4锅
7、炉漏风不漏风漏风漏风5热量回收率高一般一般6安全性好，维修方便一般，维修困难一般，维修困难7出厂方式组装散装散装8安装费用低，时间短费用高，时间长费用高，时间长余热锅炉的总体结构如图4炉型和结构的特点是：用高效传热元件一螺纹烟管，传热效果好，烟气只通过一个回程便可大幅度降低烟温; 经优化设计确定烟气最佳流速，可确保烟管内不积灰、不明显磨损，省去了清灰装置，降低 了成本，同时可使锅炉永久保持出力与高效率；对烟气温度和烟气量的波动适应性强。根据试验，只要烟速控制在6-30m/s范围内，均可作到不积灰，不明显磨损，对烟气温度和烟气量的较大幅度波动，适当调整给水量，锅 炉均能保持正常工作状态；拱形管板
8、与单回程螺纹烟管配合，形成准弹性体，可大大减小管板与烟管焊缝的热应 力，有效避免了管板焊缝的开裂；锅壳本体及尾部受热面(即省煤器)均采用螺纹烟管，锅炉烟气侧密封性能好，整个 锅炉可以作到不漏风，既能保证余热回收高效率，又能节省运行费用，具有很高的经济性。采取全自动控制系统，水位、压力等自动报警，严格的水质处理措施，确保锅炉安全运行。.结构紧凑，组装出厂,锅炉房结构简单，造价低,甚至可采用半露天布置(2)本体设计锅壳 余热锅炉锅壳采用筒体与拱形管板焊接结构。由于蒸发量较大，经计算，如果采用单锅 筒，锅筒直径将达3000mm以上，据了解目前国内拱形管板最大规格为直径2400mm,设计人员采用了双锅
9、筒结构，单个锅筒为© 2200X 14mm，两个锅筒并联排列。这样处理后不仅满 足了 锅炉设计能力要求，而且使炉型紧凑，锅炉高度降低，组装出厂，现场便于安装，便于 检修，便于操作，大大降低了制造安装费用，也可大大节省土建投资。采用新型水火管锅炉最新成果 ， 新型水火管锅壳锅炉是近些年锅炉发展的新成果。以螺纹烟管作为主要对流受热面并置 于锅壳内，使整个锅炉结构紧凑，制造工艺简单，安装方便。通过试验，选用合理的螺蚊高 度和烟气流速，可大大增加烟气在管内的湍动，从而显著改善传热效果，又不致阻力太大。 本锅炉利用了新型水火管锅壳锅炉的最新成果，采用螺纹烟管结构，单个锅筒装有 154 根
10、69; 89X 4螺纹烟管。烟管螺距35mm，螺纹内凸高度2mm。管内烟气平均流速3=20m/s,进口烟温按波动最高限ti=1000°C，出口烟温t2=234°C，则 经计算，入口处烟气最高流速3 i=28.6m/s；出口处烟速3 2=11.39m/s=可见入口和出口烟速均 在合理控制范围内，均不会引起管内积灰和明显磨损，保证锅炉性能终生不变。通过热力计 算和多年的实践经验，证明螺纹烟管的结构设计是合适的。设置干汽包和连通管装置 为使并联锅筒在运行中始终保持水位一致、压力相同，以提高蒸汽质量，确保锅炉安全 运行，采取了两项措施：设置干汽包，将两锅筒经分离装置送出的蒸汽首先汇
11、集到干汽包， 再由干汽包送出。干汽包两端各设一管座，分别与锅炉两侧的500mm量程水位表连接；在 两锅筒之间设两根© 159连通管将两锅筒相连通，保证两锅筒水位一致，压力相同。高温烟气入口区的保护烟气入口温度为950 ± 50C,这样高的温度极易引起前管板烟管管头焊缝的开裂。为解 决上述问题，新型水火管锅壳锅炉通过多年实践总结出一系列措施，如采用刚性小的拱形管 板与单回程螺纹烟管搭配以大大降低热应力、减小管头伸出烟管与管板焊缝的高度、前管板 烟管先胀后焊以消除烟管与管板间隙等。本余热锅炉除综合采用了上述多项措施外，还采取 了其它保护管板及烟管管头与管板焊缝的措施。为了降低烟
12、气入口管头温度，管头增设了耐 热套管，结构如图5。套管由厚2mm的Cr25Ni20耐热不锈钢制成，套管与烟管内壁之间留有 2.5mm间隙，用 以填充含锆型硅酸铝纤维隔热，以降低管端温度。前管板区耐热套管间先填充厚30mm含锆型硅酸铝纤维，然后再灌注厚 50mm耐火浇注料，以保护前管板及烟管端部焊缝区。通过上 述处理措施，避免了高温烟气直接与管板及烟管焊缝区接触，前管板烟管区将得到有效保护，从而可避免前管板焊缝开裂。锅内装置的设计 汽水分离采用波形板分离器分离后再通过多孔匀汽板进一步分离，以提高蒸汽品质。 为排除含盐量较高的锅水，使锅水含盐量维持在允许的范围内，减小锅水膨胀和防止 形成泡沫，减少
13、蒸汽的湿度，在锅筒前部设给水装置，后部设表面连续排污装置；锅筒底部 设定时排污装置以排除积垢。 为防止水走捷径，提高换热效果，锅筒内两侧旁路各设四快挡板，以使水按规定的方 式流动。 锅壳内蒸汽空间的确定蒸汽锅炉锅筒内必须留出必要的蒸汽空间，以利于汽水分离，确保蒸汽品质。本锅炉锅 筒正常水位以上空间高度为 591m m，经计算其蒸汽空间容积负荷 Rv在设计推荐范围内，可 保证有足够的汽化液面及汽水分离空间，是适宜的。(3)尾部受热面一一省煤器设计锅炉烟管出口烟温为 234C，为充分利用烟气热量，提高经济效益，烟气通过锅筒后进入省煤器。省煤器同样为螺纹烟管锅壳结构，筒体为© 2000X1
14、2mm,装200根© 89X 4mm螺纹烟管。通过省煤器，给水温度从 93C升高到140 C。排放烟气温度可降为160 C,使热 效率达到89.7%,大于用户85%的要求。膨胀问题为解决热胀冷缩问题，减小锅炉工作时产生的热应力，在省煤器出口烟道设置膨胀节。膨胀节采用U型管结构，由厚4 mm钢板压制而成，具有良好的弹性变形能力，可有效吸收 整个锅炉后膨胀的伸缩量。(5)锅炉的控制为保证余热锅炉的安全可靠运行，余热锅炉采用了连续给水。设有高低水位报警，超压 报警及连锁，低水位连锁。但是，作为余热锅炉更主要是保证焦化工艺正常，为此需要有以 下两方面的控制：余热锅炉进口烟道与焦化主烟道闸门要
15、连动并能快速启闭，如图6。图6锅炉及主烟道的烟气系统图为满足焦化工艺需要，要保持主烟道入口处负压恒定，为此设置了维持负压恒定的自 动控制系统，如图7所示图7 调节主烟道入口烟气负压的系统图4结语充分利用新型水火管锅壳锅炉 22年来最新技术成果，采取优化设计方案，成功地设计并 制造出QF44/950-22-1.0型烟道式余热锅炉。最大限度地回收余热，锅炉布置紧凑，结构合理, 检修方便，会给用户带来显著的经济效益和社会效益。参考文献1 余热锅炉研究所余热锅炉 一机部情报所，1980.2 李之光，李柏生,等.新型水火管锅壳锅炉开发十年总结J.工业锅炉，1995, 93) :2-15.3 李之光，王昌明.新型水火管锅壳锅炉开发17年技术总结J.工业锅炉,2001,(1):1-11.4 李柏生，等.新型水火管锅壳锅炉及其锅炉房的技术经济分析J.中国锅炉压力容器安全，2003 ,：5-7. 钟永明，李之光.螺纹烟管内磨损的试验研究 J.工业锅炉,1992,(2): 10-15 钟永明，李之光.螺纹烟管内积灰的试验研究 J.动力工程，1990, (6): 39-42.作者简介：李志宏(1969-)，毕业于新疆机电学院焊接专业，工程师，河北宏泽锅炉制造 有限公司董事长兼总经理，多年来一直从事锅炉的研制技术和管理工作。