新型煤气化余热锅炉的开发.pdf

余 热 锅 炉2 0 I 1 ． 4 1 5 新型煤气化余热锅炉的开发 杭州锅炉集团股份有限公司 曹小旭 杨 文 ’ 摘要 本文介绍了自 主开发的新型煤 匕 余热锅炉的相关内容。 从系统流程、 设备 结构、 吹灰方式、 防磨措施、 关键部位应力分析等方面， 系统的阐述 了余热锅炉的设计技术 特点及其安全可靠性。 关键词 余热利用 煤 气化 锅炉 节能环保 应力分析 1 ．前言 当前在煤炭化工领域尤其是煤气化技术 中对于余热的回收利用技术还存在着较为严 重的不足。 在煤制甲醇烯烃等煤气化项 目中， 为了降低煤气温度 ， 通常采用直接喷水激冷 的形式将粗煤气所携带的热量带走 ， 以满足 后续工序 的需要 。 这样煤气携带的大量热能 被浪费， 也增加 了水资源 的消耗， 不利于实现 国家当前所大力倡导的节能、 节水、 降耗、 减 排 的重大 能源环保战略 目标。 尤其是在一些 煤资源丰富但水资源贫乏地区更是受到了制 约。 如果能够将气化炉出口粗煤气的余热加 以利用， 使之既能满足工艺需要， 还可以减少 污染物的排放， 降低水消耗。 因此具有非常重 要的意义。 2 ．项 目概况 本项 目采用煤气化后合成 甲醇， 设计产 量 3 0万吨 ／ 年。 共三套机组两开一备。 煤气化工艺技术采用流化床加压气化工 艺。 从气化炉输出的煤气经两级绝热的旋风 分离器， 分离气体 中的大粒径灰分。 分离后的 灰分返回气化炉内重新参与气化， 分离后的 气体携带无法分离的小粒径进入余热锅炉系 统进行热量 回收。 我公司承接此套余热回收 系统的开发与供货。 余热回收系统利用煤气 所携带的热量副产中、 低压过热蒸汽， 在额定 工况下可每小时可副产 4 4吨中压过热蒸汽， 同时每小时过热 2 8吨低压饱和蒸汽。 3 ．产品介绍 3 ． 1设计工艺参数． 3 ． 1 ． 1粗煤气为高温加压含尘煤气， 其工艺参 数见表 2 。 3 ． 1 - 2 煤气中煤灰的物料性质， 其细粉颗粒粒 度分布见表 l 。 3 ． I _ 3 煤气的物理特性见表 3 。 表1 颗粒粒度分布 粒径 u m 1 3 0 5 0 ～1 0 2 0 ～5 0 2 0 重量百分 比 ％ 1 ． 9 7 9 ． 8 3 4 0 ． 3 7 4 7 ． 8 3 1 6 余 热 锅 炉2 0 1 1 ． 4 表2 工艺参数 名称 单位 设计值 波动范围 操作温度 ℃ 1 0 0 0 9 5 0 ～l l o 0 操作压力 M e a g 1 ． O 1 ． O ～1 ． 1 煤气组分 H 2 ，C O，C O 2 ，C H 4，H 2 0 ，N 2 等 湿粗煤气 N m ／ h 1 0 0 2 6 1 6 0 l 5 7 ～ 1 1 0 2 8 7 湿煤气平均分子量 g ／ m o l 2 O ． 1 6 2 0 ～2 1 ． 7 含尘浓度 g ／N m 5 9 ． 8 6 2 9 ． 6 ～9 5 出口煤气要求 ℃ 2 7 0 2 6 0 ～3 0 O 表3 物理特性 堆密度 k g ／fI lj 3 7 0 ～6 0 0 含水率 ％ 3 ． 9 温度 ℃ 9 5 0 ～ 1 0 0 0 灰含量 ％ 5 5 ～6 5 3 ． 2 系统流程布置 根据用户提供的工艺参数， 本余热 回收 系统采用火管蒸发段的 自然循环形式， 汽包 外置高位， 这样 布置可减少系统 中的循环水 泵投 资， 降低 工厂常规用 电。 设置两 级省煤 器， 两级高压过热器 ， 一级低压过热器， 以满 足 负荷变化的调节需要， 保证锅炉 出口煤气 温度及过热蒸汽温度在设计 范围内， 具体流 程见图 1 ． 3 ． 3 结构形式的选择 在整体结构布置上选择采用立式整体布 置， 将蒸发器， 过热器， 省煤器集成布置在同 一 承压壳体内， 这样有效降的低了设备的占 地空间。 同时为设备检修方便， 各段热面间设 置检修空间， 设备底部设置锥形灰斗用于存 放积灰。 火管蒸发段采用柔性薄管板结构， 用以 吸收换热管与壳体间的热膨胀差。 为防止烟 气进 口侧管板处 出现局部泡态沸腾所引起管 壁超温， 在提高水循环倍率的同时蒸发器呈 图1系统流程 图 余 热 锅 炉 2 0 1 1 ． 4 1 7 一 定角度的倾斜布置， 利用高点上升管携汽， 防止蒸汽附着管板滞留。 为防止换热管与管板接头反复受热变 形、 热冲击、 拉脱 作用所产生破坏， 在连接 形 式上选择强度焊加强度胀接 的组合形式， 既 能保持接头处的抗拉强度 ， 又可消除管孑 L 与 换热管外壁间 的间隙腐蚀 ， 经常温拉伸试验 证明仅强度胀接接头的抗拉强度就在 1 0 MP a 以上。 高温煤气进口侧管板受高温高速的烟气 冲击 ， 管板两侧温差大， 管板与换热管连接部 位易出现热应力。 为防止此情况， 在进 口侧的 管板上浇注耐火料 并加装防冲护板、 保护套 图2管板防护结构 过热器及省煤器采用蛇形管结构形式， 可有效吸收热膨胀 。 为保证各管间介质流通 均匀， 各管路采用等长布置， 整体通道截面呈 长方形状。 通过浇注料及挡风筒控制煤气流 动通道防止气流短路 。 3 ． 4外壳壁温控制措施 按煤 气 的设计 参数 表来 看， 进 入锅 炉 的煤气温度上 限达到 l 1 0 0 ℃， 出口温度达到 3 0 0 ℃， 承压壳体需采取 隔热 防护措施， 防止 高温气体冲击承压 壳体。 为满足隔热的需求 及同时兼顾高温携灰气流的冲刷磨损 ， 在壳 体的内部采用高纯刚玉耐火料与轻质隔热浇 注料 的组合形式 。 并在高温煤气进 口段在壳 体外同时加装水冷夹套作， 防止浇注料开裂 气流直接冲击壳体壁面引起的壁面超温。 ． 耐火及保温浇注料厚度通过传热计算选 择合理厚度， 控制壁温在合理范围内， 防止壳 体壁面超温的同时要避免出现温度过低产生 的结露腐蚀 。 3 ． 5吹灰方式的选择． 从煤气参数表 1 来看 ， 煤气 中灰含量比 较高， 经压缩升温后浓度会增加到 1 8 O g ／ m3 左右， 从表 3的粒径分布来看 多为粒径小于 5 0 um的细灰， 管背积灰的概率比较大。 除采 用较高 的气 流速度吹灰外， 选择有效的吹灰 方式也将直接影 响余热锅炉的换热效果及安 全运行。 针对 国内某项 目曾经出现灰黏附管 壁积满阻塞设备气流通道的情况， 在此余热 锅炉热面处选用高效声波吹灰器。 3 ． 5 ． 1声波吹灰的原理 声波 吹灰 以高压洁净煤气介质为动力 源， 通过特制的声波发生器转换成高能量 的 低频声波 1 0 0 ． 5 o 0 H z ， 声波使灰粒发生振 动的同时进行吹扫 ， 吹灰器本体采取特别的 设计机构使吹灰介质在发生区高速进入炉膛 时， 形成旋转高压旋风在锅炉易积灰部位扫 射使受热面管子上的灰垢无法粘连或聚集， 灰垢能下落并随着烟气带走， 以此达到节能 降耗、 延长锅炉寿命的 目的， 工作原理见图 3 。 3 ． 5 ． 2声波吹灰器的特点 由于声波的可传播性与往复作用 的特 点， 声波除灰技术从根本上避免了传统除灰 器的一系列弊病。 除灰的范围不再受限于除 1 8 余 热 锅 炉2 0 1 1 ． 4 A、荻粒橱婀 穗傲地蒋在在 爱热i l 薛 携袭丽 B ， 灰控避灏斐 C - 声渡螅撼I t i O 德 群，冀艇之秘 j 薯 牧势教 葶置橱 趋向鬻密缝合 接龠，集藏毓穗涂 图3吹灰原理示意图 灰机械所能够进入锅炉的部分的尺寸。 对声 波除灰器本身不需要进入锅炉， 仅仅依靠声 波 的传播， 就能够清除数米至十余米之外 以 及管道背后及狭缝 中的积灰。 同时， 也大大简 化了除灰器的机械结构与安装方式。 使用维 护简便， 不需要专人值班， 运行成本也很低， 而且只要设计、 制造与安装能够按照技术要 求， 严格保证工 艺， 声波除灰技术就可 以安 全、 可靠、 对环境无污染运行。 3 ． 5 ． 3吹灰器的布置 在每组受热面管束中间部位错列布置两 台声波吹灰器， 确保吹灰不会出现死角空间， 每一台吹灰器按设定的时间顺序工作， 自第 一 台至最后一台运行结束为一个循环， 每个 班运行一次。 也可根据锅炉运行 的情况决定 声波吹灰器投运的次数和时间。 3 ． 5 ． 4控制方式 吹灰器采用集成声波控制器来实现系统 控制 ， 可按固定设置的吹灰时序全 自动运行， 包括控制柜操作和就地操作功能。 具有联锁 保护报警功能 出现异常情况能声光报警， 并退出吹灰运行。 3 ． 6防磨措施 过热器外表面处于粒子高浓度 区域， 很 容易造成过热器管壁磨损 。 飞灰对管壁的磨 损速度与烟气流速约为 3 ． 2 2次方关系。 采用 提高流速减少热面积灰 的措施 ， 其不利的一 面是增加了管壁磨损趋势， 当磨损达到一定 程度后， 当壁厚无法承受管内介质压力时， 会 引起管子爆管， 造成停炉， 影响设备的安全稳 定运行。 采取必要的防磨措施是必不可少的。 从灰粒的磨损机理分析来看， 磨损主要 分布于管子的迎风面， 其灰粒冲击管子情况 及磨损情况见下图所示。 图4灰粒打击在管子上的情况 针对磨损的分布， 防磨主要是在迎风面 加装防磨措施， 考虑加装防磨护板会引起烟 气通道过小的不利情况。 所以在迎风采取面 图5管子磨损情况 超音速电弧喷涂工艺对过热器指定区域进行 防磨喷涂处理。 防磨层的物理性能要求如表4 余 热 锅 炉2 0 l 1 ． 4 1 9 表4 净防磨涂层技术指标 序 指标 数值 序 指标 数值 号 号 1 硬 度 ≥H R C 5 5 7 孔 隙 率 ≤0 ． 5 ％ 2 使用温度 ≤1 2 0 0 ℃ 8 导热系数 6 0 W ／ M * K 3 喷涂粒子速度 ≥4 0 0 m ／ s 9 结合强度 ≥1 0 M P a 1 ． 6 3 1 0 m g ／ m m ． h 8 0 0 “ C、 4 喷涂温度 ≤1 0 0 ℃ 1 O 抗高温氧化性 l O O h 5 热膨胀系数 1 2 1 0 一 。 ／ C 0 7 0 0 “ C 1 1 涂层总厚度 O ． 5 ～0 ． 7 m m 1 ． 0 9 x 1 0 a m ／ h 9 0 0 4 0 0 “ C、 优 分别在H C 1 、 0 4 、N a O H 、机 6 抗冲蚀性 1 2 耐介质性 l O 0 0 9 2 0 0 E I A 1 2 0 3 、6 0 0 s 油、水中浸泡3 0 天与 钢进行对比 3 ． 7柔性薄管板 的应力分析 对于火管锅炉的结构从 国内外类似结构 设备运行情况来看， 大多数停车事故都是由 于管子和管板连接失效引起， 甚至有运行不 到一个月就泄漏 的情况， 其主要原因是管板 无法吸收换热管与壳体变形不协调， 引起 的 通过对简化模型和全实体模型在各种工 况下的分析， 应力线性化和分类后进行评定， 各评定位置应力均满足要求 ； 换热管和拉杆 受拉和受压应力均满足强度和稳定性要求 ； 管板和换热管拉杆的拉脱力校核也满足要 求 ； 整个管板结构可以满足设计要求 。 4结束语 图8设备制造中 局部应力超标 。 为保证设计上的可靠， 火管段 采用柔性薄管板形式并对换热管与管板进行 整体建模做应力分析， 模拟校核各种可能存 在 的冷热态工况， 以确定应力是否在安全范 围内， 现摘录其中较危险的工况如下图所示。 校核工况 壳程压力与温差共同作用 通过此余热锅炉 的成功开发， 为煤气化 的加压余热利用提供 了一条可靠的途径 。 在 国家大力倡导节能减排 的政策鼓励下， 余热 的利用将被广泛的关注 ， 尤其是在大型煤气 化项 目中， 余热利用将会取得 良好的经济效 益及社会效益。 参考文献 1 古大田等， 废热锅炉 ． 化学工业出版社出版 2 0 0 2 ． 2 s } i 厂 r 3 1 5 8 ． 2 0 0 9石油化工管壳式余热锅炉 中国石化出版社 出版 2 0 1 0 ． 3 锅炉机组热力学计算方法 机械工业出版社 1 9 7 6 ． 4 陈立勋等， 锅炉本体布置及计算 ． 西安交通 大学出版社，1 9 9 0 ．