“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐的設(shè)計探討

何上俊

（佛山市科能鍋爐制造有限公司，廣東佛山528216）

“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐的設(shè)計探討

何上俊

（佛山市科能鍋爐制造有限公司，廣東佛山528216）

介紹了“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，著重分析了熱力計算，提出了不同于JB/T 7603-94《煙道式余熱鍋爐設(shè)計導(dǎo)則》的煙氣側(cè)放熱量的計算式，說明了鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)。

煙道式余熱鍋爐；結(jié)構(gòu)；熱力計算；運(yùn)行

1 前言

許多冶金工業(yè)的生產(chǎn)工藝過程中，需要經(jīng)過退火處理，熱處理爐所排放的煙氣溫度很高，攜帶的熱量巨大，有必要將此熱量回收利用，而余熱鍋爐在煙氣余熱回收領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。余熱鍋爐主要有三種結(jié)構(gòu)形式，即煙道式、管殼式、煙道與管殼組合式余熱鍋爐。筆者曾根據(jù)以天然氣為燃料的退火爐所排放的煙氣，設(shè)計了小系列的煙道式余熱鍋爐。在設(shè)計過程中，熱力計算采用了JB/T 7603-94《煙道式余熱鍋爐設(shè)計導(dǎo)則》及《層狀燃燒及流化床燃燒工業(yè)鍋爐熱力計算方法》。本文以QC25/750-2-1.0型煙道式余熱鍋爐為例，介紹“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐（配鋼管省煤器）的設(shè)計及運(yùn)行，著重介紹了熱力計算，提出了不同于JB/T 7603-94《煙道式余熱鍋爐設(shè)計導(dǎo)則》的煙氣側(cè)放熱量的計算式。

2 鍋爐基本參數(shù)

額定蒸發(fā)量D：2 t/h

額定工作壓力P:1.0 MPa

額定蒸汽溫度tj:(飽和)184℃

給水溫度tgs:20℃

余熱煙氣流量V0:25000 m3/h

余熱煙氣溫度υy:759℃

冷空氣溫度tl.a:30℃

排熱溫度tpy:181℃

排煙處過量空氣系數(shù)α:1.07

排污率:5%

余熱利用率η:72.35%

結(jié)構(gòu)形式:雙縱鍋筒＋對流管束＋省煤器

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

煙道式余熱鍋爐由鍋爐本體、鋼管省煤器、煙道系統(tǒng)組成，鍋爐本體如圖1所示，鋼管省煤器如圖2所示。

鍋爐本體由鍋爐受壓主體、鋼架、爐墻和保溫、煙氣進(jìn)出口、平臺和扶梯組成。鍋爐受壓主體由上鍋筒、下鍋筒、對流管束組成。

上鍋筒包括前有孔封頭及人孔裝置、后無孔封頭、鍋筒筒體、進(jìn)水裝置、表面排污裝置、汽水分離裝置、相關(guān)管座（主汽閥管座、安全閥管座、放空閥管座、壓力表管座、水位表汽水連管管座）。封頭采用橢球型結(jié)構(gòu)。

下鍋筒包括前有孔封頭及人孔裝置、后無孔封頭、鍋筒筒體、定期排污裝置。

圖1 鍋爐本體

圖2 鋼管省煤器

對流管束布置在上鍋筒與下鍋筒之間。基于兩方面的考慮，①本余熱鍋爐所回收的是退火爐燃燒天然氣所產(chǎn)生的煙氣，不存在積灰，一般情況下無需吹灰，②在流速、管徑相同時，煙氣橫向沖刷錯列管束的對流放熱系數(shù)最高，故此，對流管束采用錯列布置。

鋼架由鍋爐底座、鍋爐支架組成。

爐墻由里到外依次為耐火磚、珍珠巖保溫層、輕質(zhì)磚。對流管束內(nèi)有二幅耐火磚墻，將煙氣分為3個流程。上、下鍋筒的非管排區(qū)由珍珠巖保溫層進(jìn)行保溫。

煙氣進(jìn)出口分別開在前后爐墻上，由鋼板制成，與鍋爐鋼架焊接固定，外置一個由角鋼制成的長方形法蘭，以便與煙道相連接。

鍋爐扶梯采用爬梯形式，爐頂設(shè)置一個平臺以便操作。

鋼管省煤器由進(jìn)口集箱、蛇形管、出口集箱、管夾裝置、外殼組成。

整個余熱鍋爐的煙道系統(tǒng)包括主煙道和旁路煙道。

主煙道從退火爐排煙口開始，經(jīng)膨脹節(jié)、主擋板、余熱鍋爐、鋼管省煤器、引風(fēng)機(jī)至煙囪，煙道外包保溫。

旁路煙道從旁路煙道口（位于主擋板前的主煙道上）開始，經(jīng)旁路擋板直接至煙囪，煙道外包保溫。

鍋爐本體的結(jié)構(gòu)簡單，制造及裝配工藝也簡單，所耗工時較短。傳熱系數(shù)高，整體尺寸較小，鋼材耗量較少。漏風(fēng)少，余熱利用率高。鍋爐本體整裝出廠，安裝方便、快捷。

4 熱力計算

熱力計算依據(jù)JB/T 7603-94《煙道式余熱鍋爐設(shè)計導(dǎo)則》（以下簡稱《導(dǎo)則》）及《層狀燃燒及流化床燃燒工業(yè)鍋爐熱力計算方法》（以下簡稱《方法》）進(jìn)行計算。

4.1 鍋爐規(guī)范

鍋爐規(guī)范請參看鍋爐基本參數(shù)。

4.2 客戶提供的余熱煙氣數(shù)據(jù)及三原子氣體容積百分比計算，見表1。

表1 余熱煙氣數(shù)據(jù)及三原子氣體容積百分比計算

4.3 余熱煙氣特性計算

按照《導(dǎo)則》6.1.2.1式6-1，總的煙氣量取進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量、余熱鍋爐漏風(fēng)量、吹灰介質(zhì)的容積、輔助燃燒裝置產(chǎn)生的煙氣量之和，但因?yàn)楸居酂徨仩t所回收的是退火爐燃燒天然氣所產(chǎn)生的煙氣，不存在積灰，不用吹灰，故不必計入吹灰介質(zhì)的容積；又因?yàn)楸居酂徨仩t不設(shè)置輔助燃燒裝置，故也不必計入輔助燃燒裝置產(chǎn)生的煙氣量。故此，本余熱鍋爐總的煙氣量等于進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量與余熱鍋爐漏風(fēng)量兩項(xiàng)之和。

余熱鍋爐漏風(fēng)量為漏風(fēng)系數(shù)與進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量的乘積。

受熱面出口煙氣量等于入口煙氣量加上漏風(fēng)量，受熱面平均煙氣量取入口煙氣量和出口煙氣量的算術(shù)平均值。

表2 余熱煙氣特性表

4.4 每標(biāo)準(zhǔn)立方米煙氣的焓的計算

按照《導(dǎo)則》6.1.2.2式6-2，余熱鍋爐總的煙氣的焓取煙氣的焓、煙塵的焓、冷空氣的焓之和，對于本余熱鍋爐，煙氣不含塵，故總的煙氣的焓取煙氣的焓、冷空氣的焓兩項(xiàng)之和。

煙氣的焓按《導(dǎo)則》式6-3計算，對于本余熱鍋爐，煙氣的焓等于煙氣中各組成氣體CO2、H2O、SO2、N2、O2及空氣的焓的和。

煙氣中各組成氣體的焓按《導(dǎo)則》式6-4計算，為某氣體的容積、煙溫、該煙溫下某氣體的定壓比熱三者的乘積。需要指出的是，在計算空氣的焓時，空氣容積取Va=1 m3，因?yàn)闊煔獾撵适前疵繕?biāo)準(zhǔn)立方米煙氣計算的，而余熱鍋爐漏風(fēng)量為漏風(fēng)系數(shù)與進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量的乘積。

1 m3冷空氣的焓取空氣在30℃時的空氣焓，Ⅰl.a=38.94 kJ/m3。

焓溫表可參照下表3格式制作。

4.5 煙風(fēng)關(guān)系

煙風(fēng)關(guān)系如圖3，顯示了本余熱鍋爐的熱力計算中余熱煙氣和漏風(fēng)的溫度、流量、焓值以及煙氣放熱量、工質(zhì)吸熱量之間的關(guān)系。

注：本圖部分?jǐn)?shù)據(jù)取自下文4.8、4.9的計算。

4.6 鍋爐熱平衡計算

（1）鍋爐入爐熱量按《導(dǎo)則》式6-7進(jìn)行計算：參看上圖3，鍋爐入爐熱量包括余熱煙氣和漏風(fēng)帶入的熱量，余熱煙氣帶入的熱量等于進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量與750℃時的煙氣焓的乘積，而漏風(fēng)帶入的熱量等于進(jìn)入對流管束及鋼管省煤器的漏風(fēng)量的總和乘以冷風(fēng)焓。

（2）鍋爐各項(xiàng)熱損失及余熱利用率的計算：鍋爐熱損失包括排煙熱損失q2及散熱損失q5。

（3）余熱鍋爐蒸發(fā)量的計算：《導(dǎo)則》6.1.5提供了式6-15計算蒸發(fā)量，需要指出的是，若要考慮蒸汽濕度的因素，則公式應(yīng)變?yōu)椋ū疚陌创耸接嬎悖?/p>

式中，D：鍋爐蒸發(fā)量kg/h

Q′：進(jìn)入余熱鍋爐的熱量kJ/h

η：余熱利用率%

W：蒸汽濕度,一般取3%

ρsw：排污率,一般取5% iss：飽和蒸汽焓kJ/kg isw：飽和水焓kJ/kg ifw：給水焓kJ/kg

4.7 對流受熱面煙氣側(cè)放熱量的計算式

表3 每標(biāo)準(zhǔn)立方米煙氣的焓溫表

圖3 煙風(fēng)關(guān)系圖

（1）《導(dǎo)則》6.1.8.1提供了式6-35計算煙氣側(cè)放熱量，在實(shí)際運(yùn)用時，通過計算和比較，本文根據(jù)煙風(fēng)關(guān)系圖（上圖3），另提出一個煙氣側(cè)放熱量的計算式：

Q=ψ(V′I′＋Vl.aIl.a-V″I″)

式中：Q--煙氣側(cè)放熱量,kJ/h

ψ--保熱系數(shù)

V′--受熱面入口處煙氣量,m3/h

I′--受熱面入口處煙氣焓,kJ/m3

Vl.a--受熱面漏風(fēng)量.m3/h

Il.a--冷風(fēng)焓,kJ/m3

V″--受熱面出口處煙氣量,m3/h

I″--受熱面出口處煙氣焓,kJ/m3

（2）數(shù)據(jù)比較：如表4列舉了分別按《導(dǎo)則》式6-35及本文計算式來計算煙氣側(cè)放熱量所得數(shù)據(jù)的比較(注：本表部分煙溫數(shù)據(jù)取自下文4.8、4.9的計算)。

（3）分析：從圖3可看出，由于存在漏風(fēng)，受熱面的入口處、出口處的煙氣量是不同的，出口處煙氣量等于入口處煙氣量與漏風(fēng)量之和。《導(dǎo)則》式6-35明顯是將漏風(fēng)的因素忽略了，因此計算結(jié)果偏差較大。而本文提出的計算式則明確了煙氣側(cè)放熱量就等于帶進(jìn)受熱面的熱量（即煙氣帶入熱量與漏風(fēng)帶入熱量之和）與帶離受熱面的熱量（煙氣帶離熱量）之差值，再考慮散熱損失的因素。所以，運(yùn)用本文提出的計算式計算煙氣側(cè)放熱量，其計算誤差很小。

4.8 對流管束熱力計算

（1）對應(yīng)于對流管束，其煙氣側(cè)放熱量為：

Q=ψ(VyIy＋Vl.adlIl.a-VydlIydl)

（2）煙氣在對流管束內(nèi)分三流程，煙氣流通截面積按《方法》式8-21計算。

（3）按《方法》式8-14計算煙氣流速時，分子BcalVg改為Vpdl（對流管束平均煙氣量，其計算公式請看本文表3或圖3）。

4.9 鋼管省煤器熱力計算

（1）煙氣側(cè)放熱量為

Q=ψ(VydlIydl＋Vl.asmIl.a-VysmIysm)

（2）計算煙氣流速時，分子BcalVg改為Vpsm（鋼管省煤器平均煙氣量，其計算公式請看本文表3或圖3）。

（3）按《方法》附錄A5.8，鋼管省煤器管內(nèi)水速不應(yīng)低于0.3 m/s。

4.10 誤差校核

表4 按《導(dǎo)則》式6-35及本文提出的計算式計算煙氣側(cè)放熱量的誤差比較

按要求進(jìn)行熱力計算誤差校核。

5 煙氣流動特點(diǎn)

從退火爐出來的高溫?zé)煔庥袃陕吠緩娇晒┻x擇：一路走主煙道：從退火爐排煙口經(jīng)膨脹節(jié)、主擋板，到達(dá)余熱鍋爐進(jìn)煙口，進(jìn)入余熱鍋爐對流管束第Ⅰ回程，然后折回對流管束第Ⅱ回程，再折回對流管束第Ⅲ回程，從余熱鍋爐出煙口出來，經(jīng)煙道進(jìn)入鋼管省煤器，最后由引風(fēng)機(jī)抽引至煙囪排入大氣。煙氣在整個流動過程中，先橫向沖刷錯列的對流管束，再橫向沖刷順列的省煤器蛇形管，產(chǎn)生的阻力由引風(fēng)機(jī)克服。另一路走旁路煙道：從旁路煙道口（位于主擋板前的主煙道上）開始，經(jīng)旁路擋板直接至煙囪，然后排入大氣。

6 運(yùn)行特點(diǎn)

“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐（配鋼管省煤器）運(yùn)行的關(guān)鍵在于對“主煙道擋板”及“旁路煙道擋板”的控制。該項(xiàng)控制有“手動”及“自動”兩種選擇，一般情況下，在鍋爐啟動或停爐時，選擇“手動”，而在鍋爐正常運(yùn)行調(diào)節(jié)時，選擇“自動”控制。

選擇“自動”控制的信號源取自鍋爐蒸汽壓力。首先設(shè)定一個蒸汽壓力值以及蒸汽壓力波動范圍，使“主煙道擋板”及“旁路煙道擋板”的動作（開大或關(guān)小）始終圍繞著蒸汽壓力設(shè)定值，確保蒸汽壓力在設(shè)定的波動范圍內(nèi)上下波動。

運(yùn)行過程中，司爐人員要認(rèn)真填寫運(yùn)行記錄，每小時記錄一次鍋爐運(yùn)行各參數(shù)：余熱煙氣溫度、余熱煙氣流量、排煙溫度；給水溫度、給水流量；汽包蒸汽壓力、蒸汽流量；鍋水堿度、溶解固形物；排污量；檔板位置、執(zhí)行電機(jī)電流等。

QC25/750-2-1.0型煙道式余熱鍋爐已使用多年，退火爐滿負(fù)荷時，鍋爐的實(shí)際蒸發(fā)量約1900～2000 kg/h，排煙溫度約180℃左右，與熱力計算結(jié)果基本相符。同系列其它型號的煙道式余熱鍋爐的運(yùn)行使用皆取得較滿意的結(jié)果。

7 結(jié)論

（1）進(jìn)行“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐（配鋼管省煤器）的熱力計算時，①繪制“煙風(fēng)關(guān)系圖”對計算有很大幫助，②采用本文提出的煙氣側(cè)放熱量的計算式Q=ψ(V′I′＋Vl.aIl.a-V″I″)比《導(dǎo)則》式6-35能得到更準(zhǔn)確的計算結(jié)果。

（2）鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵在于對“主煙道擋板”及“旁路煙道擋板”的控制。

“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐（配鋼管省煤器）系列產(chǎn)品在多年的實(shí)際使用中，其運(yùn)行數(shù)據(jù)與熱力計算結(jié)果基本相符。

[1]北京鋼鐵設(shè)計研究總院.JB/T 7603-94《煙道式余熱鍋爐設(shè)計導(dǎo)則》[S].1995.

[2]《工業(yè)鍋爐設(shè)計計算方法》編委會.工業(yè)鍋爐設(shè)計計算方法[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

A Discussion on the Design of Flue Type Waste Heat Boiler with“Double Longitudinal Drum+Convection Tube Bundle”

He Shangjun
（Foshan Keneng Boiler Manufacturing Co.,Ltd.,FoShan,Guangdong 528216,China）

The structural characteristics of the flue type waste heat boiler with“double longitudinal drum＋convection tube bundle”are introduced,the thermodynamic calculation is emphatically analyzed,a calculation formula of heat release on the flue gas side different from the JB/T 7603-94 Flue Type Waste Heat Boiler Design Guideline is put forward and operation characteristics of the boiler are described.

flue type waste heat boiler;structure;thermodynamic calculation;operation

TK229

B

1006-6764（2015）05-0033-06

2015-01-15

何上俊（1966-），男,1989年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)動力工程系熱能工程專業(yè)，主要從事鍋爐及壓力容器的設(shè)計開發(fā)工作。