余熱鍋爐頂部爐殼的密封保護(hù)裝置研究與應(yīng)用

廖建良，談春華，何英杰，阮興龍

湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，湖南長(zhǎng)沙，410117

0 引言

余熱鍋爐和傳統(tǒng)鍋爐不同之處在于其體內(nèi)不發(fā)生燃燒反應(yīng)過程，其本質(zhì)上僅是一種換熱器，既節(jié)能又環(huán)保，利用高溫?zé)煔狻⒒瘜W(xué)反應(yīng)過程、可燃?xì)怏w和高溫產(chǎn)品中含有的多余熱量通過換熱器將給水加熱從而產(chǎn)生低、中或高壓的水和蒸汽，用于自身工藝流程、進(jìn)入輸配管網(wǎng)供熱或向汽輪機(jī)等裝置提供做功工質(zhì)[1]。因此余熱鍋爐在冶煉、水泥生產(chǎn)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，在所應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)中因其做到將燃料燃燒的余熱實(shí)現(xiàn)了最大回收和充分利用，節(jié)約了資源還帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。雖然余熱鍋爐在生產(chǎn)中發(fā)揮著節(jié)能環(huán)保的作用，但目前在用的余熱鍋爐頂部爐殼依然有熱效率低和環(huán)保效果不理想的情況[2]。對(duì)此，本文詳細(xì)分析了一種余熱鍋爐頂部爐殼的密封保護(hù)裝置，可有效解決現(xiàn)存問題，使余熱鍋爐的節(jié)能環(huán)保效果最優(yōu)化。

1 余熱鍋爐概況

節(jié)能是一個(gè)國家能夠可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，如果我們還堅(jiān)持傳統(tǒng)的能源利用方式，不能使資源有效地循環(huán)利用，就會(huì)使社會(huì)的整個(gè)資源環(huán)境加劇惡化，并且造成能源的快速枯竭。據(jù)可靠資料，我國工業(yè)能源的消耗在總體成本中占有較多的份額，而能源的有效使用率僅僅有三成左右，成本支出比歐洲發(fā)達(dá)國家高出很多，所以考慮到經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能設(shè)備的推廣是勢(shì)在必行的一大舉措。長(zhǎng)期以來，我國鋼鐵、有色、煤炭、建材、化工、紡織等行業(yè)余能沒有得到充分利用，如鋼鐵企業(yè)的高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐氣，煤炭企業(yè)的焦?fàn)t煤氣，各種窯爐的高溫?zé)煔猓て髽I(yè)的化學(xué)反應(yīng)熱能，水泥企業(yè)水泥窯的低溫余熱大量放空，造成能源的嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)也污染了環(huán)境[3]。

余熱鍋爐，是利用各種工業(yè)過程中的廢氣、廢料或廢液中的顯熱或（和）其可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量的鍋爐。余熱鍋爐將工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量余熱能源進(jìn)行二次利用，可以在工業(yè)生產(chǎn)中大顯身手，利用生產(chǎn)過程中的工藝余熱產(chǎn)生高溫高壓蒸汽發(fā)電，是工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能減排、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的有效設(shè)備。余熱鍋爐的高壓、高溫過熱蒸汽用來驅(qū)動(dòng)大功率背壓式汽輪機(jī)，以直接拖動(dòng)大型機(jī)器，例如大型壓縮機(jī)、大型泵和風(fēng)機(jī)等[4]；中壓蒸汽，一部分用在凝氣式中壓汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，以供各種中小型機(jī)器和照明用，另一部分中壓蒸汽可以供中壓工藝蒸汽用，或者供中壓蒸汽輪機(jī)直接拖動(dòng)中型機(jī)器；而低壓蒸汽作為低壓工藝蒸汽和采暖用。這樣一來既回收了余熱，節(jié)約了原料蒸汽，又節(jié)省了燃料，使產(chǎn)品成本大大降低。因此余熱鍋爐在各行各業(yè)中均獲得廣泛應(yīng)用。尤其是20世紀(jì)70年代以來，由于世界的能源逐漸短缺，而能源需要量則日漸增多，有些工業(yè)國家出現(xiàn)能源危機(jī)，因此節(jié)約能源的呼聲甚高，節(jié)能措施和技術(shù)的研究者也日益增多。我國建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，這方面的研究也在緊張進(jìn)行當(dāng)中。余熱鍋爐是節(jié)能工作中回收熱能用得最普遍、最多的一種技術(shù)裝備，因而對(duì)余熱鍋爐的研究和應(yīng)用，將對(duì)能源節(jié)約起著極為重要的作用。

2 余熱鍋爐運(yùn)行現(xiàn)況及存在的問題

2.1 余熱鍋爐爐殼的作用和要求

余熱鍋爐的爐殼是鍋爐的隔絕外殼，起著絕熱和密封的作用，形成煙氣的通道，并構(gòu)成了燃燒室和煙道等的外形。

（1）防漏作用。首先，爐殼應(yīng)具有密封功能，防止正壓運(yùn)行的爐內(nèi)煙氣外泄，以免威脅現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全和影響環(huán)境衛(wèi)生，同時(shí)防止負(fù)壓運(yùn)行時(shí)，外界的冷空氣漏入爐膛和煙道，降低鍋爐的經(jīng)濟(jì)效果。

（2）耐火保溫。熱量由高溫向低溫傳遞，為了防止熱量從鍋爐受熱面向外散失，就需要對(duì)這些部件進(jìn)行耐火保溫，特別是爐膛溫度比較高，直接敷設(shè)保溫層是不可能的，必須先敷設(shè)耐火材料，必要時(shí)還要增加隔熱層，然后再敷設(shè)保溫層，才能減少鍋爐的散熱損失，提高鍋爐的熱效率，降低爐墻表面的溫度，改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的勞動(dòng)條件。

為了達(dá)到爐殼保溫的要求，爐殼熱力計(jì)算主要指標(biāo)參見表1。

表1 爐殼熱力計(jì)算主要指標(biāo)

（3）組成煙氣通道。爐殼和受熱面有機(jī)結(jié)合，使煙氣沿一定的通道流動(dòng)，完成熱交換 過程。

（4）一定的機(jī)械強(qiáng)度。鍋爐運(yùn)行中，爐殼將受到一系列機(jī)械的作用。爐內(nèi)火焰的脈動(dòng)會(huì)引起爐殼的振動(dòng)。運(yùn)行工況惡化產(chǎn)生的爆燃對(duì)爐殼是一個(gè)很大的破壞力。為此除要求爐殼材料須具有足夠的強(qiáng)度外，還要求爐殼結(jié)構(gòu)本身具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

2.2 常見余熱鍋爐爐殼設(shè)計(jì)

余熱鍋爐爐殼設(shè)計(jì)外護(hù)板直接通過空氣自然冷卻，由于余熱鍋爐煙溫一般在1000℃以上，余熱鍋爐頂部爐殼為絕熱式保溫設(shè)計(jì)，一般分為三層：耐熱層是爐殼的內(nèi)層，受高溫的直接作用；保溫層是爐殼的中間層，起保溫或絕熱作用；密封層是爐殼的外層，起密封保護(hù)作用，實(shí)際結(jié)構(gòu)為“耐火磚+耐火澆注料+密封板+保溫棉”形式。以掛磚梁為骨架，耐火拉鉤磚堆砌，然后輔以耐火澆注料填充。內(nèi)保溫做好以后，加裝保溫棉和密封外護(hù)板等保溫材料，如圖2所示。

2.3 余熱鍋爐運(yùn)行中存在的問題

2.3.1 熱效率低，存在安全隱患

鍋爐爐殼長(zhǎng)期承受燃燒室內(nèi)火焰或高溫?zé)煔饬鞯妮椛浜蜎_刷，在某些情況下，還可能有熔渣附在爐墻內(nèi)壁上，所以爐墻內(nèi)壁的溫度是很高的。絕熱式爐殼因?yàn)楸夭牧系慕^熱性能和施工工藝方面的問題，往往會(huì)出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，局部鋼架、外護(hù)板處溫度甚至高達(dá)200℃，造成熱量損失，且易燙傷現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員。

2.3.2 環(huán)保效果差，不易改進(jìn)

目前國內(nèi)余熱鍋爐運(yùn)行時(shí)普遍存在密封性能差的問題。絕熱式爐殼散發(fā)熱量使周圍空氣形成熱空氣對(duì)流加熱鍋爐外護(hù)板造成鍋爐整體外部溫度升高，增加了熱損失，同時(shí)，密封性能差造成煙氣逸出，攜帶灰塵顆粒散播影響環(huán)境、運(yùn)行安全和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員職業(yè)衛(wèi)生健康。但是單純地增加耐火澆注料的厚度勢(shì)必會(huì)造成頂部爐殼鋼架承重增加，運(yùn)行中容易垮塌。灰塵中的金屬離子能與工業(yè)生產(chǎn)中的SO2/SO3反應(yīng)生產(chǎn)酸，酸腐蝕留下銹垢形成粘結(jié)性積灰。鍋爐爐頂是最薄弱的環(huán)節(jié)，密封不妥的余熱鍋爐長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)爐頂積灰嚴(yán)重，可增加鍋爐本體荷重，給余熱鍋爐運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患。

3 余熱鍋爐頂部爐殼密封裝置設(shè)計(jì)改造

為解決常見余熱鍋爐頂部爐殼運(yùn)行中存在的問題，使余熱鍋爐的節(jié)能環(huán)保效果最優(yōu)化，本文介紹了一種有效可行的密封裝置。該裝置通過密封保護(hù)頂部爐殼，利用風(fēng)機(jī)帶走頂部爐墻的熱量，從而使其在不影響余熱鍋爐正常運(yùn)行的前提下，更節(jié)能、環(huán)保和安全。余熱鍋爐頂部爐殼密封裝置示意圖如圖3、圖4所示，通過在爐殼的掛磚梁上增加密封保護(hù)板，利用頂部爐殼本身作為風(fēng)道，周圍冷空氣作為冷卻介質(zhì)在流經(jīng)頂部爐殼時(shí)帶走其散熱，利用軸流風(fēng)機(jī)作抽風(fēng)動(dòng)力，將此部分熱風(fēng)鼓入本身為負(fù)壓狀態(tài)的穩(wěn)壓站。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的空間局限性，可以將軸流風(fēng)機(jī)加在熱風(fēng)段，即將軸流風(fēng)機(jī)加裝在密封保護(hù)裝置的出口，如圖3中的方案一，也可以將軸流風(fēng)機(jī)加在冷風(fēng)段，即加裝在密封保護(hù)裝置的進(jìn)口，如圖4中的方案二。方案一中，將軸流風(fēng)機(jī)加在熱風(fēng)段，實(shí)際密封裝置中為微負(fù)壓狀態(tài)，對(duì)密封裝置的密封要求低，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境易于得到改善。方案二中，將軸流風(fēng)機(jī)加在冷風(fēng)段，實(shí)際密封裝置中為微正壓狀態(tài)，密封裝置的密封不嚴(yán)實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境衛(wèi)生不能得到有效改善。所以方案一是優(yōu)選方案。

從經(jīng)濟(jì)成本和安全運(yùn)行兩方面綜合考慮，密封保護(hù)裝置宜采用輕質(zhì)鋼板焊接，并采用微拱形結(jié)構(gòu)。輕質(zhì)鋼板物美價(jià)廉，易于制作成形和現(xiàn)場(chǎng)焊接，同時(shí)，密封保護(hù)裝置并沒有增加余熱鍋爐本體太大的荷重。采用拱形結(jié)構(gòu)，使余熱鍋爐頂部不易積灰。

4 密封保護(hù)裝置效果

經(jīng)過設(shè)計(jì)改造，在用的余熱鍋爐在節(jié)能、環(huán)保、安全方面都能得到改善。同時(shí)，也可以給鍋爐設(shè)計(jì)制作單位提供一些設(shè)計(jì)思路，有利于余熱鍋爐在工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)行業(yè)的推廣。

4.1 實(shí)現(xiàn)三次節(jié)能

因?yàn)檫M(jìn)口煙溫溫度比較高，目前，國內(nèi)外對(duì)于余熱鍋爐密封裝置的研究主要集中在進(jìn)料方面，而對(duì)煙溫利用之后能源三次利用的密封和節(jié)能很少涉及。因?yàn)橛酂徨仩t產(chǎn)生的蒸汽溫度、流量受工況影響變化，用穩(wěn)壓站能實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度和流量的穩(wěn)定。余熱鍋爐收集的熱風(fēng)可以送到穩(wěn)壓站，提供了空氣的溫度和熱能，強(qiáng)化了燃燒和傳熱，達(dá)到了節(jié)能的目的。余熱鍋爐爐頂改造前、后相關(guān)性能指標(biāo)比較見表2。

表2 改造前、后相關(guān)性能指標(biāo)比較

4.2 改善現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境衛(wèi)生和職業(yè)安全健康

余熱鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)，給大家的印象往往是臟亂差，爐內(nèi)的高溫?zé)焿m往往含有硫等嚴(yán)重?fù)p害身體健康的物質(zhì)和成分。經(jīng)過改造，爐內(nèi)高溫有害煙氣不再溢出，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境衛(wèi)生得到改觀，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員不會(huì)因?yàn)楦邷責(zé)焿m而危害職業(yè)健康。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員燙傷危險(xiǎn)得到解決

余熱鍋爐屬于高溫高壓類特種設(shè)備，其運(yùn)行的一個(gè)重大安全隱患就是燙傷。新的密封保護(hù)裝置給鍋爐新增了一個(gè)保護(hù)罩，通過實(shí)測(cè)，外殼溫度能降低10℃左右，保證了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全，杜絕了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的燙傷安全隱患。

4.4 解決了積灰影響鍋爐本體安全的隱患

余熱鍋爐頂部往往積灰嚴(yán)重，密封不妥的余熱鍋爐可增加鍋爐本體荷重?cái)?shù)噸甚至十幾噸，鋼梁承重負(fù)荷增加，如超出設(shè)計(jì)范圍，甚至帶來垮塌的風(fēng)險(xiǎn)[5]。改造后，增加的密封保護(hù)裝置為輕型，荷重沒有明顯增加，頂部的積灰現(xiàn)象得到改善，鋼梁的承重負(fù)荷得到改觀，能保證在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)消除余熱鍋爐鋼結(jié)構(gòu)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

余熱鍋爐常見爐殼設(shè)計(jì)外護(hù)板直接通過空氣自然冷卻，實(shí)際運(yùn)行中其效果不能滿足我們對(duì)余熱鍋爐本身經(jīng)濟(jì)性、密封性以及安全性等方面的要求。新型的頂部爐殼密封保護(hù)裝置彌補(bǔ)了其不足，將頂部爐殼密封并使用軸流風(fēng)機(jī)吸收周圍冷空氣強(qiáng)制冷卻爐殼，不僅減少了爐殼散熱損失、保護(hù)了爐殼本身安全，也完全避免了運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員在此處作業(yè)時(shí)的燙傷危險(xiǎn)，并且提高了爐墻密封性，降低了鍋爐泄漏風(fēng)險(xiǎn)和維保人員的清掃工作量。實(shí)現(xiàn)了熱效率的提高，消除了安全隱患，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的。