鍋爐設計中應注意的問題及對策

周健

（安徽海螺川崎節能設備制造有限公司）

一、引言

鍋爐作為工業生產中的特種設備，由于其結構特點必須承受不同程度壓力和各種應力，因此在設計過程中有著更高的要求。因為鍋爐及相關部件必須在高溫高壓下長時間運行，各部件必須依靠管道進行能量傳遞才能滿足鍋爐操作要求，所以管道設計中需對結構布局和材料強度進行詳細計算分析。所以在設計工業鍋爐時，需要綜合考慮各種因素，最終做出優秀的設計方案，為工業經濟的發展做出貢獻。

二、工業鍋爐設備的特點

工業鍋爐作為工業生產活動的專用設備，因此具有一定的特點。分析工業鍋爐特點，優化設計方案，提高工業鍋爐設計水平，可以保障工業生產安全穩定運行。

1.惡劣的工作環境

工業鍋爐是一種具有獨特運行特點的特種設備，主要體現在三個方面。首先，鍋爐的工作環境相對較差，對內部結構影響較大。工業鍋爐主要為工業生產供電，但無論清潔度還是溫濕度因素，運行環境都比較差。一般來說，工業鍋爐所處的環境比較惡劣，因此鍋爐內部零件的損耗較大，相關的工作部件也容易變形或損壞。由于鍋爐內部結構比較復雜，連接性強，會引起整個鍋爐設備的運行問題，為工業生產的穩定運行造成阻礙。為此，在設計工業鍋爐的過程中，需要考慮運行環境的影響，對內部結構進行合理的設計，以降低發生安全事故的可能性。

2.明顯的破壞性和危險性

鍋爐除了具有相對惡劣的工作環境的運行特點外，還具有明顯的破壞性和危險性。分析鍋爐的內部結構是一種能量轉換裝置，可以看出運行結構比較復雜。但是，由于鍋爐在進行能量轉換時需要承受外部高溫和內部壓力。但是，工業鍋爐受運行參數、水質以及日常維護等多種因素的影響，鍋爐內部可能會出現腐蝕、磨損或裂紋。在后續運行中受壓力波動的影響，鍋爐會出現爆管性運行問題。這會損壞鍋爐設備，使其極具破壞性并危及附近員工的生命。因此，在設計工業鍋爐時，設計者必須分析這些因素，并確保零件的合理設計，以避免出現安全問題。

3.設計結構比較復雜

在設計工業鍋爐時，要注意其結構的復雜性。工業鍋爐為工業生產提供動能，整體結構設計明顯復雜，零部件數量較多。但是，這些部件是相互關聯的，只有實現了合理的內部結構設計，才能獲得內部結構的科學特性。特別是在管排布置時，必須科學地設計配管，使工業鍋爐可靠運行，為工業生產提供更多動力。因此，在設計工業鍋爐時，要根據工業生產的具體特點有針對性地進行設計，保證鍋爐的運行效率?？梢哉f，隨著工業生產的發展，鍋爐設備的功能也逐漸受到人們的關注。

圖1 鍋爐內部結構

三、工業鍋爐設計中需要注意的問題

1.輔助設備與鍋爐不配套

工業鍋爐的輔助設備主要是指輔助機，是實現機械化燃料連續供給、均勻配風、連續供熱、連續清除煤渣和高效去除污染物的關鍵。但目前仍存在與鍋爐配套不足、輔助機產品質量不穩定等問題。鍋爐的優良性能是節能減排的基礎，實現機械化連續燃燒是穩定供煤、穩定燃燒、穩定排渣所必需的。另外，必須改進燃料和空氣分配，必須保證空氣分配的均勻性，使燃料完全燃燒，減少有害氣體的產生。

2.自動控制水平較低

鍋爐運行自控裝置的運行水平比較低，目前工業鍋爐一般沒有配備傳感裝置，在實際的調節過程中，操作人員無法對鍋爐的燃燒條件和負荷變化進行調節和控制。某些數據無法及時整合，實際變化會調整鍋爐的運行工況，限制鍋爐和電機的運行效率，造成更嚴重的浪費。

3.高熱高污染問題

工業鍋爐容量較小，熱效率較低。近年來，我國不斷提高熱電聯產項目水平，但總體而言，小容量鍋爐的比例仍然較高，但大部分鍋爐運行負荷較低，導致燃燒不完全，熱損失增加，這是嚴重影響運行效率。工業鍋爐使用的煤大部分沒有經過預處理，因此無法保證粒度和熱值。工業鍋爐一般為分層燃燒，但缺乏適應性，當煤種發生變化時，鍋爐的運行特性也會發生變化，影響鍋爐的效率。工業鍋爐排煙溫度較高，污染較大，企業使用的有機熱載體鍋爐一般采用分層燃燒，排煙溫度可達300℃以上，排放大量二氧化氮和二氧化碳，造成嚴重的環境污染，并產生大量的熱損失。

4.能源浪費情況比較嚴重

我國目前能源浪費的狀況比較嚴重，我國能源結構的主體是煤炭，其主要產品是燃煤工業鍋爐，這也是我國產生煙塵型污染的主要原因。目前，我國工業燃煤鍋爐的比例很高，工業鍋爐主要用于工業發電和建筑供暖領域，每年耗煤4 億噸。見年來，我國也出現能源短缺，在尋找新能源的過程中，必須對工業鍋爐進行重新設計，不斷提高燃燒效率，降低原材料消耗。

5.排污設計

鍋爐內部結構比較復雜，結合力強，如果不能及時進行排污設計，會影響鍋爐運行效率。在審查鍋爐設計質量時，首先要對排污口進行科學設計，確定排污口的位置。如果排污口沒有放置在最低位置，鍋爐內的所有雜質將無法有效排出，影響整個系統的運行。同時，如果底部集箱不設置排污口，頂部的排污口沒有進行科學規劃，會對最終的排污效果產生負面影響。因此，在設計鍋爐排污時，要注意排污口的合理設計，規劃排污系統，保證排污效果。

6.除渣機運行過程中故障較多

長期以來，由于對除渣機重視不夠，對除渣機的工作環境了解不夠深入，除渣機的設計制造存在一些不足，導致除渣機的功能不夠完善，精度和效率達不到預期標準。同時，維護成本仍然較高，除渣機運行中仍存在諸多問題，導致除渣機運行故障率較高。除渣機運行中存在以下問題：除渣機速度快，螺旋除渣機直徑和鏟式除渣機寬度不夠；除渣機運行過程中，渣底板和上鏈支架設置不當，會造成嚴重磨損；除渣機驅動器過載能力小，未安裝電氣或機械過載保護裝置；除渣機并且除渣機內存在大量溫度過高的熱渣，導致除渣機溫度較高。

7.防焦箱前爐壁破損變形

在鍋爐制造設計的相關規定中，已經規定了鍋爐防焦箱與爐壁之間的間隙，通常需要保持在10 mm 左右，如果有備件，可以用保溫棉網填充。鍋爐砌筑施工及驗收中，也規定了鍋爐防焦箱與爐墻的距離，需要保持在0 ～10 mm 之間，即焦爐與爐墻的距離為10-12mm，合格。但理論上考慮到反焦箱在最高溫度下的膨脹，安裝時需要將反焦箱與爐墻的間隙控制在20mm，這樣可以有效保證反焦箱的正常運行，不會對擋墻帶來不利影響。但在實際設計和使用過程中，設計間隙往往小于2mm，不可避免地導致爐壁開裂的問題。

圖2 鍋爐排污余熱回收工藝

四、提高鍋爐設計的質量的具體措施

1.優化配套系統

工業鍋爐在實際運行中，不同系統必須相互配合，才能達到高的能源利用率，在系統結構優化的基礎上改進相關資源的配置，保持更好的相關支撐系統。結合工業鍋爐的型號和特點，可以有效控制相關的配置工具。只有不斷加強水質管理，才能使鍋爐內的燃料充分燃燒，提高能源利用效率。在發展過程中，工業鍋爐節能設計不是單一的形式，而是逐漸呈現多種形式，從而可以根據不同的鍋爐型號和規格進行系統節能設計，因此需要配套的系統，還需要進行必要的節能轉換，縮小兩者之間的差距，以達到最佳配合。在工業鍋爐系統節能改造過程中，中小企業的工業鍋爐差異最大，在具體運行管理方面，要根據實際需要進行調整和改進，科學調整必須在認識差異的基礎上進行，這樣才能保證能源的有效利用，不能采取單一的節能措施。否則，節能效果會很差。

2.提供技術支持材料

工作人員要做好市場調查，選擇經濟實惠的金屬材料，需要員工進行市場調研，還要充分考慮鍋爐制造過程中的腐蝕和磨損。如果水質不達標，不僅會影響使用受熱面上有管道破裂問題，也容易出現腐蝕，因此必須做好材料的選擇和驗收。在設計鍋爐時，需要維護一套相關資料，包括圖紙和設備設計、運行、安裝和維護等相關資料。制造商必須將這些資料交付給用戶，并確保這些資料及時更新。鍋爐設計和制造藍圖、手冊等必須由制造商直接提供給買方，如有設計變更，需明確通知賣家，并明確注明變更內容。

3.合理設置水位與防爆裝置

工業鍋爐要進行科學設計，除了強度的科學設計外，還要合理設置水位和防爆裝置。具體來說，在設計水位時，應根據具體的工作環境進行檢查。在鍋爐設計過程中，經常會出現水位計接口設置不夠科學的問題，具體表現為最低水位低于或高于最高火界，影響鍋爐運行的穩定性。鍋爐運行比較危險，會引起各種問題，需要防爆設置。工業生產中以燃油鍋爐和燃氣鍋爐為主，容量值不斷增加，僅使用防爆門進行防爆設置，不能滿足防護需要，不能滿足生產安全操作要求。作為工業生產的鍋爐，通常是比較大的，但是如果防爆門的面積小或者距離太遠，就達不到防爆的目的。在防爆設計的情況下，可以通過自動防火裝置進行防爆工作，并且可以通過在有爆炸危險的位置安裝防爆門來保障工作人員的生命安全。

4.改造燃燒系統，應用清潔燃燒技術

采用煤氣化無鉛燃燒技術改造鍋爐燃燒系統，該技術的關鍵是最終實現燃燒過程中使用的固體煤氣完全燃燒的目標。采用該技術可有效防止煤炭燃燒時產生灰分，提高燃燒效率。過去在鍋爐周圍安裝除塵裝置，但效果不大。使用該技術可以有效減少廢氣中的粉塵總量，這對空氣和環境保護非常重要。因此，要推廣煤氣化無鉛燃燒技術，必須對鍋爐結構進行改造。目前，在火力發電過程中，下飼式爐排、振動爐排、角管式鍋爐等各種先進的鍋爐燃燒技術已得到廣泛應用，以節約煤炭，減少有害氣體排放，減少空氣污染。

5.提高能源的使用效率

提高能源利用效率意味著提高鍋爐的設計和運行效率，而不是簡單地增加鋼材消耗以實現更多的輻射和對流換熱面。對于燃煤鍋爐，改善爐膛空氣分布，提高燃煤率，有效降低爐渣含碳量，巧妙配置爐膛燃燒動力場，使鍋爐在寬煤種的范圍內均可保證較好的燃燒。鏈式燃煤鍋爐常用的方法有采用分層給煤技術、雙人字拱的節能爐拱、爐內一次二次風的合理布置等。對于燃氣鍋爐，由于燃燒氣體的灰分含量較高，一般嚴格控制煙氣流量，防止對流換熱面磨損，影響其使用壽命。用于煙氣對流段增加煙氣流量，增加對流換熱系數。另一方面，以天然氣為燃料的鍋爐煙氣中水蒸氣的體積含量通常在15%至19%之間，這遠高于燃煤鍋爐煙氣中不到6%的水蒸氣含量。目前，鍋爐熱效率是以低熱值計算的，雖然標稱熱效率高，但由于高熱值和低熱值的差異，需要提高實際能源利用率。為充分利用能量，降低廢氣溫度，回收廢氣物理熱能，當換熱器壁溫低于廢氣露點溫度時，煙氣中的水蒸汽將被冷凝，釋放潛熱，10%的高低位發熱量差就能被有效利用。

6.工業鍋爐的環保措施

進行工業鍋爐的爐膛設計時，其中最重要的是爐膛容積的設計，其大小既要保證燃料完全燃燒，又要符合燃料燃燒標準。還必須設計有良好的傳熱效果，才能有效地將熱量傳給坯料。在設計爐膛時，必須考慮燃燒方式、燃料種類、燃燒器布置、熱負荷等幾個因素。這取決于燃燒釋放的熱量不同，熱量越高，產生的氣體越少。這是由于充分燃燒的因素。但是，如果不同燃料燃燒產生的熱量是恒定的，則廢氣的體積明顯不同。因此，可以根據完全燃燒來設計爐子的高度，并根據該值和其他特性計算出爐子的最終高度。但在最終確定爐高時，除考慮完全燃燒的特點外，還要根據爐膛本身是否能容納燃燒裝置，如果燃氣換熱爐正常，則流量正常，應充分考慮耐高溫、耐磨、溫度變化快、不發生氧化反應等特點，對爐底耐溫變要求較高，必須承受重量和受因氧化、沖擊、摩擦和旋轉引起的溫度變化。

五、結束語

設計是工業鍋爐安全穩定運行的關鍵環節，只有保證設計合理，才能為鍋爐安全高效運行奠定良好的基礎。工業鍋爐的設計應重點綜合分析管道結構布置、強度計算和壽命，以及鍋爐運行過程中可能出現的各種情況。通過分析工業鍋爐設計時應注意的問題，為以后的設計工作提供參考資料，可以提高鍋爐設計水平。