一种新型废热锅炉的结构设计

废热锅炉1.废热锅炉概论　废热锅炉是利用工业生产过程中的余热来生产蒸汽的锅炉。

它属于一种高温、高压的换热器。

废热锅炉较早是用来产生一些低压蒸汽,回收的热量有限,只是作为生产的一般辅助性设备。

随着生产技术的发展,废热锅炉的参数逐渐提高,废热锅炉由生产低压蒸汽的工艺锅炉转变为生产高压蒸汽的动力锅炉。

废热研究的新成果不断涌现研究的新成果不断涌现得在废热锅炉设计、制造、使用、安全管理等领域的研究的新成果不断涌现[1]。

1.1 废热锅炉的特点废热锅炉与普通动力锅炉一样, 都是生产动力蒸汽的一种高温高压设备, 所不同的是热源不同。

它不是采用煤油、天然气、煤等燃料, 而是利用化工生产工艺气中的废热。

因此, 它既是一种能量回收装置, 也是一种化工介质工艺设备。

废热锅炉的共同特点是: 操作条件比较恶劣( 如高温、高压、热流强度大, 锅炉受压元件的热应力大等) , 并要求连续、稳定地安全运行, 对高温工艺气的温度和冷却速度的控制要求十分严格。

废热锅炉的运行比常规锅炉更复杂, 废热锅炉利用的是余热,不仅是高温气体的显热, 而且还利用某些废气中所含少量的可燃物质(如一氧化碳、氢气、甲烷) 等化学热能。

例如, 催化裂解装置中再生器排出的再生气体, 其温度可达550 ℃～750 ℃[2]。

另外催化裂解装置再生器排出的高温烟气中含有很多粉状催化剂。

烟气中灰分含量高, 不但对流受热面的磨损加剧, 而且因为受热面积灰严重, 需要经常除灰和定期停炉清扫, 给生产带来一定困难。

有些高温烟气中含有较多的二氧化硫和三氧化硫,使得烟气露点升高, 受热面的低温腐蚀严重, 检修工作量增加。

1.2废热锅炉的分类在废热锅炉中进行的是热量传递的过程,因此废热锅炉的基本结构也是一具有一定传热表面的换热设备。

但是由于化工生产中,各种工艺条件和要求差别很大,因此化工用的废热锅炉结构类型也是多种多样的。

1.2. 1 按照炉管是水平还是垂直放置,废热锅炉可以分为卧式(大都采用火管式,即管内走高温工艺气体,而管外走饱和水或水蒸气) 和立式(比卧式锅炉水循环速度快,传热速率较高,蒸汽空间也较大,因此这种锅炉蒸发量大) 两大类。

摘要荒煤气是煤在高温干馏时产生的混合气，成分复杂，其自身经处理后可以得到多种化工产品。

此外，荒煤气中还蕴含着大量显热，在能源情况不容乐观的当下，对荒煤气显热回收利用的研究对于我国的节能减排措施具有重要意义。

而采用废热锅炉回收热量是一种较为成熟的方法。

管壳式换热器具有结构简单，使用经验丰富，可靠性强等优点，在目前的应用中最为广泛，同时可作为废热锅炉使用。

由于荒煤气组分复杂，本文首先利用Aspen Plus 软件对其中的煤焦油组分采用虚拟组分法进行分析。

文中采用管壳式换热器来对荒煤气显热进行回收。

先通过经典计算来得出传热系数，再与Aspen Plus 得出的传热系数进行对比，得出二者误差在合理范围内。

在后续换热器设计中，继续使用Aspen Plus 软件对换热器进行工艺设计，结合初步设计结果再对设计参数进行校正。

以工艺设计参数为基础，对换热器进行了机械结构设计，主要进行了材料的选择以及相关强度的校核工作。

在完成机械设计后利用AutoCAD 软件绘制出换热器装配图。

本文在设计计算及图纸绘制过程中参考了相关设计手册及国家标准。

关键词：荒煤气；传热计算；结构设计Heat Transfer Calculation and Mechanical Design for WasteHeat Boiler of Coke Oven GasAbstractCoke oven gas is a gas mixture which is produced in the process of high temperature dry distillation of the coal. With its complex composition, we can get a variety of chemical products from it after some appropriate processes. In addition, coke oven gas also contains a large amount of sensible heat. As the present situation of the resource is not affirmative, the research on the heat recovery of coke oven gas is of great significance in our country’s Energy saving and emission reduction measures. The use of waste heat boiler for heat recovery is a mature method. Shell and tube heat exchanger has a number of advantages such as a simple structure, rich experience, strong reliability and so on, which makes its current application most extensive. Besides, it also can be used as a waste heat boiler.Due to the complexity of the gas’s component, firstly this article use Aspen Plus to analyze the coal tar in it by pseudo-component method. In this article, shell and tube heat exchanger is used to recover sensible heat. The heat transfer coefficient is obtained by the classical calculation, and then compared with the heat transfer coefficient obtained by Aspen Plus, the error is within reasonable range. In the subsequent heat exchanger design, we continue using Aspen Plus on the heat exchanger process design. Combined with the preliminary design result, the design parameters are then adjusted.On the basis of the parameters provided by process design, the mechanical design of the heat exchanger is done. Mainly for the selection of materials and strength check work .And the assembly diagram of the exchanger is drawn at the same time via AutoCAD. During the design calculation and drawing process, some relevant design manuals and national standards are referenced.Key Words：Coke Oven Gas; Heat Transfer Calculation; Mechanical Design目录摘要 (I)Abstract (II)1文献综述 (1)1.1荒煤气简介 (1)1.1.1荒煤气来源与组成 (1)1.1.2荒煤气基本特点 (1)1.1.3荒煤气应用价值 (1)1.2荒煤气热量回收方法 (2)1.2.1上升管汽化冷却技术 (2)1.2.2导热油夹套技术 (3)1.2.3热管式换热技术 (3)1.2.4废热锅炉换热技术 (4)1.3换热器流程模拟简介 (5)1.4本文研究内容 (6)2废热锅炉工艺设计 (7)2.1荒煤气成分分析 (7)2.1.1干煤气组成分析 (7)2.1.2其他杂质组成分析 (7)2.1.3煤焦油组成分析 (8)2.2废热锅炉初步设计与优化 (10)2.2.1流股基本数据 (10)2.2.2传热系数的确定 (10)2.2.3模拟物性选择依据 (13)2.2.4废热锅炉设计计算 (13)2.2.5废热锅炉优化及校核 (15)2.3废热锅炉结构设计 (17)2.3.1换热管束设计 (17)2.3.2壳体内径设计 (18)2.3.3折流板设计 (19)2.3.4接管设计 (19)2.3.5设计参数结果 (20)3废热锅炉机械设计 (21)3.1管壳式换热器基本类型 (21)3.1.1固定管板式换热器 (21)3.1.2浮头式换热器 (22)3.1.3U 型管式换热器 (22)3.1.4填料函式换热器 (23)3.1.5换热器类型选择 (24)3.2废热锅炉机械结构设计 (24)3.2.1筒体内径确定 (24)3.2.2部件连接 (25)3.2.3管箱结构设计 (26)3.2.4管板设计 (27)3.2.5折流板与拉杆布置 (27)3.2.6其他结构设计 (28)3.3废热锅炉强度计算 (30)3.3.1筒体壁厚计算 (30)3.3.2管箱壁厚计算 (30)3.3.3封头设计计算 (31)3.3.4换热管壁厚校核 (32)3.3.5膨胀节计算 (32)3.3.6管板计算 (32)3.3.7开孔补强计算 (33)3.3.8支座计算 (34)3.3.9设计结果汇总 (35)设计总结 (36)参考文献 (37)附录A 设计中所用算图 (39)附录B 膨胀节详细计算 (43)附录C 管板详细计算 (45)致谢 (48)1文献综述1.1荒煤气简介1.1.1荒煤气来源与组成荒煤气又称粗煤气，是煤在焦炉中高温干馏时（约900~1050℃）产生的混合气。

废热锅炉课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解和掌握废热锅炉的基本原理、结构、工作流程及其在工业中的应用。

通过本课程的学习，学生应能：1.描述废热锅炉的基本结构和主要组成部分。

2.解释废热锅炉的工作原理和热交换过程。

3.分析废热锅炉在工业中的应用和优势。

4.识别和解决废热锅炉运行中可能出现的问题。

5.掌握废热锅炉的安全操作和维护方法。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.废热锅炉的基本原理：介绍废热锅炉的工作原理、热交换过程及能量守恒定律。

2.废热锅炉的结构与组成部分：讲解废热锅炉的主要组成部分，如锅筒、受热面、炉膛、烟风系统等。

3.废热锅炉的应用与优势：阐述废热锅炉在工业生产中的应用场景及其相比传统加热方式的优点。

4.废热锅炉的运行与维护：介绍废热锅炉的运行原理、操作步骤和维护方法，以及常见问题的诊断与处理。

5.废热锅炉的安全技术：讲解废热锅炉的安全操作规程、应急预案和防范措施。

三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用以下教学方法：1.讲授法：教师讲解废热锅炉的基本原理、结构和运行维护方法，为学生提供系统的知识体系。

2.案例分析法：通过分析实际案例，使学生更好地理解废热锅炉的应用和解决实际问题的能力。

3.实验法：安排实验课程，让学生亲自动手操作废热锅炉，增强实践能力。

4.讨论法：学生进行小组讨论，分享学习心得和经验，提高沟通与合作能力。

四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的废热锅炉教材，为学生提供系统的学习资料。

2.参考书：推荐相关参考书籍，拓展学生的知识视野。

3.多媒体资料：制作精美的课件、教学视频等，提高学生的学习兴趣。

4.实验设备：准备废热锅炉实验装置，让学生亲身体验废热锅炉的运行原理。

5.在线资源：利用网络资源，为学生提供更多学习资料和行业动态。

五、教学评估本课程的评估方式包括平时表现、作业、考试等，旨在全面、客观、公正地反映学生的学习成果。

目录一、工程概况二、编制依据三、施工前的准备工作四、钢结构的安装及质量要求五、冬雨期施工技术措施六、安全技术措施七、环境保护措施八、施工主要工机具九、主要劳动力安排十、手段措施用料十一检验、测量和试验设备选择配备表一、工程概况：本废热锅炉钢结构与其他同吨位炉子相比，较复杂；其中：纵向立面钢架需要安装21个清灰振打装置孔，其大小梁柱达150根之多，另有炉墙、炉板及顶面钢架，因此，必须精心施工才行。

锅炉钢架结构安装总重约68吨，其中：钢架部分40吨，灰斗、进气口7吨，平台扶梯8.5吨，护板达200平方米约7吨，振打装置4.4吨及众多锚钉加强筋，检查门10个。

二、编制依据1、《电力建设施工及验收技术规范（锅炉机组篇）》DL/T5047-952、QCF30/900-17-3.82/450锅炉安装说明书3、《钢结构工程施工及验收规范》GB50205-2002三、施工前的准备工作1、技术资料安装前应具备下列技术资料：1.1交付安装的钢构件及附件必须符合设计要求，并附有其出厂合格证；1.2钢结构安装图、基础图、主要部件图、节点详图、安装说明书等技术性文件；1.3钢结构装箱清单；1.4有关的安装规范及安装技术要求或方案；1.5编制的施工方案已审批。

2、构件及附件验收2.1开箱检验应在有关人员参加下，按照装箱单核对其规格、型号、包装箱号、箱数并检验包装状况；2.2暂时不安装的部件、附件应采取适当的防护措施，妥善保管，严防变形、损坏、锈蚀、错乱或丢失等现象；3、安装前应具备的条件3.1组织施工人员进厂及临设铺设；参加施工的人员，必须经过岗位培训，并持有上岗资质证书，同时应熟悉本方案；3.2施工运输和消防道路畅通，施工用的照明、水源、电源已备齐。

3.3安装时所使用的测量及检查仪器与量具的精度均需符合国家计量局规定的精度标准，并在有效使用期内。

3.4施工机具准备齐全，所使用的卡环、钢丝绳、夹扣、手拉葫芦等起重工具应具有质量合格证明书，使用前应对其进行仔细检查，确认无误方可使用；需外地租赁的设备、机具应落实到位。

管壳式废热锅炉的设计杨雷【摘要】由于工业的发展和全球能源供求紧张,世界各国对废弃不用的余热愈发重视,废热锅炉是利用余热产生压力蒸汽,并以此做为供热、供气、供电和动力的辅助能源,以提高热能的综合利用率,达到提高经济效益的目的.本文主要介绍了管壳式废热锅炉设计工作的一些要点.【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2012(015)003【总页数】3页(P78-79,85)【关键词】管壳式废热锅炉;设计【作者】杨雷【作者单位】抚顺石油机械有限责任公司技术中心,辽宁抚顺113004【正文语种】中文管壳式废热锅炉是一种用于回收工艺介质余热的废热锅炉。

由于余热源为带有一定压力的工艺介质，且工艺介质的压力往往较高，这类废热锅炉结构上与压力容器相似，因此称为管壳式废热锅炉，并按压力容器专业标准设计制造和验收。

管壳式废热锅炉一般分为列管式、盘管式、插入式、双套管式、U型管式及直流式。

我单位给某煤制气项目设计制造的制硫废热锅炉是一例典型的管壳式废热锅炉，其特点和设计过程如下。

1 工艺参数的确定原则由于该项目制硫废热锅炉过程气的特点是压力相对较高、温度高、流量相对较低，故选择管壳式废热锅炉中的列管式（相当于固定管板换热器），而这类废热锅炉通常都是火管锅炉，即管程走高温过程气，壳程走水、水蒸汽。

对于这类废热锅炉的设计参数，通常由工艺部门根据过程气的进出口温度、流量及需要产生的蒸汽的压力、温度，算出产汽量，然后根据这些参数算出换热面积，确定壳体直径、长度，换热管长度、根数以及汽包直径和长度。

再根据水动力循环计算确定汽包高度、汽包给水管径、上升管径、下降管径及汽包蒸汽出口管径。

在上述参数确定后，就可以按压力容器相关标准进行结构设计了。

2 确定设计参数壳程工作压力：4.6Mpa；进/出口工作温度：1500℃/350℃；介质：除氧水、水蒸汽；程数：1；腐蚀裕量：2mm；管程工作压力：0.05Mpa；工作温度：260℃；介质：过程气程数：1；腐蚀裕量：3mm；换热面积：1096m3；壳程设计压力：5.2Mpa；壳程设计温度：270℃；管程设计压力：0.25 Mpa；由于管程进口温度高，故在进口侧管箱壳体及管板等与过程气接触部分有隔热衬里（进口侧管箱隔热衬里厚度根据设计温度高于管程介质的露点温度的原则，由工艺确定）。

化工设备设计・8・1999年第36卷7×104t/a硫磺回收装置废热锅炉结构及有限元应力分析经树栋陆毅(华东理工大学,上海200237)摘要本文介绍了年产七万吨硫磺回收装置废热锅炉结构及有限元应力分析,该结构对于降低管板表面温度,防止高温硫腐蚀,减小管板应力都十分有效。

关键词硫磺回收装置废热锅炉管板有限元1前言近年来,我国石化企业发展很快,炼厂的炼油规模也越来越大,炼油过程中产生的含二氧化硫废气的处理问题已迫在眉睫。

工业的发展,应该与环境友好,而不能污染环境,国家对工业废气的排放控制要求也越来越严。

为了处理好二氧化硫废气,国内已有一些硫磺回收装置相继投建,且装置的规模越来越大。

为了提高装置的蒸汽利用率,回收的压力也越来越高,硫磺回收装置中的废热锅炉是一台关键的工艺设备,其运行的可靠性将直接影响硫磺回收装置的生产周期,生产安全和硫磺回收率,即直接影响硫磺回收装置的社会效益和经济效益。

由于设计制造具有较大难度,现有国内引进的几套硫磺回收装置的废热锅炉均有国外设计制造,花费了大量的外汇。

为了节省投资,大型废热锅炉的国产化就很有必要,对今后同类装置的建设和我国自行建造大型硫磺回收装置提供经验都是具有十分重要的现实意义。

本文所介绍的7×104t/a硫磺回收装置废热锅炉,是由镇海炼化公司工程设计公司,四川石油设计院和华东理工大学化工机械研究所共同研制开发的。

该废热锅炉的设计压力P=4.5MPa;蒸发量Q=27t/h;锅炉直径DN=2900mm,是台高参数废热锅炉,如此高参数硫磺回收装置中的废热锅炉,不仅在国内可称之最,而且在国外也属少见,就连具有国际先进硫磺回收技术的荷兰COMPRIM O公司也无这方面的业绩。

2锅炉结构锅炉结构形式为管壳式(外置汽包),锅炉直径<2900mm,汽包直径<1300mm。

进气室与主燃室直接相连,来自主燃室1278℃高温过程气经隔热花墙均布后进入换热管(换热管为<38×3.5,共1472根),经换热后冷却至322℃,然后进入硫磺冷凝器。

变换气废热锅炉的设计制作与日常维护0 引言变换气废热锅炉，是指利用烟气热量加热水产生蒸汽的一种锅炉。

变换气废热锅炉最初是用于制造低压蒸气，产能有限，仅用作辅助生产。

随着生产技术的发展，特别是煤化工技术的发展，变换气废热锅炉变的也来越重要，已成为煤化工装置的关键核心设备之一，其运行状况直接关系到装置中的整个生产过程。

变换气废热锅炉在化工中的作用越来越大，变换气废热锅炉在生产中的应用比重也越来越大[1]。

变换气废热锅炉一般用于热量回收，所以它承受的温度一般都比较高，高温下运行要求也比较苛刻。

由于设备需要长期在高温下运行，所以对其结构的要求和制造材料的选用都是设计者重点考虑的[2]。

1 设计1.1 结构设计(1)变换气废锅一侧介质为高温高压的变换气，另一侧为水、水蒸气，一般选择管程侧为高压的变换气，壳程侧为压力较低的水、水蒸气。

(2)壳程为了将水加热成水蒸气，需较大的蒸发空间，因此选择GB/T 151—2014中K型中部结构。

(3)在高的管程压力和很大的管壳程温差联合载荷的作用下，固定管板无法满足强度要求，因此选用U型换热管。

综上，变换气废锅整体设计为卧式BKU型换热器，管程为变换气，壳程为水、水蒸气。

1.2 材质选择(1)管程变换气，成分为一氧化碳、氢气、二氧化碳、硫化氢等，具有腐蚀性，应选择不锈钢，并且为减少硫化氢腐蚀和晶间腐蚀倾向，要求管程接触介质的部分均使用不锈钢S32168。

(2)因为管程压力高，奥氏体不锈钢强度在中低温时相对碳钢较低，同时为降低成本，管箱筒体、封头、管板均采用碳钢+S32168的复合形式。

(3)管箱筒体、封头一般采用碳钢+S32168的复合板。

基层一般选择15CrMoR 或Q345R。

因15CrMoR为耐热钢，高温时强度高，但其有工艺加工性差的缺点，因此在温度相对较低时选择Q345R作为基层，温度较高时选择15CrMoR 作为基层。

(4)管板采用碳钢堆焊S32168，从制作加工性考虑，一般选择16Mn锻件堆焊S32168，如果温度较高，管板基层可选择锻件15CrMo或锻件20MnMo。