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。
1.2. 2 按照锅炉操作压力的大小,废热锅炉可以分为低压(蒸汽压力在1. 3MPa 以下) 、中压(蒸汽压力在1. 4 —3. 9MPa 范围内) 、高压(蒸汽力在4. 0 —
10.0MPa 范围内) 三大类。
1.2. 3 按结构和工艺用途来分类
（1）按照炉管的结构形式不同,废热锅炉可以分为:列管式、U 形管式、刺刀管式、螺旋盘管式以及双套管式等。
（2）按照其生产工艺或使用的场合不同,废热锅炉可以分为:重油气化废热锅炉、乙烯生产裂解气急冷废热锅炉、合成氨前置式、中置式或后置式废热锅炉等。
2 废热锅炉的设计
2. 1 设计计算内容
工艺尺寸的设计与计算、零部件结构的设计与计算。为达到刚度和强度,要求设计壳体壁厚时的弹性失效准则,考虑到容器宏观强度和致密性,必须采用耐压试验,设计中,局部应力引起的失效是不允许的,故必须采用开孔补强设计。
2. 2 具体设计计算步骤
2. 2. 1 机械强度计算①选材料; ②壁厚计算
2. 2. 2 开孔补强:人孔、汽包开孔、小封头开孔
2. 2. 3 压力试验(水压试验、气压试验) 及应力校核
2. 2. 4 换热面积校核
2. 2. 5 鞍座的设计与校核
2.3 废热锅炉的设计发展
废热锅炉是焦化厂煤气净化生产线硫回收单元的主要设备。为满足系统工艺要求, 传统废热锅炉的结构设计均采用前后两套废热锅炉才能实现硫磺的充分回收。为了节能减排合理分配资源，涌现了一批新型的设计，例如合肥通用机械研究院对其系统工艺特点进行了深入研究[3], 在废热锅炉设备设计中采用了在
汽包中增设蒸发器的创新型结构, 实现了硫回收单元废热锅炉的一体化设计。该新型废热锅炉的设计既满足了系统工艺的要求, 达到了节能减排、硫磺资源充分回收, 同时又降低了设备一次性投资和减少设备占地等
2.3. 1 硫回收单元传统废热锅炉结构
硫回收单元传统废热锅炉总体结构见图1, 汽包与废热锅炉本体之间通过4根上升管及2根下降管联结, 利用汽水密度差及汽包的高位实现自然循环, 使系统安全运行。图1 中硫磺捕集器设置在废热锅炉本体出口管箱内, 冷却后的过程气流经硫磺捕集器使液态硫磺收集后经冷却后排出并收集。由于传统废热锅炉结构原因, 必须在硫反应器前后布置两套废热锅炉才能实现硫磺的充分回收。
图1传统废热锅炉总体结构
2.3. 2 硫回收单元新型废热锅炉结构
新型废热锅炉结构上最突出的创新点是减少了低温过程气冷却器II (低温废热锅炉)。根据废热锅炉设计工艺参数, 取消了低温废热锅炉后, 必须在高温废热锅炉本体或汽包中增设能使过程气再次冷却的换热器, 以便使经硫反应器反应后的含硫过程气冷却并产生蒸汽和回收硫磺资源。通常废热锅炉主要由废热锅炉本体、汽包及上升管和下降管组成。废热锅炉本体其实质是一台蒸发换热设备, 热源为高温过程气, 被加热介质为接近饱和的锅炉水; 汽包应具有足够的蒸汽容积和水容积, 主要作用是使本体中换热管在热负荷作用下能持续得到适当的水量, 并由汽包的高位系统及汽水密度差获得一定的循环动力, 以满足水循环可靠性的各项要求; 汽包内部设置汽水分离装置, 使汽水混合物在汽包内充分分离, 得到含水及杂质少的蒸汽;锅炉给水在进入废热锅炉本体前在汽包内加热到饱和, 提高了循环动力; 饱和的锅炉水经下降管流入废热锅炉本体进行加热蒸发, 本体中的汽水混合物经上升管流入汽包, 如此循环达到废热锅炉系统的安全运行; 根据汽包的独特作用, 一般汽包内不能设置蒸发换热管, 以免影响水循环和废热锅炉本体的安全可靠性。对废热锅炉设计参数作了多种方案进行比较,并通过传热计算、流阻计算及水循环计算, 提出了两种一体化设计方案。即在汽包筒体下半部储水部分直接增设一组蒸发器的方案以及在废热锅炉本体中直接增设一组蒸发器的方案。经传热计算、流阻计算及设备强度计算, 在废热锅炉本体中直接增设一组蒸发器存在两大缺陷, 一方面造成设备结构极为复杂; 另一方面废锅本体管板由于两组蒸发器介质温差的不同而引起的管板上下两部分的温差应力较大, 管板的设计困难, 甚至很难确保废锅运行过程中的安全可靠性。而在汽包筒体下半部储水部分增设一组蒸发器, 虽然有别于传统汽包的设计, 但根据设计参数进行详细计算, 其结果完全可行, 并能确保系统水循环正
常工作。最终设计的新型废热锅炉系统总体结构见图2。
