一體化廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討*

李云福 陶昌勤 李騰蛟

(合肥通用機(jī)械研究院)

焦化廠煤氣凈化生產(chǎn)線硫回收單元是針對(duì)克勞斯?fàn)t產(chǎn)生的高溫過程氣實(shí)施的余熱和硫磺資源回收系統(tǒng)，由于高溫過程氣不僅含有大量可回收利用的余熱，同時(shí)含有大量對(duì)環(huán)境有害的高濃度S、SO2、H2S等有害氣體，因此從能源的高效利用以及為保護(hù)環(huán)境使最終排放的過程氣尾氣達(dá)到環(huán)保要求出發(fā)，煤氣凈化不僅須從高溫過程氣中回收余熱還應(yīng)從過程氣中使有害的硫及硫化物實(shí)施有效的轉(zhuǎn)化并對(duì)硫磺資源進(jìn)行回收。包含硫磺捕集器的廢熱鍋爐是煤氣凈化生產(chǎn)線硫回收單元的關(guān)鍵設(shè)備，由于工藝要求回收過程必須分成高溫段和低溫段二次進(jìn)行，因此一般回收單元必須設(shè)置二套廢熱鍋爐，但最新凈化工藝要求采用一體化廢熱鍋爐替代二套廢熱鍋爐，以使回收單元的設(shè)備一次性投資降低并減少設(shè)備的占地。筆者對(duì)最新煤氣凈化系統(tǒng)工藝特點(diǎn)及廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入探討和研究，采用了在汽包中增設(shè)低溫段蒸發(fā)器的創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)，使硫回收單元二套廢熱鍋爐實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)，并使過程氣尾氣排放完全滿足環(huán)保要求。

1 煤氣凈化硫回收單元

凈化克勞斯?fàn)t產(chǎn)生的高溫過程氣中含有的高濃度S、SO2、H2S等有毒有害氣體，使過程氣尾氣達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，并回收硫磺資源和生產(chǎn)有用的蒸汽資源，以獲得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

圖1為傳統(tǒng)過程氣余熱及硫回收工藝流程簡圖。為使尾氣排放達(dá)到環(huán)保要求，工藝流程必須進(jìn)行二次硫和硫化物轉(zhuǎn)化及二次硫磺資源的捕集，由于傳統(tǒng)廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)原因，必須在硫反應(yīng)器前后分別設(shè)置兩套廢熱鍋爐才能實(shí)現(xiàn)高溫段和低溫段各自余熱及硫磺的回收。通常硫磺捕集器設(shè)置在廢熱鍋爐本體出口管箱內(nèi)，冷卻后的過程氣流經(jīng)硫磺捕集器使液態(tài)硫磺得以分離并經(jīng)硫封槽冷卻后排出并收集，生產(chǎn)的蒸汽可直接進(jìn)入管網(wǎng)，經(jīng)冷卻和去除硫磺達(dá)環(huán)保要求的過程氣尾氣可直接排放。

廢熱鍋爐主要技術(shù)參數(shù)為(高溫段/低溫段)：

過程氣流量 3 932/3 627kg/h

入口密度 0.27/0.74g/m3

入口溫度 1 285/244℃

出口溫度 158/135℃

入口比熱 1.431/1.249kJ/(kg·℃)

入口導(dǎo)熱系數(shù) 0.113 2/0.043 4W/(m·℃)

出口比熱 1.220/1.268kJ/(kg·℃)

出口導(dǎo)熱系數(shù) 0.034 2/0.035 1W/(m·℃)

入口粘度 53/24μPa·s

硫產(chǎn)量 560/262kg/h

蒸汽產(chǎn)量 2 985/258kg/h

蒸汽壓力 1.3/1.3MPa

過程氣允許流動(dòng)阻力 2/2kPa

圖1 傳統(tǒng)過程氣余熱及硫回收工藝流程簡圖

根據(jù)以上工藝參數(shù)，在確定選用GB 3087中的20#換熱管、換熱管尺寸φ32mm、正三角形布管的前提下，廢熱鍋爐的傳熱計(jì)算結(jié)果為[1]：

高溫段蒸發(fā)管束總傳熱量 1 815.32kW

傳熱溫差 317.38℃

總傳熱系數(shù) 33.20W/(m2·℃)

計(jì)算傳熱面積 172.3m2

設(shè)計(jì)面積 179.7m2

低溫段蒸發(fā)管束總傳熱量 156.46kW

傳熱溫差 44.50℃

總傳熱系數(shù) 42.87W/(m2·℃)

計(jì)算傳熱面積 82.1m2

設(shè)計(jì)面積 88.6m2

2 硫回收單元傳統(tǒng)廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)廢熱鍋爐總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，汽包與廢熱鍋爐本體之間通過上升管和下降管連接，運(yùn)行時(shí)利用汽水密度差及汽包的高位實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)，使系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)地運(yùn)行。由圖1可知，系統(tǒng)中含有高溫段和低溫段各一套廢熱鍋爐，硫磺捕集器均設(shè)置在廢熱鍋爐本體出口管箱內(nèi)，冷卻后的過程氣流經(jīng)硫磺捕集器使液態(tài)硫磺得以分離并經(jīng)硫封槽冷卻并收集。而高溫段和低溫段廢熱鍋爐總體結(jié)構(gòu)差別僅僅是，高溫段廢熱鍋爐由于工藝的要求，需要嚴(yán)格控制過程氣出口溫度，因此在結(jié)構(gòu)上設(shè)置了內(nèi)旁通管用于出口過程氣氣溫調(diào)節(jié)。另外，由于高溫段廢熱鍋爐過程氣入口溫度高達(dá)近1 300℃，為避免管板溫度過高及防止管板與換熱管接頭失效必須設(shè)置安裝剛玉管防護(hù)結(jié)構(gòu)并在管板表面敷設(shè)耐熱混凝土，因此換熱管布管間距較大。而低溫段廢熱鍋爐過程氣入口溫度低于300℃，也沒有嚴(yán)格要求控制過程氣出口溫度，因此既不需設(shè)置過程氣出口溫度調(diào)節(jié)器又不必設(shè)置管板與換熱管接頭防護(hù)結(jié)構(gòu)，換熱管布管間距相對(duì)也較小。

圖2 傳統(tǒng)廢熱鍋爐總體結(jié)構(gòu)

3 一體化廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

一體化廢熱鍋爐設(shè)計(jì)要求由最新系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)提出，目的是優(yōu)化工藝流程并使硫回收單元設(shè)備既減少一次性投資又減少設(shè)備占地。新工藝流程要求高溫段和低溫段廢熱鍋爐采用一體化結(jié)構(gòu)，也就是說應(yīng)該取消單獨(dú)設(shè)置的低溫段廢熱鍋爐。因此一體化設(shè)計(jì)需要將高溫段和低溫段兩套廢熱鍋爐在設(shè)計(jì)時(shí)必須采用一套裝置達(dá)到兩套裝置的功能，同時(shí)一套裝置必須滿足高溫段和低溫段各自回收余熱和硫磺資源的功效，并確保一體化廢熱鍋爐的運(yùn)行既安全又可靠。

為使兩套廢熱鍋爐實(shí)現(xiàn)一體化，從總體結(jié)構(gòu)來考慮，首先必須使一體化廢熱鍋爐可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫段和低溫段的余熱回收，也就是必須將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)低溫段廢熱鍋爐本體熱量回收蒸發(fā)管束的功效集中到高溫段廢熱鍋爐系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。從設(shè)備設(shè)計(jì)出發(fā)，為了將低溫段蒸發(fā)管束布置于高溫段廢熱鍋爐系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上僅有兩種途徑可以選擇：一是將低溫段蒸發(fā)管束與高溫段蒸發(fā)管束一起布置于高溫段廢熱鍋爐本體；二是將低溫段蒸發(fā)管束布置于高溫段廢熱鍋爐汽包內(nèi)，除此之外沒有更為實(shí)用和簡捷的設(shè)備設(shè)計(jì)布置方法。

3.1 傳統(tǒng)廢熱鍋爐管板結(jié)構(gòu)形式

煤氣凈化生產(chǎn)線硫回收單元關(guān)鍵設(shè)備廢熱鍋爐一般采用管殼式結(jié)構(gòu)[2]，為了降低制造成本、解決廢熱鍋爐殼體與管束之間溫差較大而造成失效的難題，管板一般采用能很好地承受溫差應(yīng)力的柔性薄管板。由于工藝要求高溫段過程氣出口氣溫應(yīng)嚴(yán)格控制，因此管板布管時(shí)中部需要布置旁通管，以便安裝出口過程氣溫度調(diào)節(jié)裝置，布管一般為正三角形，同時(shí)布管時(shí)必須考慮蒸發(fā)管束支撐板固定的拉桿孔。另外為了降低管箱的溫度、管箱內(nèi)側(cè)須設(shè)置較厚(約300mm)耐熱混凝土，因此柔性薄管板周邊必須有較大范圍不布管區(qū)域；同時(shí)為了降低管板及管板與換熱管接頭的溫度必須設(shè)置剛玉管防護(hù)結(jié)構(gòu)，因此換熱管的布管間距相對(duì)較大。

3.2 將低溫段與高溫段蒸發(fā)管束一起布置于高溫段廢熱鍋爐本體

為了將高溫段及低溫段兩個(gè)蒸發(fā)管束一起布置在一體化廢熱鍋爐本體內(nèi)，從一體化后管板實(shí)際布管方式出發(fā)，考慮到高溫段、低溫段入口和出口管箱的實(shí)際結(jié)構(gòu)，管板布置有兩種結(jié)構(gòu)。

3.2.1高溫段及低溫段蒸發(fā)管束上下布置

管束上下布置如圖3所示，該一體化設(shè)計(jì)方案僅從余熱回收考慮，應(yīng)該是較好的布置方式。但高溫段入口過程氣溫度近1 300℃，高溫段管箱內(nèi)必須設(shè)置耐熱混凝土，因此上下布管區(qū)之間必須留出較大的不布管區(qū)域，另外由于高溫段過程氣冷卻后的出口溫度需要嚴(yán)格控制，因此管板中部必須布置中心旁通管。因此管板的周邊、上下管束布管區(qū)之間及中心旁通管與換熱管布管區(qū)之間均必須預(yù)留較大的不布管區(qū)域。該布置方式的不利因素有：

a. 由于上下布管區(qū)域之間必須留出較大的不布管區(qū)域，因此一體化后廢熱鍋爐本體管殼的直徑必須有較大的增加，在相同設(shè)計(jì)壓力下殼體的厚度也將有較大的增加，因此設(shè)備外形尺寸、重量、造價(jià)和占地空間也都將增大；

b. 由于高溫段、低溫段管束的換熱管溫度相差較大，但管束的殼體是同一個(gè)，結(jié)果必然是高溫段管束與殼體的溫差以及低溫段管束與殼體的溫差同樣相差較大，因此同一管板上下區(qū)域在較大的溫差應(yīng)力作用下，管板應(yīng)力分布將極其復(fù)雜，布管造成管板的應(yīng)力分布也不具有對(duì)稱性，各個(gè)區(qū)域在承受不對(duì)稱且相差較大的溫差應(yīng)力下管板本身的強(qiáng)度以及管板與換熱管的接頭均極易失效，管板經(jīng)應(yīng)力分析計(jì)算[3～5]無法滿足設(shè)備設(shè)計(jì)和運(yùn)行的安全可靠性。

圖3 高溫段、低溫段上下布置

3.2.2高溫段及低溫段蒸發(fā)管束內(nèi)外布置

管束內(nèi)外布置方案如圖4所示，該一體化設(shè)計(jì)方案從余熱回收及管板受力情況考慮，應(yīng)該都是較好的換熱管布置方式。但由管板布管情況可知，由于高溫段蒸發(fā)管束過程氣出口需要設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器，因此低溫段蒸發(fā)管束應(yīng)該布置在外圈，該布置方式特點(diǎn)如下：

a. 管板布管均勻、對(duì)稱，雖然高溫段蒸發(fā)管束與殼體的溫差應(yīng)力較低溫段蒸發(fā)管束與殼體的溫差應(yīng)力大，但由于柔性薄管板具有吸收消化溫差應(yīng)力的優(yōu)勢，因此管板本身的強(qiáng)度和管板與換熱管接頭連接強(qiáng)度都能保證設(shè)備的安全運(yùn)行。在兩個(gè)管束換熱管數(shù)量一定、并能對(duì)稱性較好地布置時(shí)，經(jīng)應(yīng)力分析計(jì)算，管板強(qiáng)度等均能滿足相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求；

b. 由于高溫段廢熱鍋爐本體中增設(shè)低溫段蒸發(fā)管束以及高溫段管箱內(nèi)必須設(shè)置較厚耐熱混凝土，因此本體管殼的筒體直徑、殼體厚度、設(shè)備的重量及造價(jià)等同樣有顯著增大；

c. 由于高、低溫段蒸發(fā)管束的換熱面積是由工藝(傳熱)計(jì)算[1]得出的，而布置在同一筒體中的換熱管長度是一致的，因此高溫段和低溫段換熱管布置時(shí)數(shù)量一般很難相匹配，該種布置方式在對(duì)稱性前提下很難實(shí)施。

圖4 高溫段、低溫段內(nèi)外布置

3.3 低溫段蒸發(fā)管束布置于高溫段廢熱鍋爐汽包內(nèi)

低溫段蒸發(fā)管束的管板布管方式如圖5所示，該結(jié)構(gòu)是將低溫段蒸發(fā)管束設(shè)置安裝在原高溫段廢熱鍋爐系統(tǒng)的汽包內(nèi)，是一種全新的結(jié)構(gòu)。由于汽包內(nèi)增設(shè)了低溫段蒸發(fā)管束，為了確保蒸發(fā)器最上部換熱管外壁與汽包正常最低水位之間具有一定水位空間，汽包筒體的直徑需要適當(dāng)增大。該布置方式特點(diǎn)如下：

a. 由于管束所占容積較小，因此汽包總?cè)莘e增加也較小，汽包的筒體直徑僅需適當(dāng)增加即能滿足設(shè)計(jì)布置要求；

b. 根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，由于蒸汽與水的密度相差很大，鍋爐的自然循環(huán)動(dòng)力較大，因此汽包內(nèi)增設(shè)低溫段蒸發(fā)管束后，經(jīng)計(jì)算水循環(huán)倍率也完全能夠滿足安全運(yùn)行要求；

c. 設(shè)計(jì)時(shí)低溫段蒸發(fā)管束采用填料函型式管殼式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既能很好地滿足管殼程溫差引起的管束膨脹，又便于管束的清洗和更換，可節(jié)約大修成本及便于管束的更換；

d. 該布置方式的設(shè)備總質(zhì)量最輕、外形尺寸最小、設(shè)備系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)最低。

圖5 汽包中低溫段管板布管示意圖

4 一體化廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

一體化廢熱鍋爐總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示[6]，由前文計(jì)算得知，高溫段蒸發(fā)管束設(shè)計(jì)面積179.7m2，低溫段蒸發(fā)管束設(shè)計(jì)面積88.6m2。布管采用正三角形，高溫段蒸發(fā)管束管間距64mm、布管數(shù)量240根，低溫段蒸發(fā)管束管間距40mm、布管數(shù)量118根。高溫段進(jìn)出口之間過程氣流動(dòng)阻力計(jì)算值1 015Pa，小于允許流動(dòng)阻力2 000Pa；低溫段進(jìn)出口之間過程氣流動(dòng)阻力計(jì)算值1 575Pa，小于允許流動(dòng)阻力2 000Pa。一體化廢熱鍋爐本體殼體中部設(shè)置內(nèi)旁通管用于安裝過程氣出口溫度調(diào)節(jié)器，本體(高溫段)及汽包蒸發(fā)器(低溫段)出口管箱內(nèi)均設(shè)置捕集器分離液態(tài)硫磺并回收；汽包與廢熱鍋爐本體之間設(shè)置4根上升管及2根下降管連接，利用汽水密度差及汽包的高位實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)，并利用三點(diǎn)法進(jìn)行廢熱鍋爐系統(tǒng)自然水循環(huán)計(jì)算[7]，結(jié)果是循環(huán)水量約為142t/h，自然循環(huán)倍率為47.5，滿足自然循環(huán)安全要求。該一體化結(jié)構(gòu)已獲國家專利、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，專利號(hào)：ZL 2 0186518.3。

圖6 一體化廢熱鍋爐總體結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

焦化廠煤氣凈化生產(chǎn)線硫回收單元高溫段和低溫段廢熱鍋爐一體化結(jié)構(gòu)應(yīng)采用將低溫段蒸發(fā)管束直接布置在系統(tǒng)設(shè)備汽包內(nèi)，同時(shí)低溫段蒸發(fā)器采用填料函管殼式結(jié)構(gòu)。該一體化結(jié)構(gòu)廢熱鍋爐的設(shè)計(jì)、制造、安裝后運(yùn)行能完全達(dá)到最新工藝要求，獲得用戶及工藝流程設(shè)計(jì)方的好評(píng)。一體化廢熱鍋爐投用多年來，運(yùn)行效果良好、硫磺資源的回收達(dá)到預(yù)期，過程氣、尾氣的排放完全符合環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 錢濱江，伍貽文，常家芳，等.簡明傳熱學(xué)手冊(cè)[M].北京：高等教育出版社.1983.

[2] GB 151-1998，管殼式換熱器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[3] JB 4732-1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[4] 劉牧，徐鵬，秦宗川，等.一種新型廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道，2011，48(6)：6～9.

[5] 秦宗川，徐鵬，修維紅，等.WSA濕煙氣制酸裝置廢熱鍋爐的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].壓力容器，2009，26(9)：16～20.

[6] 李云福，陶昌勤，秦宗川，等.廢熱鍋爐換熱管與管板連接方式的研究[J].石油與化工設(shè)備，2013，16(9)：5～8.

[7] 吉大田，方子風(fēng).廢熱鍋爐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2002.