電石化工行業(yè)聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

李延娜，李勇

（1.蘭州城市學(xué)院培黎石油工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

隨著工業(yè)的快速發(fā)展以及工廠設(shè)備的大型化發(fā)展，各個(gè)工廠對(duì)于動(dòng)力和電力的需求與日俱增，同時(shí)工廠產(chǎn)生的廢熱和余熱也隨之增加。對(duì)于這些過(guò)去廢棄不用的余熱加以重新利用，用其產(chǎn)生壓力蒸汽，作為供熱、供氣、供電以及動(dòng)力的輔助能源，從而提高熱能的利用率，減少燃料和電力的消耗已成為各國(guó)余熱回收研究的重點(diǎn)。聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)作為一種新型的余熱回收設(shè)備，已受到各國(guó)越來(lái)越多的重視。聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)由蒸發(fā)器、省煤器、汽包等設(shè)備組成，利用在化工工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱產(chǎn)生蒸汽從而自產(chǎn)電力和動(dòng)力。由于聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)利用的余熱不僅是高溫氣體的顯熱，而且還包括某些廢氣中所含的少量可燃物質(zhì)化學(xué)熱能，所以聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)具有成本低、熱利用率高的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)余熱回收設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)。

1 聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界各國(guó)余熱回收技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)發(fā)展也非常迅速?，F(xiàn)階段余熱回收已成為世界性的課題，對(duì)全球能源問題有著不可小覷的潛力，受到各國(guó)越來(lái)越多的重視。聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)作為現(xiàn)階段開發(fā)的一種新型余熱回收設(shè)備已被高度的認(rèn)可。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)的余熱回收技術(shù)已有了卓越的研究成果，但與世界先進(jìn)水平仍有差距，大部分余熱還沒有被充分利用。余熱回收設(shè)備結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)已成為現(xiàn)階段我國(guó)余熱回收技術(shù)研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)作為一種新型的余熱回收設(shè)備，正在被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。

2 聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)由蒸發(fā)器、省煤器、汽包等設(shè)備組成，總體布置在氣化系統(tǒng)的框架上，采用立式塔型結(jié)構(gòu)，是一臺(tái)自然循環(huán)的余熱回收鍋爐。首先，高溫?zé)煔鈴穆?lián)合熱回收器系統(tǒng)的入口由上向下，依次經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器、省煤器最終從下部側(cè)面排出，進(jìn)入后部裝置。同時(shí)，鍋爐給水通過(guò)給水泵進(jìn)入省煤器預(yù)熱后再進(jìn)入汽包，然后經(jīng)下降管進(jìn)入蒸發(fā)器。最后，在蒸發(fā)器中換熱產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)上升管回到汽包，經(jīng)汽包內(nèi)部裝置進(jìn)行汽水分離后，水重新進(jìn)入下一輪循環(huán)，而分離出的飽和蒸汽可以推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，也可用于生產(chǎn)過(guò)程的加熱或供生活取暖。

2.1 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)中的蒸發(fā)器采用立式火管結(jié)構(gòu)，高溫?zé)煔庾吖艹蹋鋮s水走殼程，同時(shí)，來(lái)自氣爐的高溫?zé)煔鉁囟雀哌_(dá)980℃左右，其在管內(nèi)縱向沖刷。

（1）管板結(jié)構(gòu)。管板作為蒸發(fā)器核心部件，尤其是工藝氣入口端的管板，由于承受管程與殼程較大的溫度和壓力載荷，導(dǎo)致其不僅要滿足管程與殼程壓力作用下的強(qiáng)度要求，還要滿足管板自身的熱應(yīng)力要求以及由管束與殼體熱膨脹差引起的熱應(yīng)力要求，因此，為了減少蒸發(fā)器在操作過(guò)程中的溫差應(yīng)力，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了如圖1所示的撓性薄管板結(jié)構(gòu)。

圖1 撓性薄管板局部結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，與常規(guī)管板相比，撓性薄管板由中間管板和管板肘節(jié)兩部分組成，中間管板與管板肘節(jié)采用平滑對(duì)接焊。同時(shí)，中間管板采用折邊平底封頭形式，而管板肘節(jié)采用特殊的鍛件結(jié)構(gòu)，外圓周有較大的圓弧過(guò)渡段，其既對(duì)管板邊緣結(jié)構(gòu)有加強(qiáng)作用，又增加了管板撓性，有利于補(bǔ)償管殼程的溫差。此外，管板肘節(jié)使管板與管程、殼程很好地連接起來(lái)，避免了應(yīng)力集中，不僅使管板減薄，而且使管板與連接周邊有較大柔性，改善了管板的受力狀況，又使鍛件重量減少，節(jié)約了成本。最后，撓性薄管板結(jié)構(gòu)按應(yīng)力分析法設(shè)計(jì)，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，管板盡量要薄，而且越薄越好。

（2）熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。撓性薄管板的高溫側(cè)處于高溫氣體入口端，存在高速高溫?zé)煔獾臒釠_擊，必須采取良好的熱防護(hù)措施，否則，管板和管口焊接處很容易因熱疲勞、熱應(yīng)力和高溫氣體腐蝕而損壞，因此，為了減少高溫氣體入口端換熱管的熱膨脹，保護(hù)換熱管免受高溫氣體沖蝕，聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)在每根換熱管入口端設(shè)置了如圖2所示的保護(hù)套管，同時(shí)在高溫側(cè)砌筑了75～100mm耐火襯里。

圖2 煤氣入口局部結(jié)構(gòu)圖

從圖2可以看出，保護(hù)套管的材質(zhì)為剛玉，耐高溫、耐沖刷。同時(shí)，采用承插式結(jié)構(gòu)，將剛玉套管插入每根換熱管的管頭，保護(hù)了換熱管與管板的連接焊縫。此外，在剛玉套管與換熱管之間用陶瓷纖維紙?zhí)畛?，阻止高溫?zé)煔庠诠茴^部位與換熱管直接接觸，減少了溫差應(yīng)力。最后，耐火襯里避免了由于高溫氣流直接沖刷管板以及管頭部位而造成的管板及管頭損壞。最終，采用以上措施降低了管板實(shí)際溫度，同時(shí)對(duì)材料要求也隨之降低。

（3）換熱管與管板焊接結(jié)構(gòu)。聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)的換熱管與管板之間采用新型焊接結(jié)構(gòu)，如圖3所示。此種焊接結(jié)構(gòu)徹底解決了換熱管與管板之間的間隙腐蝕，從根本上避免了由于間隙腐蝕而造成的管頭泄漏問題。同時(shí)，在換熱管與管板的焊接處倒R3～5的圓角，有效降低了換熱管和管板連接處焊縫的應(yīng)力集中。此外，由于此種焊接結(jié)構(gòu)要求在管板上的開孔較大，導(dǎo)致布置換熱管時(shí)，在充分滿足強(qiáng)度要求的前提下，采用了較大的管間距，有效地降低了高溫端的熱負(fù)荷，且保證了殼體內(nèi)水汽流動(dòng)暢通，改善了高溫水循環(huán)特性，增加了設(shè)備運(yùn)行的安全性。最后，換熱管與管板采用的角焊縫焊接結(jié)構(gòu)，降低了制造難度，減少了焊接量。

2.2 省煤器結(jié)構(gòu)

圖3 換熱管與管板焊接結(jié)構(gòu)圖

圖4 蛇形管防磨裝置結(jié)構(gòu)圖

省煤器是安裝于聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)尾部煙道下部用于回收余熱的設(shè)備之一，其吸收低溫?zé)煔獾臒崃?，將鍋爐給水加熱成汽包壓力下的飽和水，既提高了汽包給水溫度，減小了汽包壁溫差和熱應(yīng)力，延長(zhǎng)了汽包使用年限，又降低了煙氣的排煙溫度，節(jié)省了能源，提高了效率。

（1）省煤器管束。聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)的省煤器管束采用立式蛇形管結(jié)構(gòu)，蛇形管采用橫向順列布置，每排管束的端部均有180o彎頭，能夠有效地吸收管束內(nèi)部冷流體與外部煙氣由于溫差產(chǎn)生的熱膨脹。同時(shí)，橫向布置支吊比較容易，且受到磨損的換熱管數(shù)量較少，因此防護(hù)和維修簡(jiǎn)單。此外，由于煙氣流速過(guò)大，氣體含塵量大，橫流沖刷換熱管壁會(huì)造成腐蝕，但如果流速過(guò)小，又容易積灰搭橋，因此在省煤器蛇管組的上、下端分別設(shè)置一組聲波吹灰器，以保證設(shè)備運(yùn)行的安全性。

（2）蛇形管防磨裝置。由于省煤器煙氣入口端氣流速度較高，氣流中的灰粒子對(duì)換熱管迎風(fēng)面的沖刷碰撞較為嚴(yán)重，因此，聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)省煤器在前兩排換熱管迎風(fēng)受熱面布置了防磨蓋板，且防磨蓋板與換熱管之間點(diǎn)焊連接，如圖4所示。蛇形管防磨裝置使煙塵主要對(duì)防磨蓋板進(jìn)行磨損，對(duì)蛇形管起到了保護(hù)作用，延長(zhǎng)其使用壽命，而且由于防磨蓋板的成本低，降低了整個(gè)省煤器的運(yùn)營(yíng)成本。

（3）集合管。聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)的省煤器在進(jìn)出口采用集合管與換熱管連接。同時(shí)，考慮到換熱管與集合管的熱膨脹效應(yīng)，集合管一端采用滑動(dòng)鞍座支撐，一端為自由膨脹端，此種結(jié)構(gòu)有效減小了集合管與換熱管焊接接頭處的應(yīng)力，使焊縫免遭破壞。此外，為了避免由于管箱筒體直接與高溫氣體接觸造成的管箱局部溫差應(yīng)力，在筒體與集合管的連接處設(shè)計(jì)了保護(hù)套管，且在保護(hù)套管與集合管之間的間隙填充了陶瓷纖維繩，有效降低了省煤器管箱筒體溫度，如圖5所示。

圖5 集箱連接及密封結(jié)構(gòu)圖

2.3 汽包

聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)的汽包布置在氣化裝置頂部，且汽包標(biāo)高與蒸發(fā)器高點(diǎn)的落差要大于3m。從蒸發(fā)器出來(lái)的汽水混合物通過(guò)上升管引入汽包內(nèi)部，首先，汽水混合物通過(guò)利用改變流動(dòng)方向時(shí)的慣性進(jìn)行慣性分離的一次分離元件汽水旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離；接著，由于被汽水旋風(fēng)分離器分離出的蒸汽仍帶有不少水分，因此帶有部分水分的蒸汽從汽水旋風(fēng)分離器的頂部進(jìn)入二次分離元件波形板分離器，帶有部分水分的蒸汽在波形板分離器絲網(wǎng)除沫器間的縫隙中流動(dòng)，從而使水黏附在金屬壁面上形成水膜往下流。最后，經(jīng)過(guò)兩次分離，產(chǎn)生的潔凈蒸汽被用來(lái)發(fā)電或生活供暖，而分離出來(lái)的水則通過(guò)下降管返回至蒸發(fā)器被二次利用。

汽包采用懸吊的方式固定，此種固定方式可以使汽包有足夠的撓性。由于汽包下部有下降管，上部有省煤器進(jìn)水管、蒸發(fā)器汽水混合物上升管以及飽和蒸汽引出管等，當(dāng)這些連接管受熱膨脹時(shí)，都會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生附加應(yīng)力，因此汽包用撓性支架，可以減少上述附加應(yīng)力。

3 聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展方向

隨著工廠產(chǎn)生的廢熱和余熱越來(lái)越多，聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)將會(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，成為未來(lái)余熱回收設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)是一種全新的設(shè)計(jì)理念，是余熱回收設(shè)備的重大突破。未來(lái)關(guān)于聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)的研究將會(huì)更多地集中于對(duì)其蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，使其既能滿足大型化要求，同時(shí)還能節(jié)約成本，提高廢熱的利用率。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)大力開展余熱回收技術(shù)的研究，導(dǎo)致聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)在化工行業(yè)中的應(yīng)用，尤其是電石化工行業(yè)中的應(yīng)用得到了高度重視，但其尚處于起步階段，未來(lái)有著廣闊的發(fā)展前景。由于聯(lián)合熱回收器系統(tǒng)運(yùn)行條件苛刻，使其在實(shí)際應(yīng)用中面臨很大的技術(shù)難題，因此，對(duì)其不斷進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，才能使其更加長(zhǎng)久地適應(yīng)市場(chǎng)需求。