廢熱鍋爐文獻綜述.doc

廢熱鍋爐1.廢熱鍋爐概論廢熱鍋爐是利用工業(yè)生產(chǎn)過程中的余熱來生產(chǎn)蒸汽的鍋爐。它屬于一種高溫、高壓的換熱器。廢熱鍋爐較早是用來產(chǎn)生一些低壓蒸汽,回收的熱量有限,只是作為生產(chǎn)的一般輔助性設備。隨著生產(chǎn)技術的發(fā)展,廢熱鍋爐的參數(shù)逐漸提高,廢熱鍋爐由生產(chǎn)低壓蒸汽的工藝鍋爐轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)高壓蒸汽的動力鍋爐。廢熱研究的新成果不斷涌現(xiàn)研究的新成果不斷涌現(xiàn)得在廢熱鍋爐設計、制造、使用、安全管理等領域的研究的新成果不斷涌現(xiàn)1。1.1 廢熱鍋爐的特點廢熱鍋爐與普通動力鍋爐一樣, 都是生產(chǎn)動力蒸汽的一種高溫高壓設備, 所不同的是熱源不同。它不是采用煤油、天然氣、煤等燃料, 而是利用化工生產(chǎn)工藝氣中的廢熱。因此, 它既是一種能量回收裝置, 也是一種化工介質(zhì)工藝設備。廢熱鍋爐的共同特點是: 操作條件比較惡劣( 如高溫、高壓、熱流強度大, 鍋爐受壓元件的熱應力大等) , 并要求連續(xù)、穩(wěn)定地安全運行, 對高溫工藝氣的溫度和冷卻速度的控制要求十分嚴格。廢熱鍋爐的運行比常規(guī)鍋爐更復雜, 廢熱鍋爐利用的是余熱, 不僅是高溫氣體的顯熱, 而且還利用某些廢氣中所含少量的可燃物質(zhì)( 如一氧化碳、氫氣、甲烷) 等化學熱能。例如, 催化裂解裝置中再生器排出的再生氣體, 其溫度可達550 750 2。另外催化裂解裝置再生器排出的高溫煙氣中含有很多粉狀催化劑。煙氣中灰分含量高, 不但對流受熱面的磨損加劇, 而且因為受熱面積灰嚴重, 需要經(jīng)常除灰和定期停爐清掃, 給生產(chǎn)帶來一定困難。有些高溫煙氣中含有較多的二氧化硫和三氧化硫,使得煙氣露點升高, 受熱面的低溫腐蝕嚴重, 檢修工作量增加。 1.2廢熱鍋爐的分類在廢熱鍋爐中進行的是熱量傳遞的過程,因此廢熱鍋爐的基本結(jié)構(gòu)也是一具有一定傳熱表面的換熱設備。但是由于化工生產(chǎn)中,各種工藝條件和要求差別很大,因此化工用的廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)類型也是多種多樣的。1.2. 1 按照爐管是水平還是垂直放置,廢熱鍋爐可以分為臥式(大都采用火管式,即管內(nèi)走高溫工藝氣體,而管外走飽和水或水蒸氣) 和立式(比臥式鍋爐水循環(huán)速度快,傳熱速率較高,蒸汽空間也較大,因此這種鍋爐蒸發(fā)量大) 兩大類。1.2. 2 按照鍋爐操作壓力的大小,廢熱鍋爐可以分為低壓(蒸汽壓力在1. 3MPa 以下) 、中壓(蒸汽壓力在1. 4 3. 9MPa 范圍內(nèi)) 、高壓(蒸汽力在4. 0 10.0MPa 范圍內(nèi)) 三大類。1.2. 3 按結(jié)構(gòu)和工藝用途來分類（1）按照爐管的結(jié)構(gòu)形式不同,廢熱鍋爐可以分為:列管式、U 形管式、刺刀管式、螺旋盤管式以及雙套管式等。（2）按照其生產(chǎn)工藝或使用的場合不同,廢熱鍋爐可以分為:重油氣化廢熱鍋爐、乙烯生產(chǎn)裂解氣急冷廢熱鍋爐、合成氨前置式、中置式或后置式廢熱鍋爐等。2 廢熱鍋爐的設計2. 1 設計計算內(nèi)容工藝尺寸的設計與計算、零部件結(jié)構(gòu)的設計與計算。為達到剛度和強度,要求設計殼體壁厚時的彈性失效準則,考慮到容器宏觀強度和致密性,必須采用耐壓試驗,設計中,局部應力引起的失效是不允許的,故必須采用開孔補強設計。2. 2 具體設計計算步驟2. 2. 1 機械強度計算選材料; 壁厚計算2. 2. 2 開孔補強:人孔、汽包開孔、小封頭開孔2. 2. 3 壓力試驗(水壓試驗、氣壓試驗) 及應力校核2. 2. 4 換熱面積校核2. 2. 5 鞍座的設計與校核2.3 廢熱鍋爐的設計發(fā)展 廢熱鍋爐是焦化廠煤氣凈化生產(chǎn)線硫回收單元的主要設備。為滿足系統(tǒng)工藝要求, 傳統(tǒng)廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)設計均采用前后兩套廢熱鍋爐才能實現(xiàn)硫磺的充分回收。為了節(jié)能減排合理分配資源，涌現(xiàn)了一批新型的設計，例如合肥通用機械研究院對其系統(tǒng)工藝特點進行了深入研究3, 在廢熱鍋爐設備設計中采用了在汽包中增設蒸發(fā)器的創(chuàng)新型結(jié)構(gòu), 實現(xiàn)了硫回收單元廢熱鍋爐的一體化設計。該新型廢熱鍋爐的設計既滿足了系統(tǒng)工藝的要求, 達到了節(jié)能減排、硫磺資源充分回收, 同時又降低了設備一次性投資和減少設備占地等2.3. 1 硫回收單元傳統(tǒng)廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)硫回收單元傳統(tǒng)廢熱鍋爐總體結(jié)構(gòu)見圖1, 汽包與廢熱鍋爐本體之間通過4根上升管及2根下降管聯(lián)結(jié), 利用汽水密度差及汽包的高位實現(xiàn)自然循環(huán), 使系統(tǒng)安全運行。圖1 中硫磺捕集器設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)硫磺收集后經(jīng)冷卻后排出并收集。由于傳統(tǒng)廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)原因, 必須在硫反應器前后布置兩套廢熱鍋爐才能實現(xiàn)硫磺的充分回收。 圖1 傳統(tǒng)廢熱鍋爐總體結(jié)構(gòu)2.3. 2 硫回收單元新型廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)新型廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)上最突出的創(chuàng)新點是減少了低溫過程氣冷卻器II (低溫廢熱鍋爐)。根據(jù)廢熱鍋爐設計工藝參數(shù), 取消了低溫廢熱鍋爐后, 必須在高溫廢熱鍋爐本體或汽包中增設能使過程氣再次冷卻的換熱器, 以便使經(jīng)硫反應器反應后的含硫過程氣冷卻并產(chǎn)生蒸汽和回收硫磺資源。通常廢熱鍋爐主要由廢熱鍋爐本體、汽包及上升管和下降管組成。廢熱鍋爐本體其實質(zhì)是一臺蒸發(fā)換熱設備, 熱源為高溫過程氣, 被加熱介質(zhì)為接近飽和的鍋爐水; 汽包應具有足夠的蒸汽容積和水容積, 主要作用是使本體中換熱管在熱負荷作用下能持續(xù)得到適當?shù)乃? 并由汽包的高位系統(tǒng)及汽水密度差獲得一定的循環(huán)動力, 以滿足水循環(huán)可靠性的各項要求; 汽包內(nèi)部設置汽水分離裝置, 使汽水混合物在汽包內(nèi)充分分離, 得到含水及雜質(zhì)少的蒸汽;鍋爐給水在進入廢熱鍋爐本體前在汽包內(nèi)加熱到飽和, 提高了循環(huán)動力; 飽和的鍋爐水經(jīng)下降管流入廢熱鍋爐本體進行加熱蒸發(fā), 本體中的汽水混合物經(jīng)上升管流入汽包, 如此循環(huán)達到廢熱鍋爐系統(tǒng)的安全運行; 根據(jù)汽包的獨特作用, 一般汽包內(nèi)不能設置蒸發(fā)換熱管, 以免影響水循環(huán)和廢熱鍋爐本體的安全可靠性。對廢熱鍋爐設計參數(shù)作了多種方案進行比較,并通過傳熱計算、流阻計算及水循環(huán)計算, 提出了兩種一體化設計方案。即在汽包筒體下半部儲水部分直接增設一組蒸發(fā)器的方案以及在廢熱鍋爐本體中直接增設一組蒸發(fā)器的方案。經(jīng)傳熱計算、流阻計算及設備強度計算, 在廢熱鍋爐本體中直接增設一組蒸發(fā)器存在兩大缺陷, 一方面造成設備結(jié)構(gòu)極為復雜; 另一方面廢鍋本體管板由于兩組蒸發(fā)器介質(zhì)溫差的不同而引起的管板上下兩部分的溫差應力較大, 管板的設計困難, 甚至很難確保廢鍋運行過程中的安全可靠性。而在汽包筒體下半部儲水部分增設一組蒸發(fā)器, 雖然有別于傳統(tǒng)汽包的設計, 但根據(jù)設計參數(shù)進行詳細計算, 其結(jié)果完全可行, 并能確保系統(tǒng)水循環(huán)正常工作。最終設計的新型廢熱鍋爐系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2。圖2 新型廢熱鍋爐總體結(jié)構(gòu)圖3 新型廢熱鍋爐本體換熱管結(jié)構(gòu)2.3. 3 硫回收單元傳統(tǒng)廢熱鍋爐與新型廢熱鍋爐的比較新型廢熱鍋爐由于創(chuàng)新型的一體化設計, 達到了系統(tǒng)工藝要求及節(jié)能減排、回收資源、降低設備一次性投資、減少設備占地的要求。其中減少了一套廢熱鍋爐系統(tǒng), 可減少設備占地約80%, 節(jié)約設備一次性投資60% 70%, 同時減少了生產(chǎn)過程中設備的維護費用、縮短了檢修周期, 使系統(tǒng)設備的布置更為簡捷、緊湊, 管道布置更為簡略。新型廢熱鍋爐最突出的創(chuàng)新點在于汽包上布置了蒸發(fā)器的新型結(jié)構(gòu), 同時對設備的防腐措施提出了明確要求, 這些改進, 在用戶的安裝現(xiàn)場得到了多方專家的肯定。投用兩年多來, 運行效果良好、硫磺資源的回收達到預期, 過程氣的排放完全符合排放標準。3.廢熱鍋爐的制造3.1、管箱蓋制造包括管箱法蘭 管接頭 封頭制造3.2、管束制造 包括管箱、管箱法蘭、大管板、內(nèi)管、換熱管、小管板、折流板隔熱板、隔熱墊圈、拉桿螺母、定距管等制造。3.3中壓殼體制造3.4、總裝工藝總裝工藝如圖22 所示4。 (1) 將管束以水平位置放好, 然后用行車將管箱蓋吊起, 并徐徐向管束的管箱靠攏, 放好墊片后將管束和管箱蓋通過螺栓將其擰緊,并保持水平位置。（2）管束與中壓殼體的組裝采用臥裝方式進行。中壓殼體用兩臺 20 噸行車平行吊起（水夾套已裝在中壓殼體上）,再平行移動將其套進管束中, 并按一定方位將管箱的大管板螺栓孔和中壓殼體法蘭連接起來, 連接前應將墊片先就位好,裝上螺栓,上緊螺母,總裝完畢。（3）高壓管束側(cè)迸行充氮, 以備運輸。3.4廢熱鍋爐制造中異種鋼焊接工藝的若干間題 由于廢熱鍋護的介質(zhì)溫度較高, 又處于中壓條件藝需選用強度較高的珠光體耐熱鋼材制造, 又由于裂化氣中往往含有硫化物等介質(zhì), 在高溫時易引起珠光體鋼材腐蝕, 故在高溫段又裕選用耐熱、耐腐蝕的奧氏體不誘匆材制造。這就在制造上出現(xiàn)了奧氏體不銹鋼與珠光體低合金鋼或碳鋼的焊接。這類通常稱為異種鋼焊接的問題, 國內(nèi)外曾有過一些研究成果可以參考。問題的關鍵在于珠光體母材與奧氏體焊縫金屬一側(cè), 產(chǎn)生組織異常和機械性能變壞。因而注意力都集中在這一側(cè)進行研究。我廠金相室根據(jù)焊接接頭熔合區(qū)中合有類馬氏體組織的彎曲試驗, 彎曲角達180度也無裂紋產(chǎn)生, 認為使用溫度在350以下時可允許類馬氏體帶組織的存在5國外有人6 對異種鋼焊接接頭熔合線進行了研究, 稱低碳馬氏體基體上有鉻的碳化物析出的組織為“類馬氏體” , 指出類馬氏體的存在, 對沖擊值是有害的; 還認為預熱和母材含碳量低 在( 0.2 %左右),都促使類馬氏體組織的形成； 焊縫的塑性隨焊絲中鎳量的增加而改善7。4 廢熱鍋爐使用管理4.1影響廢熱鍋爐使用壽命與安全運行的若干因素4.1.1 水質(zhì)處理對廢熱鍋爐使用壽命的影響（1）廢熱鍋爐外的水處理水是影響廢熱鍋爐使用壽命與安全正常運行的重要因素之一, 加人爐內(nèi)水質(zhì)的好壞與否常常直接決定著廢熱鍋爐能否正常操作。所以在水加人廢熱鍋爐之前要經(jīng)過軟化、除鹽 、熱力除氧等一系列的良化措施, 以達到改善水質(zhì)的目的（2）廢熱鍋爐內(nèi)的水處理要充分地延長廢熱鍋爐的使用壽命, 最大限度地發(fā)揮其熱功效率, 保證鍋爐安全而正常的生產(chǎn)僅僅靠爐外的水處理工作是不夠的, 還應在重視爐外水處理質(zhì)量的同時, 控制好爐內(nèi)水的各項品質(zhì)指標,注重加強鍋爐內(nèi)的水處理工作。諸如：在新安裝的鍋爐投產(chǎn)前要進行煮爐, 煮爐后應進行酸洗, 投產(chǎn)后在對鍋爐進行定期排污的同時還要保持鍋爐的連續(xù)排污, 以及向鍋爐內(nèi)定時填加化學藥劑等。4.1.2 水質(zhì)輸送對廢熱鍋爐使用壽命的影響 水是廢熱鍋爐正常生產(chǎn)的命脈, 如果鍋爐一旦發(fā)生缺水而造成干鍋現(xiàn)象, 就勢必會打亂正常的生產(chǎn), 造成嚴重后果。因此在注重鍋爐內(nèi)水處理的同時, 還要強化對輸送水的設備多級離心水泵的操作, 使其能連續(xù)而穩(wěn)定的運轉(zhuǎn), 從而為廢熱鍋爐的高效生產(chǎn)提供水源保證。此外在多級式離心水泵本體特性一定的情況下, 要多重視給水泵出口的再循環(huán)管路, 給水泵出口管上安裝的逆止閥及與泵出口管上逆止閥上的旁路閥等管道與閥門的工作特性和工作情況。（1） 多級離心泵出口再循環(huán)管的影響 為了將給水送人鍋爐, 并使給水調(diào)節(jié)閥具有良好的調(diào)節(jié)特性, 鍋爐給水泵出口的壓力除了要克服汽包的工作壓力外, 還要克服給水管路的流動阻力及給水泵出口至汽包高度差形成的靜壓差, 并要保持給水調(diào)節(jié)閥前后一定的壓差。通常給水泵的出口壓力比汽包工作壓力高30%40%。（2） 多級離心泵出口管逆止閥的影響 為了使備用泵處于隨時可以啟動的狀態(tài)和啟動后能立即正常供水, 備用泵的人口和出口閥必須處于全開位置。為了防止給水泵出口母管內(nèi)壓力很高的水經(jīng)備用給水泵返回到處理槽內(nèi), 造成備用給水泵倒轉(zhuǎn)和出口母管壓力降低, 不能向鍋爐正常供水,因此每臺給水泵的出口均應安裝逆止閥。影響廢熱鍋爐的使用壽命與正常安全生產(chǎn)的其它因素還有許多, 只有將影響其生產(chǎn)的各項指標調(diào)控在一定范圍之內(nèi), 才能充分發(fā)揮其良性作用, 使使用壽命延長。鍋爐的設計、制造、安裝、運行和檢修涉及流體力學、傳熱學、金屬學、鍋爐原理、物理、化學、自動控制和測量等多種學科, 切實提高鍋爐操作人員的理論與實際水平, 對于節(jié)約燃料, 保護環(huán)境和安全生產(chǎn)都有著重要的意義8。 4.2 廢熱鍋爐使用過程中出現(xiàn)的問題及所采取的措施 4.2.1存在的問題(1) 鍋爐用軟水質(zhì)量問題 鍋爐用軟水水質(zhì)差, 導致?lián)Q熱列管結(jié)垢, 影響產(chǎn)汽量。軟水中含鹽量高, 在換熱列管外管壁形成水垢, 水垢對傳熱過程有很大阻礙。（2）列管、中心管焊接質(zhì)量引起的故障 這類故障大都集中于一些角焊縫, 及在焊后不能用X射線探傷檢查的焊道上, 多為夾渣、氣孔、未熔合、未熔透等缺陷, 其強度難以適應設備在生產(chǎn)運行中的熱脹冷縮而產(chǎn)生裂漏。（3）設計安裝上存在的問題 不能忽視了設備運行中熱脹冷縮的變化。（4）使用過程中存在的問題 未嚴格按工藝指標操作, 超溫、鍋爐缺水、“干鍋”等異常情況引起故障。未按要求對廢熱鍋爐內(nèi)部耐熱襯里進行烘爐, 該鍋爐在更換下來后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部耐熱襯里有大量裂紋。4.2.2采取的措施首先要從鍋爐制作質(zhì)量抓起。一定要選有制作III類容器資格的廠家去制作, 在制作過程中,不允許有違反焊接要求的缺陷存在。一定要嚴格控制耐熱襯里澆注材料的配比,制作專用模具, 密實澆注, 要充分養(yǎng)護, 萬不可圖快。要按設計要求裝配鍋爐各部件, 并由技師指導監(jiān)督完成。如耐熱襯套、襯板和各列管的保護小套管的組裝要嚴格、認真、規(guī)范、牢固。特別是氣體出口中心調(diào)節(jié)閥的組裝更要規(guī)范, 測量好尺寸, 調(diào)整好閥頭行程, 保證該閥零活、可靠。列管、中心管裂漏的檢修。對管板焊縫裂漏的處理方法首先要通過著色檢查, 確定裂紋后,再進行打磨開坡口, 并按焊接工藝要求進行補焊。對列管與管板內(nèi)焊口出現(xiàn)裂紋, 盡量避免堵管, 運用在管內(nèi)沿焊縫重新補焊的