炭素装置余热锅炉的设计文献综述

1 研究背景及意义

1.1 研究背景

随着国家十三五计划的逐渐进行，节能减排提倡力度的加大，以及保护环境、节约能源的实践性越来越强，人们逐渐走向了节能减排之路。企业也逐渐将重心转向环境保护方面，我国目前对不可再生资源的使用正在逐步减少。其中焦化厂的生产中，加热炉作为主要耗能设备，其燃料消耗在焦化厂能耗中的比重约为40%，加热炉装置的节能高效直接影响整个企业的运营和利润。目前常见生产装置加热炉燃料消耗占生产装置总能耗的比例为：炼油装置约为40%，柴油加氢装置约为30%，连续重整装置约为82%，常减压蒸馏装置为82%~92%^[1,2]。

1.2 研究意义

为提高焦化厂加热炉效率，减少燃料能耗，各国纷纷开展余热回收技术研究和装置设计。其中利用蒸汽发生器，即余热锅炉回收生产装置余热是节约能源，减少能源消耗的重要手段之一。余热锅炉内部不发生燃烧过程，其本质是一个水/蒸汽-烟气的换热器，工作原理是收集系统排放烟气中的余热，利用其产生高温高压可以利用的水蒸气，或者将其输送到其他设备进行利用。余热锅炉目前在冶金、石化、动力及建材等行业得到了广泛的应用。本文重点研究设计热管式余热锅炉，热管由管壳、吸液芯和端盖组成，管内充以工质。热管的一端为受热段，另一端为放热段，受热段吸收烟气余热，热量经由管壁传给管内工质，工质受热蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向放热段，放出汽化潜热凝结成工质液体，冷凝液再靠毛细力的作用流回受热段^[3-5]。热管工作迅速，具有良好的导热性能，其导热系数是纯铜的40倍以上。但余热锅炉也存在大量问题， 余热烟气含尘量大，并含有腐蚀性物质，易造成锅炉内积灰、磨损、腐蚀等问题^[6]。焦化厂生产装置中还易导致省煤器结焦等问题^[7-9]。针对焦化厂碳素装置烟气余热回收系统的特点，考虑余热锅炉易积灰、腐蚀等问题，讨论热管式余热锅炉在焦化厂的运用。

2 国内外余热锅炉的发展现状

余热锅炉发展进程大致可分为三个阶段，即初期阶段、改进阶段和成熟阶段^[10,11]。20世纪50年代以前为余热锅炉的初期发展阶段，此时国内外将余热锅炉作为一般锅炉对待，盲目设计余热锅炉，导致技术性能与工业锅炉接近，运行不久就会出现积灰堵死现象。在反复摸索中，发现了余热锅炉烟气负荷变化大、易腐蚀积灰等特点。60年代前后为余热锅炉发展中期，此时余热锅炉的结构改进主要针对锅炉内部积灰问题，高温烟气进入空腔辐射冷却时，在短时间内降低温度，烟气在没有与锅炉受热面接触时就分离沉降下来，防止后部受热面堵塞，保证了良好的散热^[12-15]。余热锅炉发展至今，积灰问题可用吹灰、振打、爆破解决，并且在锅炉设计时，通过受热面布置控制关键部位温度、流速等参数，防止锅炉受热面发生冲刷腐蚀和高低温腐蚀，确保锅炉能够长期运行^[16,17]。因此，在余热锅炉的设计和应用过程中，要注意余热锅炉结构，防止积灰现象存在，导致效率大打折扣，设计采用振打、吹灰装置，解决余热锅炉积灰、磨损问题。

2.1 国外余热锅炉的发展现状

美国发展余热锅炉已经有四十年的时间，积累了大量经验。七十年代末，美国Q-DOT公司开始着手研制Q-DOT式热管式余热锅炉，用于甲苯蒸发发热。截至目前，正在运行中的热管式余热锅炉有数十台。美国还致力于研发朗肯循环发电系统，目前低温余热的发电系统设备已商品化^[18,19]。

美国从降低单位能耗和避免浪费能源角度来确定今后节能的三个方向^[20,21]：①采用先进的热泵技术回收利用余热和采用先进的低温差热交换器；②改善某些温度范围内燃烧率；③发展高温材料以提升过程效率。

日本在钢铁行业中使用干法熄焦余热锅炉，节能效果显著，现已向高参数和发电为主要目的的大型化余热锅炉发展。今后主攻节能技术开发领域，即：①高效率燃气轮机联合循环发电；②余热发电，如低温热管技术、低沸点工质余热回收发电技术设备；③回收固体显热的余热锅炉。

2.2 国内余热锅炉的发展现状

国内于七十年代初开始实施发展余热锅炉的规划。从1974年至1980年，先后投资建设余热锅炉研究和制造基地，形成了具有一定的余热锅炉研发能力以及雄厚的科研基础。现有多型高温烟气余热回收设备、低压余热锅炉、高压管壳式余热锅炉。

3 热管式余热锅炉

热管是一种高导热性能的传热元件，由管壳、吸液芯和端盖组成，其在全封闭真空管中注入工艺介质，通过介质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、可控制温度、可远距离传热、冷热侧传热面积可变等优点。热管式换热器由热管、隔板、外壳组成。工作时在隔板下侧热烟气与热管接触换热，热管将热烟气中的热量传递给隔板上侧的空气，热空气用于助燃，从而提高装置的效率。与无余热回收措施的装置相比，热管技术在应用后，热效率一般可提升5%~12%^[22,23]。

热管在使用过程中也存在一些问题，影响了装置的换热效果，主要表现为换热能力下降甚至失效和爆管。爆管的主要原因有以下几点：一是热管壁由于磨损和腐蚀变薄，承压能力低于热管工作温度下的内压；二是热管本身质量问题或内部工作工质选用不当；三是装置操作不当或工况变化造成烟气温度超过设计数值^[24]。因此，在热管式换热器的设计和应用过程中，除了优化设计方案，还要注意热管材质和工作工质的选择。工作工质应具备热稳定性好、热输送能力大、与壳体材料相容等特点。热管材料的选择要考虑管内工作液体的工作压力、工作温度以及工作工质与管壳相容性等问题^[25]。

对于热管换热器来说，相比于一般的换热器，其换热效率高，运行维护费用高，安全可靠。

4 热管式余热锅炉的分类

余热锅炉是指利用工业过程中的废气、废液或废料中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量把水加热到一定温度的锅炉^[26]。热管余热锅炉有两种形式，一种是整体形式，一种是分离形式^[27]。

整体形式结构相对较简单，即热管放热段直接插入汽包中，再通过热管进行热量传输，使得水在汽包中能够直接变热、沸腾，整体汽包式水循环应用也较为容易，能够在其内部反应，设计时应将自由水面的值控制在大于015~016m。

相对来说，分离式结构偏复杂，主要运用在高压高汽的情况中。其工作原理是把整个热管放入套管中，同时根据上下面进行连结，逐步形成一片片的管束。整个系统通过上下浮动将整个汽包形成一种自循环系统，锅炉内部的水则通过这种循环原理进行水汽循环。

现有的热管式余热锅炉按照组件构造特点和热管元件自身特点这两个主要特点来划分，可细分为以下五种主要形式^[28]：

(1) 若余热锅炉的所有换热组件均由整体式热管元件与管套式冷凝端组成，则称为整体套管式热管余热锅炉。

(2) 若余热锅炉的所有换热组件均由整体式热管元件与锅筒式冷凝端组成，则称为整体锅筒式热管余热锅炉。

(3) 若余热锅炉的所有换热组件均由分离式热管元件组成，而且冷凝段位于加热段上，借重力即可使热管工质密闭循环，则称为重力分离式热管余热锅炉。

(4) 若余热锅炉的所有换热组件均由分离式热管元件组成，而且冷凝段位于加热段下，借外热源加热回液管以使热管内工质密封循环^[29]，则称为热力分离式热管余热锅炉。

(5) 若余热锅炉全部换热组件是上述四种的任意两种的组合或上述任一种与非热管换热组件的组合，则称为组合式余热锅炉。

5 碳素装置余热锅炉的选用

5.1 影响热效率的主要因素

热效率的高低关系着碳素装置能耗的高低，热效率的提高意味着降低装置能耗、节约燃料。提高装置热效率的措施主要有降低排烟温度、减少散热损失、减少不完全燃烧热损失等。降低排烟温度、回收烟气中的余热是提高装置热效率、减少加热炉燃料耗量最重要的技术手段。烟气余热回收方法主要有两种，一种是通过预热燃烧用空气的方式回收；另一种是利用余热锅炉回收^[30]。

5.2 碳素装置余热锅炉选型

按照碳素装置烟气特性，并吸取世界余热锅炉的最新研究成果，锅炉选型应遵循以下几个规律进行完整研究。

(1) 余热锅炉整体布局根据不同情况常采用两种类型：一种为双回程垂直冲刷的烟道结构；另一种为水平直通式烟道结构，烟气水平流动。前者管屏间节距较大，灰尘颗粒不容易搭桥，且烟气运动方向自下而上，能有效分散部分大颗粒灰尘，减少浓度，且占据区域不大，较为便捷；后者烟气直线流动，可减轻烟气流与飞灰分布的不均匀性，因此可以防止飞灰的局部堆积和磨损。两者比较，烟尘浓度较大的场景，宜采用后者。

(2) 余热锅炉可以建造成内部中空，设定辐射室，同步加大辐射受热范围，以使温度下降至结渣指定温度之下，表现为熔融状态，从而成为固态颗粒落下，避免再次运动至对流受热位置结渣，堵塞等问题。

(3) 取消下锅筒，上锅筒设置在锅炉外，方便受热面管束的布置。

(4) 余热锅炉的炉膛水冷壁内部应选择膜式结构，管径大，核心距离小，以提高辐射传热效果，从而完整保护整体封闭式结构，便于炉渣清理。

5.3 余热锅炉常见问题及解决方案分析

余热锅炉常见问题主要有：积灰、结渣、磨损和腐蚀等^[31-34]。以下为有效减少上述问题的手段：

(1) 合理的对流受热面设计

对流受热面采用顺列管束膜式受热面, 此时烟气流速取较小值(3~4m/s) , 对减缓磨损和清除积灰有利。

(2) 防止高温腐蚀和低温腐蚀的设计

余热锅炉烟气温度在500 ℃以上，此时发生的腐蚀为高温腐蚀。因此控制余热锅炉内部受热面壁温低于此温度, 一般不设过热器。

(3) 有效的清灰渣措施

余热锅炉的积灰、结渣情况较为严重。清除灰渣较多是采用机械振动和压缩空气吹灰两种形式或结合使用。压缩空气吹灰需配置相应的辅助设备,成本较高, 不太适于小型余热锅炉。安装在水冷壁角落上的振动除灰装置由振动杆、激振器、固定悬壁梁和连接弹簧组成, 为了清除受热面上的积灰和结渣而施加的振动力可在受热面上产生低、中、高频振动, 低频振动易引起锅炉构件局部较大的应力和应变而损坏构件。一般认为变频振动清灰效果较好, 但从实践来看, 变频振动往往因冲击力穿透不够、位移过小而清灰打渣效果不理想, 合格的频率应是使锅炉水冷壁上各振动模态被充分激励出来, 在不损坏锅炉构件的前提下, 得到最大的有效振动而取得理想的清灰渣效果。

6 结语

余热锅炉是机械产品及余热利用的一个重要组成部分，因此大力发展余热锅炉，提升振兴余热锅炉行业，也是振兴机械工业，促进产品质量和水准不可缺少的环节。

随着传统不可再生能源的日益枯竭，更加需要化工企业注重在选择锅炉时考虑运行成本。众多余热锅炉设计制造厂对锅炉进行了节能改造，主要目的在于提高锅炉的余热回收效率。节能是国家可持续发展中的关键因素之一。据我国以往对传统能源不能有效循环再利用，将造成社会环境资源不断恶化，造成资源快速枯竭。我国工业能源消耗，在能源有效利用率方面只占30%左右，在成本支出中占有很大比例，超出发达国家很多。为此，考虑经济效益和能源发展战略，余热锅炉的节能推广是国家发展的一项重大举措。在能源紧缺这个全世界严峻的课题下，为谋求发展开发新能源、清洁能源是一个方面，更为重要的是在节约能源领域的多基础研究。

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