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1、吉林化工学院本科毕业设计文献综述余热锅炉综述摘 要：余热锅炉，顾名思义是指利用各种工业过程中的废气、废料或废液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工质的锅炉。具有烟箱、烟道余热回收利用的燃油锅炉、燃气锅炉、燃煤锅炉也称为余热锅炉，余热锅炉通过余热回收可以生产热水或蒸汽来供给其它工段使用。关键词：余热锅炉；回收；蒸汽；高温高压1.余热锅炉概论余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。余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,余热锅炉的参数逐渐提高,余热锅炉由生产低压蒸汽的工艺锅炉转变
2、为生产高压蒸汽的动力锅炉。余热研究的新成果不断涌现研究的新成果不断涌现得在余热锅炉设计、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 余热锅炉的特点余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余热。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。余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。余热锅炉的运行比常规锅炉更复杂, 余热锅
3、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余热锅炉的分类在余热锅炉中进行的是热量传递的过程,因此余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
4、是由于化工生产中,各种工艺条件和要求差别很大,因此化工用的余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,余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,余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,余热锅炉可以分
5、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,余热锅炉可以分为:重油气化余热锅炉、乙烯生产裂解气急冷余热锅炉、合成氨前置式、中置式或后置式余热锅炉等。2.余热锅炉的设计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 机械强度计算选材料; 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、
6、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余热锅炉的设计发展 余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, 传统余热锅炉的结构设计均采用前后两套余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, 在余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, 实现了硫回收单元余热锅炉的一体化设计。该新型余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
7、元传统余热锅炉结构硫回收单元传统余热锅炉总体结构见图1, 汽包与余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余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。由于传统余热锅炉结构原因, 必须在硫反应器前后布置两套余热锅炉才能实现硫磺的充分回收。 图1 传统余热锅炉总体结构2.3. 2 硫回收单元新型余热锅炉结构新型余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 (低温余热锅炉)。根据余热锅炉设计工艺参数, 取消了低温余热锅炉后, 必须在高温余热锅炉本体或汽包
8、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。通常余热锅炉主要由余热锅炉本体、汽包及上升管和下降管组成。余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;锅炉给水在进入余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
9、降管流入余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, 如此循环达到余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, 以免影响水循环和余热锅炉本体的安全可靠性。对余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余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, 在余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; 另一方面余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
10、温差应力较大, 管板的设计困难, 甚至很难确保余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。最终设计的新型余热锅炉系统总体结构见图2。图2 新型余热锅炉总体结构图3 新型余热锅炉本体换热管结构2.3. 3 硫回收单元传统余热锅炉与新型余热锅炉的比较新型余热锅炉由于创新型的一体化设计, 达到了系统工艺要求及节能减排、回收资源、降低设备一次性投资、减少设备占地的要求。其中减少了一套余热锅炉系统, 可减少设备占地约80%, 节约设备一次性投资60% 70%, 同时减少了生
11、产过程中设备的维护费用、缩短了检修周期, 使系统设备的布置更为简捷、紧凑, 管道布置更为简略。新型余热锅炉最突出的创新点在于汽包上布置了蒸发器的新型结构, 同时对设备的防腐措施提出了明确要求, 这些改进, 在用户的安装现场得到了多方专家的肯定。投用两年多来, 运行效果良好、硫磺资源的回收达到预期, 过程气的排放完全符合排放标准。3.余热锅炉的制造3.1管箱盖制造包括管箱法兰 管接头 封头制造3.2管束制造 包括管箱、管箱法兰、大管板、内管、换热管、小管板、折流板隔热板、隔热垫圈、拉杆螺母、定距管等制造。3.3中压壳体制造3.4总装工艺总装工艺如图22 所示4。 (1) 将管束以水平位置放好,
12、然后用行车将管箱盖吊起, 并徐徐向管束的管箱靠拢, 放好垫片后将管束和管箱盖通过螺栓将其拧紧,并保持水平位置。（2）管束与中压壳体的组装采用卧装方式进行。中压壳体用两台 20 吨行车平行吊起（水夹套已装在中压壳体上）,再平行移动将其套进管束中, 并按一定方位将管箱的大管板螺栓孔和中压壳体法兰连接起来, 连接前应将垫片先就位好,装上螺栓,上紧螺母,总装完毕。（3）高压管束侧迸行充氮, 以备运输。3.4余热锅炉制造中异种钢焊接工艺的若干间题 由于余热锅护的介质温度较高, 又处于中压条件艺需选用强度较高的珠光体耐热钢材制造, 又由于裂化气中往往含有硫化物等介质, 在高温时易引起珠光体钢材腐蚀, 故在
13、高温段又裕选用耐热、耐腐蚀的奥氏体不诱匆材制造。这就在制造上出现了奥氏体不锈钢与珠光体低合金钢或碳钢的焊接。这类通常称为异种钢焊接的问题, 国内外曾有过一些研究成果可以参考。问题的关键在于珠光体母材与奥氏体焊缝金属一侧, 产生组织异常和机械性能变坏。因而注意力都集中在这一侧进行研究。我厂金相室根据焊接接头熔合区中合有类马氏体组织的弯曲试验, 弯曲角达180度也无裂纹产生, 认为使用温度在350以下时可允许类马氏体带组织的存在5国外有人6 对异种钢焊接接头熔合线进行了研究, 称低碳马氏体基体上有铬的碳化物析出的组织为“类马氏体” , 指出类马氏体的存在, 对冲击值是有害的; 还认为预热和母材含碳
14、量低 在( 0.2 %左右),都促使类马氏体组织的形成； 焊缝的塑性随焊丝中镍量的增加而改善7。4 余热锅炉使用管理4.1影响余热锅炉使用寿命与安全运行的若干因素4.1.1 水质处理对余热锅炉使用寿命的影响（1）余热锅炉外的水处理水是影响余热锅炉使用寿命与安全正常运行的重要因素之一, 加人炉内水质的好坏与否常常直接决定着余热锅炉能否正常操作。所以在水加人余热锅炉之前要经过软化、除盐 、热力除氧等一系列的良化措施, 以达到改善水质的目的（2）余热锅炉内的水处理要充分地延长余热锅炉的使用寿命, 最大限度地发挥其热功效率, 保证锅炉安全而正常的生产仅仅靠炉外的水处理工作是不够的, 还应在重视炉外水处
15、理质量的同时, 控制好炉内水的各项品质指标,注重加强锅炉内的水处理工作。诸如：在新安装的锅炉投产前要进行煮炉, 煮炉后应进行酸洗, 投产后在对锅炉进行定期排污的同时还要保持锅炉的连续排污, 以及向锅炉内定时填加化学药剂等。4.1.2 水质输送对余热锅炉使用寿命的影响 水是余热锅炉正常生产的命脉, 如果锅炉一旦发生缺水而造成干锅现象, 就势必会打乱正常的生产, 造成严重后果。因此在注重锅炉内水处理的同时, 还要强化对输送水的设备多级离心水泵的操作, 使其能连续而稳定的运转, 从而为余热锅炉的高效生产提供水源保证。此外在多级式离心水泵本体特性一定的情况下, 要多重视给水泵出口的再循环管路, 给水泵
16、出口管上安装的逆止阀及与泵出口管上逆止阀上的旁路阀等管道与阀门的工作特性和工作情况。（1） 多级离心泵出口再循环管的影响 为了将给水送人锅炉, 并使给水调节阀具有良好的调节特性, 锅炉给水泵出口的压力除了要克服汽包的工作压力外, 还要克服给水管路的流动阻力及给水泵出口至汽包高度差形成的静压差, 并要保持给水调节阀前后一定的压差。通常给水泵的出口压力比汽包工作压力高30%40%。（2） 多级离心泵出口管逆止阀的影响 为了使备用泵处于随时可以启动的状态和启动后能立即正常供水, 备用泵的人口和出口阀必须处于全开位置。为了防止给水泵出口母管内压力很高的水经备用给水泵返回到处理槽内, 造成备用给水泵倒转和出口母管压力降
