50万年煤制烯烃项目中压废热锅炉设备设计

燕京理工学院毕业设计（论文） 诚信申明诚信申明 本人申明： 我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而 进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所 罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得北京化工大学北方学院或其它教育机构的学位或证书而已经使 用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献 均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 年 月 日 燕京理工学院毕业设计（论文） 废热锅炉设备设计废热锅炉设备设计 魏清 机械工程专业机械 1501 班学号 150350020 指导教师黄东梅老师 摘摘 要要 随着国家对能源的利用变得越来越重视，节能技术的开发也在高速进行中， 废热锅炉就是其中之一，废热锅炉中主要的设备有汽包和锅炉本体，辅助设备 有水预热器等，是现在大型工厂中为防止巨量热能的浪费，必不可少的设备之 一。主要利用工艺链中其他设备的余热来进行热交换，进而产生水蒸汽的设备。 目前综合来看主要发展动向有：大型化、定型化、自动化，强化传热技术引入 等，是现在各种大型工厂中必不可少的设备。 本次废热锅炉的设计就其不同发展趋势，论述制造工艺，材料选用，检验 和安装等方面，根据废热锅炉的结构特点，分析在不同场合中应用不同的锅炉 类型，以及锅炉配件选型、制造等。 关键词关键词：废热锅炉余热利用煤制烯烃国民经济 燕京理工学院毕业设计（论文） Design of medium pressure waste heat boiler equipment for half a million tons/year coal-to-olefin project ABSTRACT As countries for energy use become more and more attention, energy-saving technology development is also fast in and waste heat boiler is one of them, in a waste heat boiler main equipment with drum and boiler, auxiliary equipment, water heater, and so on, is now big factories to prevent massive heat energy waste, equipment essential one.Heat exchange with other equipment in the process chain is mainly used for heat exchange, and then the equipment of water vapour is produced. At present, the main development trends are: large-scale, stereotypes, automation, enhanced heat transfer technology, and so on, is now a variety of large plant essential equipment. The waste heat boiler design is the different development trend, discusses the manufacturing process, material selection, inspection and installation, according to the structural characteristics of the waste heat boiler. Analysis application of the different types of boiler in different occasions, and boiler accessories selection, manufacturing. Key words:Waste heat boiler, waste heat utilization, coal to olefins, national economy 燕京理工学院毕业设计（论文） 燕京理工学院毕业设计（论文） 目 录 前 言 .1 第 1 章 废热锅炉及其应用 1.1 废热锅炉的背景 .2 1.2 大致分类废热锅炉 .2 1.3 结构特点不同的锅炉 .2 1.3.1 管壳式废热锅炉的工作特点 .3 1.3.2 烟道式废热锅炉的工作特点 .4 1.4 废热锅炉的选型要求 .5 第二章 废热锅炉的结构以及选材 .6 2.1 压力容器用钢基本要求 .7 2.2 压力容器常用钢材简介 .7 2.2.1 壳体常用材料 7 第三章 相关工艺的计算 10 3.1 任务书要求的设计条件 10 3.2 工艺结构设计 11 3.2.1 换热管数 n 确定及材质的选择 11 3.2.2 换热管子的排列方式及间距 11 3.2.3 筒体大小内径的确定 12 第四章 锅炉主体设计和强度校验 13 4.1 筒体结构 13 4.1.1 筒体的壁厚计算 13 4.1.2 锅炉壳体的压力校核 13 4.1.3 封头结构设计 14 燕京理工学院毕业设计（论文） 4.1.4 封头厚度计算 15 燕京理工学院毕业设计（论文） 4.1.5 对封头厚度的检验 15 4.1.6 不同直径过度段 锥壳的结构设计 .16 4.2 管箱主体设计 16 4.2.1 结构设计 17 4.2.2 箱内设计 17 4.2.3 箱体壁厚的计算 17 4.2.4 管箱隔板的结构设计 18 4.3 炉内件管板的结构设计 19 第五章 废热锅炉附件的结构设计 20 5.1 除沫器 20 5.1.1 适用范围 20 5.1.2 结构 20 5.1.3 形式 20 5.2 锅炉外件鞍式支座 23 5.2.1 容器质量的确定 23 5.3 折流板 25 5.3.1 确定折流板的形式 25 5.3.2 折流板的主要几何尺寸 25 5.3.3 折流板排列方式确定 25 5.4 拉杆和定距杆 26 5.4.1 拉杆的结构形式 26 5.4.2 拉杆的直径，数量和尺寸 26 5.5 锅炉的人孔 27 5.5.1 人孔的作用 27 第六章 废热锅炉焊接结构的设计 29 6.1 管箱、管板与壳体之间的焊接结构设计 29 6.1.1 管箱与管板的焊接 29 6.1.2 管板与壳体之间的连接 30 燕京理工学院毕业设计（论文） 6.1.3 换热管与管板连接结构设计 30 6.2 接管与法兰焊接结构设计 31 6.2.1 法兰的结构类型 31 6.2.2.设备接管法兰 .32 6.3 废热锅炉系统的安装与检测 33 6.3.1 炉体和内件的安装 34 致 谢 36 参考文献 .37 外文翻译 .38 燕京理工学院毕业设计（论文） 1 前 言 在工厂的生产中会有很多的废热、废气等，如果得不到利用，那么这些能 量就凭空浪费了。废热锅炉就是把这些能量收集利用，用来交换热量产生蒸汽， 简称锅炉。废热锅炉中主要的设备有汽包和锅炉本体，辅助设备有水预热器等。 随着国家对环境对能源的高度重视，余热利用技术渐渐的被提升起来，利 用效率也不断攀升。从科技创新开始，动力蒸汽的废热锅炉发展非常迅速，虽 然时间不长，但已经走向成熟，在工厂生产中随处可见。 通常情况下利用高温余热锅炉，趋于用以前的低压锅炉提升，使其变为动 力锅炉由高压过热蒸汽推动，而针对温度比较低的余热利用，也尽量改造成低 压供气锅炉。通常工作压力 10Mpa 以上的废热锅炉属于高压。由于生产工作中 水的沸腾，在这样的压力会增到热负荷的临界值，所以对于工艺气体比较大的 温度波动，使得热负荷不会超过工作状态下的临界值。不然会造成水的膜状沸 腾，造成炉管在高压下破裂，工艺气体温度的上下浮动会较大，并且作为废热 锅炉的热源，所以水的临界热负荷相对比较重要。 自 20 世纪 70 年代以来，由于世界性的能源短缺，而各国家的需求量仍在 不断增加，一些工业国家已经出现了能源短缺的现象，节约能源已经被推到了 最前线，因此对节能设备和工艺的研究人员也在变多。在热能回收工作中最常 见的应用就是废热锅炉，许多大型工厂会利用废热锅炉来发电，或者为下一个 工艺所需热量做储备，毕竟自给自足的方式也会减少再次生产这些能量所需要 的费用。因此使用废热锅炉可以让工厂效益变得更好，并且节省成本的前提下 还能节约资源的浪费。因此提升废热锅炉的热交换效率，对节约能源有很大的 作用，让我们在可持续发展的道路上扬帆起航。 燕京理工学院毕业设计（论文） 2 第第 1 1 章章 课题研究背景与价值课题研究背景与价值 第第 1.11.1 节节 选课的意义与价值选课的意义与价值 1.1.11.1.1 理论意义与价值理论意义与价值 自 20 世纪 70 年代以来，由于世界性的能源短缺，各工业部门很重视节约 资源，回收余热，废热锅炉作为主要设备，其发展也很迅速，综合来看主要发 展动向有：大型化、定型化、自动化，强化传热技术引入，出现外加热载体废 热锅炉等。 废热锅炉是运用化工生产过程中产生的高温物流为热源来生产蒸汽的一种 换热设备。因其能够实现能源的再利用，从而更高效的节约资源，被广泛应用 在硝酸、硫酸、合成氨及石油炼制工业等多领域，使工业生产的动力和热能源 大部分或全部实现自给，既节省了资源又使得成本降低。 1.1.21.1.2 实践意义与价值实践意义与价值 废热锅炉目前在石油化工工业里，总是伴随着大量的工业余热、废气，由 于它们的温度比较高、压力比较大。我们主要运用废热锅炉来重新利用这些资 源，使其能够再次成为生产中的可用能源，因此我们能够提升热能的利用效率， 节省资源的损耗。在煤制烯烃过程中，需要很大的热量，我们可以利用过程余 热来实现这个过程，从而能够减少能量的浪费，这些都充分的表明废热锅炉在 化工企业生产中的坚定的地位。 第第 2 2 节节 研究综述研究综述 1.2.11.2.1 国内废热锅炉的发展现状国内废热锅炉的发展现状 日前，哈电集团哈尔滨锅炉厂有限责任公司为安徽六国化工股份有限公司 研制的废热锅炉完成制造，并正式自哈发运。该废热锅炉是国内首个采用喷泉 式布管内孔焊接的产品，今后可替代进口同类设备，进一步彰显了哈锅品牌与 冰城制造的实力依据哈锅炉公司与安徽六国化工股份有限公司签订的废热锅炉 燕京理工学院毕业设计（论文） 3 供应合同，该型废热锅炉需采用内孔焊结构加喷泉式管束结构相结合的釜式换 热器，结构复杂，设计制造难度大。因此，目前国内同类结构产品均使用进口 设备，但均面临价格昂贵、维护和检修成本高等难题。 1.2.21.2.2 国外废热锅炉的发展现状国外废热锅炉的发展现状 第第 3 3 节节 课题的研究意义与目的课题的研究意义与目的 1.3.11.3.1 理论意义理论意义 废热锅炉也叫余热锅炉，就是利用各种装置产生的高温废气来加热水，产 生蒸汽或产生热水（即蒸汽余热锅炉、热水余热锅炉） ，再利用所产生的蒸汽或 热水，达到余热再利用的目的。废热锅炉属于节能环保项目，它降低了废物的 排放量，大大减轻了环境污染，同时对热量进行了一定的回收，从而更高效的 节约资源，对资源的利用具有重要意义。 1.3.21.3.2 实践意义实践意义 废热锅炉串接于工艺流程之中，它既是用来回收废热，生产蒸汽的锅炉设 备，同时也是完成特定工艺过程（如：降温，除尘，均匀气流颁等）所必不可 少的化工设备。其设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。在烯烃生产中， 废热锅炉的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及 三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。同时，其操作弹性的 好坏也直接关系到烯烃企业的经济效益。二十一世纪伊始，随着国内烯烃工业 的持续发展和对环境保护要求的提高，以其工艺简单，污染轻，热能回收率高 等特点得到迅猛发展，装置规模也日益大型化。装置的大型化提高了规模经济 效益，降低了生产成本，使企业在市场竞争中具有更大优势。因此对于早已成 熟的烯烃生产工艺中的废热锅炉性能的改进的提升具有极其重要的意义。 第第 4 4 节节 研究范围与内容研究范围与内容 1.4.11.4.1 废热锅炉的工作原理废热锅炉的工作原理 通过一系列的换热器将工业生产过程中产生的高温废气的热量转化为蒸汽 燕京理工学院毕业设计（论文） 4 或热水的设备即废热锅炉。 其原理就是管式换热器的原理，即工质在管内流动， 高温废气在管外流动，在二者的流动过程中，废气将热量传递给工质而温度降 低（余热被利用） ，工质吸收废气的热量而被逐级加热成所需参数的蒸汽或热水。 1.4.21.4.2 废热锅炉的大致分类废热锅炉的大致分类 按工作压力的不同可以分成：低压废热锅炉 0.1MPa p 1.6MPa； 中压废热锅炉 1.6MPa p 10MPa；高压废热锅炉 p 10MPa，按 蒸发量的不同可以分成：小型锅炉 20t/h 以下；中型锅炉 2075t/h；大型锅炉 75t/h 以上，按气水循环方式的不同可以分成：自 然循环废热锅炉；强制循环废热锅炉；直流废热锅炉，按气、水流经管内或管 外可以分风：火管锅炉；水管锅炉；双套管式锅炉，按锅炉结构的不同可以分 成：管壳式废热锅炉；烟道式废热锅炉；双套管式废热锅炉，按废热锅炉安装 的形式可分为：斜置式、卧式和立式等形式。 第第 5 5 节节 研究视角与方法研究视角与方法 1.5.11.5.1 研究视角研究视角 废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 产工艺气中的废热。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。废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。废热锅炉的运行比常规锅炉更复杂，废 热锅炉利用的是余热，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。我国对废热锅炉技术的 技术还不完善，相对于国外很多国家有很大的差距，所以我国迫切需要做出改 变和提高来缩小这种差距，提高我国在这方面的资源利用率。 1.5.21.5.2 研究方法研究方法 废热锅炉是焦化厂煤气净化生产线烯烃回收单元的主要设备。为满足系统 工艺要求,传统废热锅炉的结构设计均采用前后两套废热锅炉才能实现烯烃的充 燕京理工学院毕业设计（论文） 5 分回收。我国对其系统工艺特点进行了深入研究,在废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,实现了烯烃回收单元废热锅炉的一体化设计。 该新型废热锅炉的设计既满足了系统工艺的要求,达到了节能减排、烯烃资源充 分回收,同时又降低了设备-一次性投资和减少设备占地。再进行多次试验，找 出其不足,并进行相应的改进和完善。 燕京理工学院毕业设计（论文） 6 第第 2 2 章章 废热锅炉的概况废热锅炉的概况 第第 1 1 节节 发展前景概况发展前景概况 列管式固定管板废热锅炉（卧式废热锅炉）：具有列管式换热器的类似特点， 操作方便、便于维修，阻力小、制造方便结构简单，也便于清理等。通常情况 下壳体压力会比较高，因此壳体和管板采用胀焊并用的方式连接，如此可避免 大开口高压密封结构。 碟型管板列管式废热锅炉，经常用于砂子炉裂解原油闪蒸馏分制取烯烃中， 高温气体从空气预热器过来，流经管程和壳程的水充分热交换，在壳程产生高 压蒸汽。 椭圆形管板列管式废热锅炉：跟平管板比，他的受力更均匀，耐压强度高， 因为管板的两侧温度小，所以温差应力不高。并且板子形状是曲线形还很薄， 具有一定程度的弹性，以此吸收列管受热膨胀的长度伸缩量，它尤其适合高温 高压下的废热锅炉。 B.盘管式废热锅炉 盘管废热锅炉：操作简便、结构清晰，安装、检测维修和清洗都十分方便。 盘管废热锅炉能够选择的参数范围很广泛，可以适应不同的介质。 采用火管型的盘管式废热锅炉较为普遍，它一般不是单根的，而由一组换 热管组成，并且组成的每根盘管的当量长度、规格等也要尽量一致，才可以确 保阻力相同，以使得分布在管内的气体是均匀的。针对在重油的废热锅炉，管 内气体的流速需要有个平衡，既不可以太大，也不可以过小。管内气体流速太 大的时候，其阻力损失必然增大，热强度也会提升，可能导致换热管的局部过 热，让管子的磨损情况增加。倘若管内气体流速太小，就会使得管壁上发生积 燕京理工学院毕业设计（论文） 7 炭现象，导致换热的效率骤然下降。因此只有换热管内的气体的流速合适，才 可以避免以上情况发生。通过理论与实际的检验，换热管内气体的线速度尽量 不要超过 70m/s，下限不能低于 25m/s，通常情况下稳定在 45m/s 左右。盘管和 气体总管（叉管）的连接，必须避免和叉管内气体流动的方向成 90 度的接管。 它们的角度越小，接管焊缝处的局部应力就相应减小，而且局部阻力也会降低。 1.3.2 烟道式废热锅炉的工作特点 烟道式废热锅炉与其他废热锅炉类似较为普通，让高温气流经烟道，接着 与管子里的冷介质进行热交换，从而产生蒸气。烟道式废热锅炉通常使用压力 较低的工艺气或烟道气。烟道式废热锅炉在石油化工领域现在已经广泛应用。 1.4 废热锅炉的选型要求 （1）按照生产要求的工艺气体选择： 高温 10001450 1.温度 中温 6001000 低温 100600 2.压力： 两个压力：工艺气操作压力=A、水侧所产蒸汽压力=B. 水管式 套管式 火管式 A 不高 B 较高 U 型管式 A 较高 B 不高 盘管式 插入管式 列管式 烟道式 A 为常压 B 为高、中压 烟道式 A、B 为常压或低压 夹套式 直流式 列管式 3.工艺气体的流量和流速： 工艺气体 流量、流速大 双套管式、管束插入式; 燕京理工学院毕业设计（论文） 8 流量、流速小 U 型管式和插入管式。 4.特点： 废热锅炉里流动不同工艺气体时，结构形式可能会影响到材料的性能，如 气体的腐蚀性大小，在炉内的停留时间，气体中有没有杂志颗粒和它的摩擦力 和临界速度等。 5.阻力降： 气体侧为低压与常压时，阻力降的大小是一个重要条件。通常情况下使用 阻力降略小的结构，如插入式或者烟道式等; （2）根据材料的制造、安装和检修的条件确定 有一些材料的耐热性、耐磨性和其他机械性能都很好，不过它的焊接性、 机械加工性却比较差，或者材料很难获得，这就需要更换材料。使得其满足工 艺条件，并根据当地的环境和现有的技术等合理选择，以获得最合适的结构形 式。 燕京理工学院毕业设计（论文） 9 第二章 废热锅炉的结构以及选材 化工设备的材料选用范围很大，可是要使得材料的力学性能、可加工性等 多方面性能满足设备和其配件，使锅炉能在温度、压力等不同工艺条件下无异 常运行，就需要对锅炉选用材质有所了解，善于利用物美价廉的原材料，节省 开销。 目前工业生产中，工艺配方、技术条件都比较繁杂，所以设备材料也种类 良多以满足不同需要。如碳钢、合金钢、工程塑料、陶瓷等。其中以钢材的使 用最为广泛，压力容器用钢主要有碳素钢、低合金钢和高合金钢。 2.1 压力容器用钢基本要求 化工压力容器对于材料的选择有着非常严苛的条件，但同时材料的选择又 十分广泛。因此对于不同的要求，我们选择经济适用的材质。压力容器安全性 的决定因素大致分为两块，内因是结构和材料的性能，外因是环境、时间和载 荷条件等。为了在全寿命周期内压力容器可以安全可靠的平稳运行，选择的钢 材需要具备如下方面： A、厚度随着压力变，不过材料的成本也随着厚度的增加而提高，以及制 造加工等方面的难度，因此我们要选择既能满足强度和刚度要求的，而且经济 适用的合理厚度。 B、为了使钢材在发生载荷波动和强冲击的情况下能平稳运行，材料就必 须要有良好的韧性。 C、制造工艺对钢材也有较大影响，选择材料的焊接、加工性能有很大要 求，以及焊后热处理等方面。 D、化工介质通常具有一定的腐蚀性，因此抗腐蚀能力也是选择材料的一 项重要指标，不然日积月累下材料一旦腐蚀过多造成损坏，后果也是不敢设想。 如果一般的材料达不到要求的抗腐蚀寿命，就需要另寻他法，加入衬里，镀上 燕京理工学院毕业设计（论文） 10 一层防腐蚀金属，实在不行就更换材料。 E、钢材中硫、磷含量不能高于国家标准。 2.2 压力容器常用钢材简介 2.2.1 壳体常用材料 压力容器的筒体通常是用卷板机卷制而成，包括冷卷或者热卷，然后焊接 后热处理固定成型。由制造过程可以知道钢板需要具备良好的塑性与焊接性能。 我们需要按照 GB 151-1999管壳式换热器中对筒体材料的相关规定选择， 工艺条件是决定用碳素钢、高合金钢、或低合金钢等哪些钢材的重要条件。 1 碳素钢 碳钢（0.02%2.11%） 碳素结构钢 优质碳素钢 压力容器专用钢板 Q235-B、Q235-C 等 10、20 钢管等 20G 等 碳素钢价格低廉，强度较低，塑性和焊接性较好，用于常、中、低压容器 的加工制造，或其他附属零件的材料，应用广泛。 压力容器用碳素钢，具体参数见下表： 燕京理工学院毕业设计（论文） 11 钢号 钢板 标准 使用状 态 厚度 /mm 使用温 度/ 使用条件 20R GB665 4-199 6 热轧或 正火 6 100 -20 475 (1)下列情况应在正火状态下使用： 用于壳体厚度大于 30 mm 的 20R 和 16MnR 用于其他受压元件 （法兰、 管板、 平盖等） 的厚度大于 50 mm 的 20R 和 16MnR 厚度大于 16mm 的 15MnVR (2)下列情况应逐张进行拉伸和夏比（V 形 缺口）冲击（常温或低温）试验： 调质状态供货的钢板 多层包扎压力容器的内筒钢板 用于壳体厚度大于 60 mm 的钢板 (3)下列情况应每批抽一张钢板进行夏比 （V 形缺口）低温冲击试验： 使用温度低于 O时，厚度大于 25 的， 小于 60 mm 的 20R， 厚度大于 38 mm 小于 60 mm 的 16MnR、15MnVR 和 15MnVNR，任何厚度的 18MnMoNbR、3MnNiMoNbR 和 07MnCrMoVR 使用温度低于-10，厚度大于 12 mm 的 20R，厚度大于 20mm 的 16MnR 16MnR 热轧或 正火 6 120 -20 475 15MnVR 热轧或 正火 6 60 -20 400 15MnVN R 正火 6 60 -20 400 18MnMo NbR 正火加 回火 30 100 -20 475 13MnNi MoNbR 正火加 回火 30 120 -20 400 15CrMo R 正火加 回火 6 100 -20 550 07MnCr MoVR 调质 16 50 -20 350 14Cr1M nR 正火加 回火 16 120 -20 550 2 低合金钢板 在碳素钢中添加入少量合金以提高强度的同时，还具有良好的塑性， ，可焊 性，成型性能等，使用低合金钢既能减少容器重量节省材料的使用，而且能解 决大型压力容器在加工制造，运输、安装等其他困扰。 本次设计所用的专用钢板 Q345R 就包括在压力容器常用的低合金钢中，具 有很好的综合力学性能和加工制造性能。 3 不锈钢钢板 燕京理工学院毕业设计（论文） 12 对于普通不锈钢，通常用在酸性较弱的情况，其强度、韧性、塑性以及切 削加工性能都良好；还有一种是“耐酸钢”含铬量大约为 17%以上。 在废热锅炉制造过程中，会大量需要各种钢管。通常情况下这些接管全部 为无缝钢管，并且不承受压力作用。通常情况下钢管的长度规定如下： 热轧钢管312m 冷拔(轧)钢管310.5m 热轧钢管允许交付长度不小于 15m 的钢管，冷拔(轧)钢管的长度要大于 y 一米 ，钢材总重量的百分之八为上限。现列举一些钢材： 材料 类型 钢材号国家标准厚度mm使用说明 抗氢中 温钢管 12CrMo, 15CrMo GB 9948 16 可用于温度较高情况下的换热管和热 油管等 高合金 钢管 OCr18Ni9 , OCr18NilOTi OCr17Ni12Mo2 OOCr19Nil0 GB7T 14796 18 冷拔（热轧）无缝管，其承受温度范 围很大，可用于高低温设备，抗腐蚀 能力强 燕京理工学院毕业设计（论文） 13 第 3 章 相关工艺的计算 3.1 任务书要求的设计条件 废热锅炉的工艺参数： 操作 条件 管程操作温度() 291-260 管程设计温度() 300 管程操作压力 Mpa(G) 6.02-6.05 管程设计压力 Mpa(G) 6.3 壳程操作温度() 165230 壳程设计温度() 260 壳程操作压力 Mpa(G) 2.72-2.7 壳程设计压力 Mpa(G) 2.95 壳程环境温度() -15.337 管程环境温度() -15.337 管程介 质 变换气（CO、H2、CO2、N2等） 壳程介质 锅炉给水（蒸汽） 00Cr19Ni10（304L） 换热面 积 235.5 平方米（直段） 设计使用 年限 15 年 介质特 性 管程： 中毒危害、 易爆； 管程： 无毒、 不易爆 基本风压 600Pa 地震设 防烈度 6 设计基本 地震加速 度 0.05g 根据温差和压力，设计选择 U 型管式，其特点是管子在热影响下有一定的 自由伸长范围，这样在温差较大时，从结构上可以避免热应力等问题，并且管 子固定在管板上，不会对壳体产生影响。 燕京理工学院毕业设计（论文） 14 图 2-1 卧式带蒸发空间的废热锅炉 3.2 工艺结构设计 3.2.1 换热管数 n 确定及材质的选择 由于废热锅炉管程输送高温的气流体（CO、H2、CO2、N2等） ，壳程介质为 水，容易结垢，所以管子间的距离不能设置的过小，这样清洗工作比较容易， 而且水循环也更有效果。管径不能太大，不然换热管下部的外表面会累积蒸汽 导致管子过热。故采用换热管 252.5 的 00Cr18Ni10 的不锈钢管，管子长度 为 4m。水的进口管可以靠近高温工艺气入口测的换热管，充分冷却壁温较高的 部分管子。 计算换热器的整体换热面积公式 ，得nLdA 0 根667 5.4025.0 5.235 0 Ld A n 圆整后取管子的数目为 700 根，选择双管程的 U 型管时，当量管子数目为 350 根。 3.2.2 换热管子的排列方式及间距 由于管子里流动的全是纯净的高温气体，不需要对管子内进行清洗，而管 外流动的水却容易产生水垢，需要定期清洗。所以换热管使用三角式排列，根 燕京理工学院毕业设计（论文） 15 据规定中心距长度不小于 1.25 倍的换热管外径。 根据 GB151-1999 得：换热管中心距 S=44mm 3.2.3 筒体大小内径的确定 经查阅文献：多管程换热器壳体的大径与管子的数目相关，以此估算： 1.05 n Dt ）（8 . 0/700.05x44x1= 其中上式 取 0.8，带入数据得小径 D=702.79mm。 考虑到换热器的壁厚且与鞍座配合时，取整为 750mm。 而含有蒸发空间的管壳式废热锅炉，大径的选择通常是按大端直径与小端 直径的比值在 1.52 之间，即： ，取。 2)(1.5750 = Dimm 50011125 = Di1200mm = Di 燕京理工学院毕业设计（论文） 16 第 4 章 锅炉主体设计和强度校验 4.1 筒体结构 4.1.1 筒体的壁厚计算 由第三章对废热锅炉换热管与壳体的工艺计算得大端直径 DN=1200，筒体 采用 Q345R 材料，并假定厚度范围 316mm，查阅过程设备设计表 D-1 得 260下许用应力。C 设计压力 （MPa） 设计温度（ ）C 许用应力 （MPa） 焊缝系数腐蚀裕量 C2（mm） 厚度负偏差 C1（mm） 2.952601531.03.00.3 计算厚度：mm 2.9511532 12002.95 Pc-2t PcDi 68.11 设计厚度： 14.68mm=3.0+11.68=C2+=d 钢板的名义厚度：n=16mm 有效厚度：12.7mm=0.3-3.0-16=C1-C2-n=e 4.1.2 锅炉壳体的压力校核 通过公式对所选择材料进行压力校验判断是否满足要求： 1.25 T t PPc MPa415318921.25 1.25PP t cT56.95. MPa1 .712 12.7)(12002 2e e)(DiP T t85.40 2 95. 强度校核得： t=140.85MPat =153MPa 燕京理工学院毕业设计（论文） 17 符合要求，故:壳体的壁厚取 16mm。 4.1.3 封头结构设计 压力容器的封头种类繁芜，有凸形封头、锥壳、变径段等，封头的选择要 根据很多条件来决定，比如，加工制造的难易，工艺要求以及制作成本等条件。 此次设计选择椭圆形封头，因其有短圆筒直边段可以防止径向曲率半径的突变， 所以焊缝条件得以改善，曲率变化连续平滑，应力分布较均匀，而且是目前中、 低压容器使用最广泛的封头之一。 封头材料选择 Q345R，这样在与筒体焊接时，会避免出现焊接问题。采用 标准尺寸的椭圆封头，让其直径与圆筒贴合。选择相关 直径 Dg 内表面积 F （m2） 曲面高度 h1 （mm） 厚度 S （mm） 容积 V （m3） 直边高 度 h2 （Mm） 质量 G （Kg） 14194 1622212001.71300 18 0.27240 250 燕京理工学院毕业设计（论文） 18 4.1.4 封头厚度计算 设计封头所承受压力为内压，可能造成的影响是薄膜应力和连接处的不连 续应力。同样使用 Q345R 冲压，假定厚度在 316mm 范围，查找材料在设计温 度下的许用应力t。 查阅过程设备设计封头的厚度计算公式得 ： 2 0.5 ci t c p D p 代入上表中数值： = 11.62 mm。 封头的设计厚度：d = 11.62 + C2 = 11.62 + 3.0 = 14.62 mm， 名义厚度：圆整 = 16mm +C1+ = 有效厚度：C2 = 160.33=12.7 mmC1n=e 4.1.5 对封头厚度的检验 封头承受的最大应力，是和半径与椭圆封头直径一样的半球封头薄膜应力 的 K 倍，因此应力的增强系数 K 取 1 。 承受内压的椭圆形封头过度转角处周向压应力较大，检验用封头的最大允许 工作压力： 2.72MPaMPa322. 12.70.512001 12.711532 0.5eKDi e2 Pw t 0 . 根据上面校验的结果，选择合适，能够达到所需要的强度要求。 设计压力 （MPa） 设计温度 （）C 许用应力 （MPa） 焊缝系数腐蚀裕量 C2（mm） 厚度负偏 差 C1（mm） 2.952601531.03.00.3 燕京理工学院毕业设计（论文） 19 4.1.6 不同直径过度段 锥壳的结构设计 锥壳大体有两种，一种是无折边，一种有折边。锥壳的结构设计时，可以 用作不同直径圆筒的中间过渡段。但是因为结构不连续，应力分布不是十分均 匀，所以对于锥壳大端，半顶角30 度的时候，使用无折边的锥壳结构， 30 度的时候，运用带有过渡段的折边结构。 锥壳部分内压引起的薄膜应力是影响锥壳强度大小的条件之一，还有锥壳 两段与筒体连接处的边缘应力也是重要因素之一。因此压力较高的情况下，锥 壳过度段尽量使用有折边结构比较好，不过由于在制造较困难，所以非特殊情 况，通常使用无折边结构，直接焊接形式，防止强度达不到要求适当增加壁厚， 对于本次设计的废热锅炉，选择合适的锥度可以避免其边缘应力过高，使得大 小圆筒能够恰当的连接在一起，因此根据工艺条件取以下数据： 选低合金钢板 Q345R 卷制，假设壳体厚度在 3-16mm，则材料在 260时的 许用应力t=153MPa，取焊缝系数 1.0，腐蚀裕量mmC3 2 . 锥壳的厚度计算： mm p Dp c t cc r 67 . 9 30cos 1 72. 011532 120095 . 2 cos 1 2 设计厚度： mmC rd 67.12367 . 9 2 0.3mm= 1 C 则名义厚度： mmC rdn 143 . 067.12 1 圆整圆整 有效厚度： mm7 .1033 . 014 21 CC rne 4.2 管箱主体设计 设计温度（ ）C 设计压力 （MPa） 许用应力 （MPa） 焊缝系数 锥壳半顶 角 1 锥壳半顶 2 2602.951531.030 0 燕京理工学院毕业设计（论文） 20 管箱作为必不可少的存在主要为了把汇集来的流体平稳均匀的分布到各个 换热管里，再将管内流体一起聚流出换热器。其结构的设计需依据是否需要经 常清洗，管束需不需要分程等条件综合考虑。由于容易结垢，所以选择便拆卸 管箱。 4.2.1 结构设计 流体在管内从一端流到管子的另一端，称为一个管程。按照设定的管程数 目在管箱内放置分层隔板。综合考虑每程管束大致相同，且温差不能太大，不 能让管板和管子间热应力过大，管箱选用 B 型封头： 箱体结构 4.2.2 箱内设计 本设计按 U 型管换热器标准选择，管程隔板所使用的材料和箱体一致，放 置单层隔板。放置位置尽量使得所分区域换热管数目大致相等，分程隔板槽是 将上下分为两层的结构。 4.2.3 箱体壁厚的计算 废热锅炉的封头所承受的内压大多与管程流体有关，而管箱与其相连，所 燕京理工学院毕业设计（论文） 21 以它们承受同样的压力与热影响，材料应用复合钢板。 许用应力t试验温度下的屈服应力 143MPa189MPa 4.2.4 管箱隔板的结构设计 根据设计管子排布的管间距，并去除单管平面直径，查换热器-秦叔经等 编 ，依照换热管的外部管间距，选择隔板: 3-4表 因为隔板需要承受压力，还要进行焊接，材料也要与筒体合适，因此选择 一下数据： 隔板厚度（mm）