（环境工程专业论文）环保型废气余热利用锅炉的开发研究.pdf

摘要 能源、环境是当今世界所面临的两大严峻的现实问题， 随着世界经济的持续发展，能源供给出现了越来越大的缺 口，特别是处于高速增长阶段的中国，供需矛盾显得更加突 出。通过对工业设备废气进行综合利用，可以减少能源使用 量，减少新的污染源，可以降低工业设备废气的危害程度， 为对各类污染物进行深度净化处理创造有利条件。 我国的工业设备余热废气气源相当充足，。但是余热废气 利用的基础比较薄弱，余热利用的起点较低，余热回收设备 的技术含量不够。 本文所研究设计的是2 * 5 t h 强制循环过热蒸汽余热锅 炉，用于回收利用两台苏尔寿1 6 z a v 4 0 s 型柴油机的废气余 热，配套1 0 0 0 千瓦机组。 本论文针对废热锅炉用户使用3 4 0 的高品质过热蒸 汽，保证汽轮机供汽，适应热负荷变化比较大的工况，并且， 要满足产品生产工艺、满足现场条件、满足环保性能、满足 业主资金、满足设计先进性以及使用该电厂原有的2 1 6 t h 锅炉的厂房和基础等等要求，设计采用了国际领先的强制循 环型式，大量使用传热强化的螺旋鳍片管、膜式水冷壁等措 施，为了节约工程投资和降低锅炉自耗电，提高效率，本炉 不另外配备引风机，沿程阻力和局部阻力均依靠柴油机的废 气自有压头予以克服，各段烟气流速控制在l o 1 4 m s 之内， 另外，在蒸发器出口布置了一级低压水受热面系统，以进一 同济大学硕士论文 【摘要j 步降低排烟温度，提高余热利用率。将排烟温度降到2 0 0 ( 2 以下，减少因排烟的再次氧化可能带来的大气污染。 开发出的锅炉具有体积小、钢耗低，传热系数高、受热 面冷却效果好、易于布置锅炉结构、占地少及水循环安全性 高等优点，投入产出比高，是工业设备余热废气热量回收利 用的理想选择，具备很大的工业利用价值，是一款既能降低 动力耗费，又能创造友好生态环境的工业设备，具有很大的 商业推广应用价值和前景。 同济大学硕七论文 【摘要】 a b s tr a c t t h e r ea r et w or e g i o u s r e a l i t yp r o b l o m ：e n e r g y e n v i r o n m e n t w i t h t h ec o n t i n o u s d e v e l o p m e n t o fw o r l d e c o n o m y ，t h e e n e r g ys h o r t a g e b e c a m em o r ea n dm o r e s e r i o u s l y e s p e c i a l l yi nc h i n a ，t h ec o n f l i c tb e t w e e ns u p p l ya n d r e q u i r e m e n tb e c a m em o r eo b v i o u s l y t h eu t i l i z a t i o no fw a s t eg a s p r o d u c e d f r o mi n d u s t r i a le q u i p m e n tt o r e d u c et h e e n e r g y c o n s u m p t i o na n dn e wp o l l u t i o nr e s o u r c e ，t od e s e a s et h eh a r mo f w a s t eg a s ，a n dt oc r e a t et h ea d v a n t a g ec o n d i t i o nf o rd i s p o s a l i n g a l lk i n do fp o l l u t a n t t h e r ea r ea b u n d a n tw a s t eh e a ts o u r c e i ni n d u s t r i a l e q u i p m e n tb u tt h eu t i l i z a t i o no ft h e ma r ep o o r t h et e c h n o l o g y o fw a s t eh e a tr e c o v e r yisn o ta d v a n c e d t h i sa r t i c l er e s e a r c h e s2 * 5t hm a n d a t o r yc i r c u l a t i n g s u p e r h e a t i n g s t e a m w a s t eh e a tb o i l e rf o rr e c o v e r i n gt h e w a s t e h e a tp r o d u c e df r o m2m o d e l1 6z a v 4 0 5d i e s e le n g i n e sf o r m a t c h i n g1 0 0 0 k w r e g a r d i n gt ot h ec u s t o m e r sr e p u i r e m e n tf o rw a s t eh e a t b o i l e ri n c l u d i n gu s i n g3 4 0 h i g hq u a l i t ys u p e r h e a t i n g s t e a m ，e n s u r i n gt h es t e a ms u p p l yo ft o r b i n ，c o n f o r m i n g t ot h ec h a n g e a b l ew o r k i n gc o n d i t i o no fh e a tl o a d ，a n d s a t i s f y i n gm a n yr e q u i r e m e a t s o ft h e p r o d u c t i o n p r o c e s s i n g ，s i t ec o r d i t i o n ，e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ， o w n e rc a p i t a la n da d v a n c e dd e s i g n a tt h es a m eti m e ，t h e f 同济大学硕士论文f 摘要】 c a s t o m e rp 1 a n st ouset h eo r i g i n a lb o i l e rr o o ma n db a s e s o f2 木1 6 t h w e s e l e c tt h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e d m a n d a t o r yc i r c u l a t i n g m o d e lw i t hl o t s o fh e a t i n g t r a n s f e rt os t r e n g t h e rs p i r a lf i n n e dt u k ea n dm e m b r a n c e w a l l i no r d e r t os a v et h ee n g i n e e r i n g i n v e s t s e l f c o m s u m p t i o np o w e ro fb o i l e ra n di m p r o v et h eb o i l e r e l f i c i e n l y ，t h e 1 df a n isn o t s u p p l i e d ， a n dt h e r e s i s t a n c eisr e d u c e db yt h es e l f i n d e n t e ro fd is e a l e n g i n e s t h e f l u e g a sf l o w r a t eo f e a c h s e e t i o ri s c o n t r o l l e d o n1 0 - 1 4 m s i na d d i t i o n t h ep r i m a r y l o w p r e s s u r ew a t e rh e a t i n gs u r f a c es y s t e mi sp r o v i d e d o nt h ee v a p o r a t o ro u t l e tt of u r t h e rr e d u c et h ef l u e g a s t e m p e r a t u r ea n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t eo fw a s t e h e a t i ft h ef l u e g a st e m p e r a t u r ei s l o w e rt h a n 2 0 0 ，t h ea t m o s p h e r i cp o l l u t i o n w i l lb ed e c r e a s e d b e c a u s eo ft h ef l u eg a sr e o x i d a t i o n t h eb o il e rw ed e v e l o p e dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s s m a l lv 0 1 u m e ，l o ws t e e lc o n e s u m p t i o n ，h i g hh e a t i n g t r a n s f e rr a t i 0 ，g o o d c o o l i n g e f f i c e n c y o n h e a t i n g s u r f a c e ，e a s y s t r u c t o fb o i l e r l a y o u t ，1 0 w area o c c u p a t i o na n dr e c o v e r yt h ew a s t eh e a t o f i n d u s t r i a l e q u i p m e n t t h e b o i l e rh a sh u g ev a l u e f o r m a r k e t i n g p r o m o t i o n ，n o to n l y t or e d u c e t h e e n e r g y c o n s u m p t i o n ，b u ta l s ot o c r e a t eg o o de n v i r o n m e n tf o r i n d u s t r i a le q u i p m e n t i i 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文= = 丕握型废氩金垫型旦堡坦丝珏筮 研究”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学雠文储虢锄砂 乒伊矿年 肜牛日 同济九学硕士论文 第一章概述 能源、环境是当今世界所面临的两大严峻的现实问题， 世界自然资源保护大纲指出：“人类寻求经济发展及享 用自然界丰富的资源，必须符合资源有限的事实及生态系统 的支持能力，还必须考虑到子孙后代的需要。”；“我们的时 代有两个显著的特点。第一个特点是：人类的几乎是无限的 建设与创造能力是相等于同样巨大的破坏与毁灭力量。第二 个特点是：所有的行动都具有全球性的相互关系，及全球为 之承担责任的结果。”生动地描述了人类在能源和环境领域 严峻的现实和未来。 。”“ 1 1畿源现状 1 。1 1 世界能源现状和展望 能源与国民经济的繁荣和人民生活水平的提高息息相 关，是现代工业社会发展的必要条件，人均能源消耗量是国 民经济水平的主要衡量标准之一。另一方面，能源的大量消 耗让人类付出了环境污染的巨大代价，同时也会出现化石能 源总量危机。世界能源大会9 5 版能源资源调查给 了 世界能源最近的统计数据，其中，不可再生的一次能源简单 资料为：( 表1 3 ) 资料为：( 表1 3 ) 同济大学硕士论文 表1 3 序名称采储量储采比 号 l煤炭1 0 3 1 6 g t2 3 0 年 2石油( 天然气液)1 4 0 7 g t4 4 年 3天然气1 4 1 t m 35 7 年 4核能3 6 7 m t 随着世界经济的持续发展，能源需求快速上升，能源供 给出现了越来越大的缺口，在经济快速发展的东亚，特别是 处于高速增长阶段的中国，供需矛盾显得更加迫切突出，必 须积极、迅速、全面、协调地解决能源与发展的关系问题。 世界能源理事会预言2 0 1 0 年将发生严重的世界能源危机。n 3 l 【4 】 1 1 2 我国的能源情况 我国能源资源并不十分丰富，供应十分紧张。在各种能 源资源中，最具有实际意义的是煤炭、石油与天然气、水能 和核能资源。由于我国人口众多，能源的人均资源占有量是 世界人均资源占有量的1 2 ，仅及美国人均资源占有量的 l 1 0 。 在我国各种能源资源中，煤炭资源最为丰富，煤炭占 我国各种化石燃料资源总储量的9 5 以上。我国是世界上煤 炭最大的生产国与消费国，从1 9 9 0 年起，我国煤炭生产及 同济大学硕士论文 消费量一直位居世界第一。就煤炭消费而言，它不仅是我国 最重要的能源，而且也是重要的化工原料。我国煤炭占能源 生产和消费总量一直稳定在7 5 左右，这一状况至少在 2 0 3 0 年内不会改变。 中国煤炭资源在储量、勘探程度、地理分布、煤种及 煤质等方面主要有以下特点： 1 、中国煤炭资源非常丰富，但总体的勘探程度比较低， 经济可采储量相对较少； 2 、中国煤炭资源的地理分布极不平滑，大部分在西北 地区： 3 、各地区煤炭品种和质量变化较大，分布也不太理想； 4 、中国适合于露天开采的煤炭资源储量较少。 我国能源消费总量和人均消费量一直持续增长，按照国 家发展计划，到本世纪中叶要达到小康水平、中等发达国家 水平，人均能源消费量将会大幅度提高。到本世纪中叶我国 人口将达到1 5 1 6 亿，人均能达到中等发达国家水平，约为 2 吨标准煤，全国将消费3 0 3 2 吨标准煤，其中煤耗在6 0 左右，耗煤量为1 8 2 0 亿吨标准煤，这必然会带来更大的环 境压力。 我国能源平均利用率只有国外的3 0 ，主要工业产品能 量单耗比国外高出4 0 左右。我国单位产值能耗是发达国家 的3 4 倍，低的热效率不仅意味着落后的生产燃烧设备和技 术，也意味着向自然界排放更多的污染物。”“ 当前人类面临着资源、环境与人口三大问题，随着工业 的发展、资源的短缺、人口的增长，这些问题在包括中国在 同济大学硕士论文 正文】 内的发展中国家尤其突出。解决这些问题的重要措施之一 是，使人们充分地认识到资源的有限性、保护环境的迫切性 和控制人口增长的必要性。合理、有效地利用有限的资源是 解决人类三大问题的中心环节，其中化石燃料资源对国民经 济的发展起着极其重要的作用。 1 2大气污染和环保压力 1 2 1 大气污染概况 大气污染系指人类活动或自然过程引起某些物质介入 大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而 危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。大气污染主 要是人类活动造成的。大气污染物按其存在状态可概括为两 大类：气溶胶状态污染物、气体状态污染物。 l 、国外大气污染概况 发达国家的漂尘、s o 。c o 等大气污染物，花费 了大量的人力、物力和财力后，经过严格控制，综合 治理，取得了显著成效，防治设备达到了商业应用水 平。现阶段各发达国家主要的大气污染是n o x 、h c 和 光化学烟雾等。但近年来，随着煤炭在一次能源中所 占比重的不断上升，漂尘、s o 。的控制又重新引起了各 国的注意。酸雨污染成为了一个重大的国际社会严重 关注的污染问题。 2 、我国大气污染概况 同济大学硕士论文 我国的大气污染状况是世界上比较严重的。主要 的大气污染物是漂尘和s o ：，是所谓的煤烟型污染。 北方城市大气污染程度比南方城市严重，冬季比夏季 严重。随着国民经济的发展，国家财政状况的改善， 环保意识飞速提高，国家出台了一系列严格的环保法 律法规，保护环境是我国两大基本国策之一，宪法第 十一条规定“国家保护环境和自然资源、防治污染和 其它公害”，依照宪法又制定了中华人民共和国环 境保护法、中华人民共和国大气污染防治法。与 此同时，从中央到地方以至各工业企业，也逐步建立 了相应的环境保护机构及环境监测中心、站、点。“3 fj l 1 2 2 经济发展与环境保护 世界经济的发展和人类赖以生存的环境是很不协调的， 经济发展和人口增长给环境带来的压力愈来愈大，而发展中 国家的情况更为突出。各种环境问题层出不穷，直接或间接 地影响生态平衡、影响人类的健康和生存。 人类社会要持续发展就必须保护赖以生存的环境，这已 成为国际社会的共识。人们的环保意识日益增强，保护环境、 保护地球的呼声日益高涨，人类从来没有像今天这样意识和 感受到生存环境的威胁，从来没有像现在这样期盼环境质量 的改善。 解决发展与环境的矛盾，应该从节约能源、减少污染源 同济大学硕士论文【正文】 和污染防治三大方面着手。具体的方式方法必须根据各个国 家不同的经济发展阶段、经济储备总量、商业技术能力和环 境现状而定，合理地协调与平衡，进行损益分析，走可持续 发展之路。 1 3本章小结 1 、全世界的能源需求缺口都很大，而我国的供需矛盾尤 其突出； 2 、经济发展和人口增长给环境带来的压力愈来愈大，大 气污染极其严重； 3 、加强综合治理，走可持续发展之路。 同济大学硕士论文旺文】 第二章工业设备废气综合利用概述 2 1工业设备废气的危害和利用意义 2 1 1 工业设备废气的危害 工业设备废气会严重破坏环境大气质量，使卫生条件变 坏。具有低浓度、长期性的特点，对生态环境是一种慢性、 叠加性的长期危害。主要的危害有： 酸雨( s o 。、酶等) ：可引起水体酸化、土壤变质、森 林枯萎、农作物减产、农产品品质变坏，腐蚀名胜古迹和建 筑物，并且，s 0 。与飘尘结合在一起，进入人体肺部，危害 人类健康。 温室效应( c 0 。、c h 。等) ：使全球变暖，可能导致一系列 灾难性后果海平面上升，使沿海地区、低海拔地区的居 民及生态系统受到威胁：发生洪灾和旱灾的可能性大幅增 加；热带传染病发病率和发病区将扩大；影响水土分布、土 壤状况和季节变化，加剧粮食短缺、植物生长缓慢；加速物 种灭绝速度，地球上三分只一的物种到下个世纪末将不复存 在。 粉尘：粉尘污染是视觉可见的，最易引起人们反感。粉 尘扩散到大气中，破坏了室内外环境，损害生产设备。微粒 能较长期地悬浮于大气中，通过呼吸系统深入人体，危害人 类健康。 氮氧化物( n o x ) ：是造成大气光化学烟雾的原凶，光化 学烟雾的刺激性和危害要比一次污染物强烈得多，对人类健 同济大学硕士论文 【正文j 康和大气环境都会产生非常严重的危害。 碳氢化物( h c ) ：碳氢化物中的多环苯烃类物质具有很强 的致癌能力，碳氢化物还参与大气中的光化学反应，产生危 害性更加强烈的光化学烟雾污染。w 2 1 2 工业设备废气利用的意义 随着人们对污染气体危害认识的逐步加深，全球气候变 化及臭氧层破坏问题日益各国政府的高度关注，控制污染气 体排放的各种技术逐渐推出。各国正在分阶段地制定越来越 严格的污染气体排放标准，促使工业豁n 不断去开发、寻找 并采用新技术，以适应新的更为严格的污染物排放标准。 通过对工业设备废气进行综合利用，可以减少能源使用 量，减少新的污染源，可以降低工业设备废气的危害程度， 为对各类污染物进行深度净化处理创造有利条件。 具体地说，可以回收粉尘，用于生产优质水泥、建筑材 料等：可以回收氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物、碳氢化物 和重金属，用于生产化工原料及制品：可以回收废气余热， 用于供热、发电；可以节约资源，达到污染物减量化的目的。 【3 】【】 综上所述，通过工业设备废气利用，可以节约资源，减 少污染源，改善环境污染状况，提高经济竞争力，是大有可 为的，具有极大的经济效益和社会效益。 2 2工业设备废气利用的可能性 2 2 1 废气余热利用的可能性 同济大学硕士论文 【正文l 工业设备废气蕴藏大量能量。 第一：部分工业设备废气富含大量的可燃成分，比如高 炉煤气、炭黑尾气、贫煤气和低热值沼气等，可以合理地组 织燃烧，建设燃烧炉，进行热量回收； 第二：部分工业设备排放出高温废气，比如燃气轮机、 柴油机、炭黑炉和其它工业窑炉的排气等，可以配备余热锅 炉，进行热量回收，这也是本课题要重点研究的内容。“9 2 2 2 废气其它利用的可能性 另外，部分工业设备废气含有许多可以进行工业利用的 成分。 第一：部分废气含有大量粉尘，比如燃煤锅炉、炭黑炉、 陶瓷砖瓦窑炉等，可以通过粉尘处理设备予以收集，生产高 标号水泥、高密度砖瓦及预制建材等； 第二：部分废气含有丰富的氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物、 碳氢化物和重金属等化学成分，经分离处理后，可作为化工原料及 生产化工制品。刚1 2 3废气余热利用的方式 工业设备废气余热按照废气的不同特性，可以采用建设 燃烧炉或余热炉两种基本方式进行热量回收利用。其一，对 可燃成分含量较高的废气，主要以燃烧炉的方式回收废气热 量，锅炉的热效率较高，并且能够有效地减少废气的大气污 染物成分；其二，对可燃成分含量较低、且工业设备出口烟 温较高的废气，则应该以余热炉的方式进行废气热量回收+ ， 同济大学硕士论文 征文】 吸收高温废气的热焓供热或发电，余热炉有自然循环和强制 循环两种型式。“1 出国考察的科研人员最新反馈，在发达国家已有将高温废气作 为热风参与锅炉燃烧的试验研究，但未见诸正式文献资料或报道。 鉴于我公司在废气综合利用方面的优势及上段所述系统的优越 性，中航世新( 原航天部发动机研发机构) 正与我公司接洽进行该课 题的合作研究工作，目前已完成计算及初步方案。 + 2 4废气余热利用的历史与现状 2 4 1 工业设备废气排放状况 我国的工业设备废气余热利用率极为底下，除了对少量 大型工业设各余热废气采取了一定的回收利用措施外，数量 更多、分布更为广泛的中小型工业设备余热废气基本上没有 得到重视，没有得到应有的回收利用，大量的废气余热被直 接排放，不仅导致巨大的能源浪费，而且，更为严重的是带 来了影响地域广阔的、叠加性的长期环境污染。大气污染物 的主要来源是化石燃料的燃烧过程。各种工业生产过程产生 的大气污染物，因工艺、流程、原材料、燃料、运行、操作 管理条件和水平等的不同，导致其种类、数量、组成成分、 特性等差别很大。排放量虽然仅占大气污染物总排放量的 l 5 左右，但由于排放点较集中，浓度较高，所以对工矿区 或局部地区的大气污染更为严重。”“ 2 4 2 工业设备废气余热利用状况 同济大学硕士论文 我国的工业设备余热废气气源相当充足，但是余热废气 利用的基础比较薄弱，余热利用的起点较低，余热回收设备 的技术含量不够，能够有效利用设备余热废气的厂家寥寥无 几，大量的工业设备废气余热被白自的浪费，十分可惜。 并且，除了少量大型工业设备的余热废气回收利用效率 较高外，占总量比例更大的回收利用效率普遍都很低，一般 均采用锅壳式余热锅炉，产生饱和蒸汽，即使产生过热蒸汽， 也基本上是设计为自然循环型式。而发达国家则大量地选择 强制循环型式的余热锅炉，高效、经济地发生高品质的过热 蒸汽，既能够节约资源，又能够节约投资。 提高能源利用效率，促进节能技术的发展；加强少污染 的煤炭开发技术与清洁煤技术的开发、应用、推广，促进传 统的煤炭开采和加工利用方式向环境无害化方向转变；提高 煤炭利用效率；追踪国际先进水平，加强各种新能源和可再 生能源利用技术的研究。这一切都必须大力推进和依靠科技 进步。首先是要推进整个经济领域的技术进步，减少能耗、 物耗、和污染物排放量，从而用较少的投入获得更多的物质 效益。 因此，我们有必要迅速行动起来，去开发、寻找并采用 新技术，以节约宝贵的资源，维护和净化人类的生存空间。 空气是地球表面一切生命物质赖以生存的基本条件。如果没 有了空气，人类就无法生存下去，植物离开了空气就无法进 行光合作用。清洁的空气被污染后，其性质就会改变，进而 危害人体健康，影响动植物生长，损坏各种物品器具以至影 响全球气候变化，威胁人类及动植物的生存。所以说，对工 业设备废气进行综合利用意义重大而又任重道远。” 同济大学硕士论文 【正文】 2 5本章小结 1 、我国的工业设备废气基本处于无序的自由排放状况； 2 、工业设备废气可以综合利用，提高效益； 3 、工业设备废气可以热量回收，供热发电； 4 、工业设备废气热量回收可以减少污染源； 5 、工业设备废气余热锅炉是废气深度处理的予处理。 同济大学硕士论文 i e 文l 第三章课题的来源、开发任务和市场资源分析 3 1课题的来源、意义和内容 3 1 1 课题的来源、意义 广东横沥电厂为了满足扩大再生产的要求，并追求效益 最大化的目的，欲投资建设二台2 * 5 t h 余热锅炉，用于回 收利用两台苏尔寿1 6 z a v 4 0 s 型柴油机的废气余热，配套 1 0 0 0 千瓦机组。既要达到获得一定电力的目的，又要求节 约能源。同时，通过降低尾气温度，为尾气的深度净化处理 创造优越的条件。通过严密的技术论证，决定由我公司承担 该项目余热锅炉的设计制造工作。 能源是历史发展和社会进步的物质基础，根据能源消费 后是否造成环境污染，可分为污染型能源和清洁型能源。针 对污染型能源从燃烧前、中、后三阶段净化技术看，越往后 难度越大，投资及成本越高。在市场经济体系下，业主对项 目的投资额非常敏感，资金控制极为严格，工程不但要满足 各类技术参数要求，还必须满足严格的资金供给限制。 苏尔寿柴油机废气的技术数据为：废气温度3 8 0 ，废 气量8 0 6 4 0 k g h ，废气压头2 8 0 m m h 。0 。该废气的温度低，用 户又要求使用3 4 0 的过热蒸汽，设计难度极高。故此，在 该项目设计中，采用了国际领先的强制循环型式，设备占地 少、投资小，并能够提供国内通常使用的自然循环型式锅炉 同济大学硕士论文 征文】 难以达到的高品质过热蒸汽，保证汽轮机供汽要求，使系统 能够高效、安全地运转。 3 1 2 课题的主要研究内容 1 、原始条件 柴油机废气的技术数据( 表1 1 ) 表1 1 序号 - ：名称单位数值 1 废气量k g h8 0 6 4 0 2废气温度3 8 0 3废气压头 m m h 2 0 2 8 0 2 、参数要求( 表1 2 ) 表1 2 序号名称符号单位数值 1额定出力dt h2 * 5 2额定压力pm p a1 2 5 3蒸汽温度 t g r 3 4 0 4给水温度 t g s 1 0 5 5排烟温度 0 1 9 8 6 沿程阻力 h m m h 2 0 1 4 0 同济大学硕士论文 按照用户提供的原始条件和参数要求，在锅炉领域，苏 尔寿柴油机废气属于不可二次燃烧的中低温烟气，并且，用 户要求发生3 4 0 的过热蒸汽，要求苛刻，设计难度很大。 课题的主要研究内容暨技术难点： 1 、对不同的炉型进行比较，选择安全的炉型； 2 、进行合理的工艺流程布置，解决苛刻的技术要求； 3 、进行优化设计，提高技术含量，提高经济性； 4 、高效的蒸发器、过热器结构设计。 ： 3 2工业设备余热废气的气源和用户分析 我国的工业设备余热废气气源非常充足，一个因素是人 口众多、地域宽广，企事业单位很多；一个因素是企事业单 位的规模相对较小、中小型工业设备的数量极为庞大。 从另外一个方面来看，我国工业设备余热废气利用的基 础比较薄弱，余热利用的起点低，能够有效利用设备余热废 气的厂家寥寥无几，大量的废气余热被白白的排放，这类浪 费十分可惜。比如柴油机、燃气轮机、高炉、转炉、电炉、 炭黑炉以及陶瓷、砖瓦建材窑炉等等，涉及到电力、电子、 石化、化工、医药、机械、轻工、船运等许许多多的行业， 废气余热利用的潜力很大。 我国的工业设备废气余热利用用户是数额巨大的，潜在 的市场资源极其丰富，比如发电厂、炼钢厂、炼油厂、焦化 厂、煤气厂、造纸厂、纺织厂、卷烟厂、化工厂、化肥厂、 农药厂、制药厂、制糖厂、水泥厂、粮油食品厂、机械设备 厂、电子设备厂以及其它配备了柴油机等自备电力装置的企 同济大学硕士论文 事业单位。工业设备废气余热利用仍属于一块未经合理开 发、利润丰厚的，并且有益于环境保护的大蛋糕，是新兴的 朝阳产业，符合国家产业结构调整指导方向，能够得到国家 的大力扶持和财政补贴。 3 3本章小结 i 、阐述课题的来源和主要研究内容； 2 、我国的工业设备余热废气气源非常充足； 3 、我国的工业设备废气余热利用用户是数额巨大的。 垦煎奎堂堡主堡苎 l 垩兰! 第四章环保型废气余热利用锅炉的设计分析 4 1工业设备废气利用余热锅炉炉型分析 按照产出的蒸汽品质，余热锅炉可以分为饱和蒸汽余热 锅炉和过热蒸汽余热锅炉两大类型。下面，以相同的原始条 件、相同的蒸发量、同等的钢耗要求对两种炉型作简单的分 析比较。 41 1 饱和燕汽余热锅炉 饱和蒸汽余热锅炉不需要布置过热器，对蒸汽湿度的 要求相对而言也不会太高，大部分是供热及工业用汽。因此， 其结构比较简单，设计难度较小。但是，整个系统的效率方 面明显会偏低，一般来说，其中一个原因是蒸汽品质低，另 一个原因是排烟温度可能比较高。针对中小型工业设备余热 废气大量采用锅壳式快装或组装锅炉型式( 附图一) 。 旦童查堂塑主堡苎 匡垫 而对大型工业设备余热废气一般采用组装或散装水管 锅炉型式( 附图二) 。 4 1 。2 过热蒸汽余热锅炉 过热蒸汽余热锅炉需要布置过热器，对蒸汽湿度的要求 相对比较高，因此，其结构较为复杂，设计难度较大。但是， 效率方面会高出很多，一个方面是蒸汽品质比较高，另一个 方面是排烟温度相对较低。一般采用组装或散装水管锅炉型 式( 附图三) 。 同济大学碰士论文 【正文】 41 3 强制循环余热锅炉 从另一个角度来说，余热锅炉又可以分为自然循环余热 锅炉和强制循环余热锅炉两大类。自然循环锅炉因为循环阻 力的限制，不可能选取太高的工质流速，因此，不可避免地 存在着锅炉体积大、钢耗高，传热系数小、受热面冷却效果 差、需要设计大量受热面，锅炉结构不好布置、占地多及水 循环安全性等等不够理想的地方，导致投入产出比偏低。而 强制循环锅炉却能够很好地克服自然循环锅炉的上述问题， 是更加经济合理的炉型，较诸自然循环锅炉优越性非常显 著。对于温度低于5 0 0 的工业设备不可燃余热废气应该优 先选择强制循环余热锅炉( 附图四) 。 综上所述，强制循环过热蒸汽余热锅炉是工业设备余热 废气热量回收利用的理想选择。本文所着重研究设计的也就 是该类型的余热锅炉工程项目。n “”1 同济大学硕士论文 f 正文】 4 2 余热锅炉设计的注意事项 1 、热膨胀问题： 余热锅炉的热膨胀系统设计对设备运行的安全性 具有重要意义。值得注意的是，它不仅存在轴向热膨 胀，而且存在径向热膨胀。在以期的设计中，对轴向 热膨胀有比较成熟的考虑，主要是在烟道连接处采用 不锈钢膨胀，或用耐高温的非金属塑性材料来吸收膨 胀量，以及在锅炉的支点铰支、悬吊点用衡力弹簧调 整锅炉的膨胀位移等等。但是，以前对径向热膨胀造 成的破坏没有足够的认识，锅炉的刚性梁在设计中没 有予留膨胀间隙，锅炉在高温运行的情况下，四周的 水冷壁管沿径向向外膨胀，但因为刚性梁设计没有膨 胀间隙，与刚性梁连接处的管子局部应力过大，导致 水管破坏。 2 、低周疲劳问题： 低周疲劳是余热锅炉运行工况的周期性变化引起 的，最容易发生低周疲劳的部位是筒体、集箱与管接 头的连接处。国内余热锅炉的蒸汽珏力较低，一般均 为中低压锅炉，管接头与筒体、集箱的连接型式采用 插入式或沉孔式，这种设计方式没有考虑低周疲劳的 影响。为了增加管接头连接处抵御低周疲劳的能力， 连接型式应该按照高压锅炉的盆座式或骑座式进行设 计。另外，对水冷壁管的低周疲劳破坏也需予以重视， 这方面的研究工作目前做得还很不够。 同济大学硕士论文 【正文1 3 、水循环问题： 余热锅炉的受热面管子有大量是倾斜或水平布置 的，受热面管子在受热条件下管内的汽水混合物容易 发生汽水分层。汽水分层后，水侧在向火面的管子一 般是安全的，但汽侧在向火面的管子非常危险，极易 发生传热恶化，导致管子过烧、爆管。所以，应该设 计一些特殊的结构来改善汽侧在向火面的管子的传热 状况和管内汽水两相流动状况。锅筒压力波动也是造 成水循环不安全的重要因素，锅筒压力下降幅度较大 时，锅筒丙的饱和水会汽化，造成下降管带汽，使循 环压头减小，影响正常的水循环工况。引起传热恶化， 甚至可能造成水冷壁管的大面积爆管。所以，在热工 控制上采取适当措施，保持锅筒内压力相对稳定是必 需的。 由于余热锅炉的热负荷大部分均呈周期性变化， 在热负荷下降时，水冷壁管内的产汽量减少，使循环 压力减小，可能造成循环压头不足以维持正常的自然 循环工况，所以，有必要在下降管加装炉水循环泵( 即 采用强制循环) 来维持循环压差。需要注意的是，在 系统中必须布置备用循环泵( 采用并联循环泵系统) ， 以防止因循环泵故障造成余热锅炉不能正常运行。从 降低能耗考虑，可采用自然循环与强制循环相结合的 复合循环系统，即在余热锅炉的热负荷较高时，利用 自然循环系统，在余热锅炉的热负荷较低时，利用强 制循环系统。但是，复合循环系统对系统阀门和控制 系统的要求很高，设备投资及管理费用均比较大。 同济大学硕士论文 征文】 4 、密封问题： 余热锅炉的密封问题问题也是非常重要的。特别 当余热废气有毒或易燃易爆时，就更加重要。一方面， 当锅炉为正压运行时，如果密封不好会引起余热废气 泄漏，发生安全事故；另一方面，当锅炉为负压运行 时，如果密封不好会使空气漏进炉膛，不仅导致锅炉 效率下降，而且严重时可能发生爆炸。为保证密封的 安全可靠，在水冷壁设计时应少采用密排管结构，而 应尽量多采用膜式壁结构。另外，锅炉的各种开孔都 必须有可靠的密封措旖。n ”n “”“”， 4 ，3产品设计的基本思路 1 、余热锅炉产品设计必须同时满足产品性能要求、满足 产品生产工艺要求、满足现场条件要求、满足环保性能要求、 满足业主资金要求、满足设计先进性要求； 2 、因为新锅炉必须使用该电厂原有的2 术1 6 t i t 锅炉的厂 房和基础，并且，应该尽可能地考虑利用原有的一部分机器 设备仪表，所以，新的2 * 5 t h 锅炉必须采用竖立式结构； 3 、因为锅炉布置现场在高度方向及场地面积上的限制， 锅炉锅筒需要布置在锅炉零米运转平台上，更为主要的是， 为了达到较高的传热效果，工质侧要选取较高的工质流速， 并且要适应热负荷变化比较大的工况，锅炉必须采用强制循 环型式； 4 、因为余热锅炉的入口烟温偏低( 3 8 0 ) ，为了发生高 同济大学硕士论文旺文】 品质的过热蒸汽( 3 4 0 ) ，则必须在锅炉入口段区域就布置 过热器，以保证一定的温压，确保过热蒸汽温度； 5 、根据锅炉受热面布置和水汽循环要求，过热器采取顺 流顺列布置形式，蒸发器采取逆流顺列布置形式； 6 、根据锅炉受热面、体积、工质侧和烟气侧速度的要求， 过热器、蒸发器均使用先进的、传热强化的螺旋鳍片管，既 保证锅炉性能，又最大限度地节约了投资成本； 7 、为了节约工程投资和降低锅炉自耗电，提高效率，本 熄不另外配备引风机，沿程阻力和局部阻力均依靠柴油机的 废气自有压头予以克服，各段烟气流速宜控制在i 0 1 4 m s 之内。 8 、在蒸发器出口布置了一级低压水受热面系统，以迸 步降低排烟温度，提高余热利用率。将排烟温度降到2 0 0 。c 以下，减少因排烟的再次氧化可能带来的大气污染。低压水 受热面系统与余热锅炉本身的汽水系统不发生联系，其给水 水泵及热利用用户管路均自成体系，工作压力和热载体可以 有较大的变化幅度。 9 、新锅炉是用于回收两台苏尔寿1 6 z a v 4 0 s 型柴油机废气 余热的，考虑到停用一台柴油机时的效率、成本和锅炉运行 稳定性，本炉特意设计为2 * 5 t h 型式，两套受熟面共用一 个锅筒，每套受热面均可发生5 t h 的过热蒸汽，而锅筒内装 则满足l o t h 蒸发量满负荷的汽水分离设计导则要求。 1 0 、当温度在4 0 0 以下时，烟气就开始结露，而柴油机 废气本身的粘结性又比较大，烟气结露后，烟尘、油气与酸 同济大学硕士论文 性液体粘结混合，附着在受热面管子上，不但降低受热面的 导热性能，降低锅炉出力和效率，还会腐蚀受热面，降低锅 炉的使用寿命。因此，本锅炉必须布置吹灰器进行吹灰工作， 考虑到多方面的因素，选配蒸汽吹灰器是最经济、高效、合 理的。从锅筒弓l 出饱和蒸汽送入吹灰器，整个吹灰系统的层 数与锅炉受热面相配合，每层均可单独控制，在每层总管上 设置一只电动阀。”“”“”“1 ” 4 4本章小结 1 、我国工业设备废气余热锅炉基本采用自然循环型式； 2 、发达国家废气余热锅炉大量采用强制循环型式； 3 、采用过热蒸汽余热锅炉进行余热利用更为高效； 4 、强制循环余热锅炉可以更加经济地产生过热蒸汽。 5 、阐述本课题研究的强制循环余热锅炉的设计注意事项 及设计思路。 同济大学硕士论文 第五章环保型废气余热利用锅炉的设计、 性能和运行管理 5 1锅炉的设计 5 1 1 主要的设计技术参数和方案 1 、前言 广东横沥电厂为了满足扩大再生产的要求，并达到 效益最大化的目的，决定投资建设二台2 * 5 t h 余热锅炉， 用于回收利用两台苏尔寿1 6 z a v 4 0 s 型柴油机的废气余 热，配套1 0 0 0 千瓦机组。为了缩短锅炉建设周期，节约 投资，要求锅炉设计符合原厂房和基础，并尽可能利用 其原有锅炉的支架、结构件和控制系统。苏尔寿柴油机 废气的技术数据为：废气温度3 8 0 ，废气量8 0 6 4 0 k g h ， 废气压头2 8 0 m m h 2 0 。 2 、厂区自然条件： 温度：( 表4 3 ) 表4 3 序号名称单位数值 1 最冷月平均温度 1 0 7 ( 2 月) 2最热月平均温度3 8 6 ( 8 月) 3极端最高温度 4 5 o 4极端最低温度- 2 0 5年平均温度 2 0 o 同济大学硕士论文 湿度： 夏季最热月平均相对湿度： 冬季最冷月平均相对湿度： 年平均相对湿度： 降水量：( 表4 4 ) 8 8 7 l 8 1 表4 4 序号名称单位数值 1月均最大降雨量m m9 0 0 ( 7 月) 2小时最大降雨量m m3 0 ( 7 月) 3年平均降雨量m m2 3 0 0 4 年均降雨天数天 1 1 0 5最大积雪深度m m1 0 6 最大日雪量 m m 1 2 7多年平均降雪天数天1 风向、风速及频率 年主导风向及频率 年平均风速： 其它： 曰平均温度小于5 天数： 地震设防烈度 2 、厂区外部条件： 冷却水：工业净环水 进口压力 进口温度 夏季s s e ，1 3 ： 冬季w n ，1 2 9 7 2m s 5 天 7 度 0 。3 d p a ( g ) 4 0 同济大学硕士论文 旺文】 锅炉给水：除盐水( 水质标准，表4 5 ) 表4 5 项目控制值项目控制值 全固形物 o n 2 h 4 o p h 值( 2 5 8 5 9 5耗氧量 0 0 0 7 p p m ) f e 3 +0 s 0 4 2 0 全f e0s i o 。 1 0 0 pg l 总硬度 o 碱度 o 导电率( 2 5 5 | is c m c u 2 +o ) c 1 一0油脂 o 温度( 给水泵入口) 低压蒸汽： 压力 温度 电源 高压电源 低压电源 4 、锅炉参数( 表4 6 ) 1 0 5 0 9 8 m p a 2 5 0 1 0 5 k v 5 0 l _ i z 8 0 v2 2 0 v5 0 h z 表4 6 i 序号名称单位数值 l 额定出力t u 2 木5 同济大学硕士论文 【正文】 2额定压力 m p a 1 2 5 3蒸汽温度3 4 0 4 给水温度 1 0 5 5排烟温度1 9 8 5 、设计方案 余热锅炉型号为f 8 0 3 8 0 5 1 2 5 - 3 4 0 。 本设计采用国际领先的强制循环型式，按部件分为锅 筒、内装、过热器、蒸发器、汽水管路、钢架平台、护 板砌砖、门类杂件、吹灰系统、循环泵等。汽水流程为： 给水进入锅筒，经循环泵通过蒸发受热面后，再回到锅 筒，经汽水分离后，进入过热器过热。下面就主要部件 分项简述如下： 锅筒：材料采用2 0 9 锅炉钢板，锅简内径1 2 0 0 m m 。壁 厚为1 4 m m ，直段部分长为4 5 0 0 m m ，设置有排污 管座、加药管座、安全阀座、导汽管座、付汽 阀座、排气阀座、给水管座、压力表管座、水 位表管座等，锅筒内部装有波形板汽水分离器、 给水分配管、加药管、连续排污管等内装辅件。 过热器：材料采用2 0 - g b 3 0 8 7 锅炉钢管，炉管规格为 由3 2 术4 ，共2 5 排，逆流顺列布置，受热面积5 3 m 2 ， 横向节距8 7 5 m m ，纵向节距8 0 m m ，工质流通面 积0 0 1 1 3 m 2 ，工质流速2 0 m s ，烟气流通面积 2 9 6 6 m 2 ，烟气流速1 4 m s ，过热器蛇形管采用 同济大学硕士论文征文j 螺旋鳍片管形式，用以强化传热，并具有一定 的自吹灰能力。过热器集箱上设置有主汽阀管 座、安