新型废热锅炉的设计

新型废热锅炉的设计 李云福 陶昌勤 陈合亮 张中清 1 合肥通用机械研究院 安徽 合肥2 3 0 0 3 1 2 合肥通用特种材料设备有限公 司 安徽 合肥 2 3 0 0 1 1 摘要 主要介绍 了硫回收单元系统工艺参数 新型废热锅炉的设计及关键部件的结构特 点 设备和 系统的工艺计算结果 换热管及过程气直接接触 的零部件的防腐处理及其技术要求等 关键词 硫回收 废热锅炉 工艺参数 结构设计 防腐要求 中图分类号 T Q 0 5 4 T Q 0 5 0 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 0 5 0 0 1 8 0 4 d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 0 5 0 0 3 De s i g n o f Ne w W a s t e He a t Bo i l e r LI Yu n f u TAO Cha n g qi n CHEN He l i a ng ZHANG Zh o ng q i ng 1 H e f e i G e n e r a l Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e H e f e i 2 3 0 0 3 1 C h i n a 2 H e f e i T o n g y o n g S p e c i a l M a t e r i a l E q u i p me n t C o L t d He f e i 2 3 0 0 1 1 C h i n a Abs t r a c t I n t h i s p a p e r t h e t e c h n o l o g i c a l pa r a me t e r o f s u l f u r r e c y c l i n g u n i t s y s t e m t h e s t r u c t ur e c h a r a c t e r i s t i c s o f k e y c o mpo n e n t s o f wa s t e h e a t b o i l e r t h e c a l c u l a t i o ns o f t h e e q u i p me n t g p r o c e s s a n d t h e a n t i c o r r o s i o n a n d i t s t e c hn i c a l r e q u i r e me n t o f h e a t e x c h a n g e t u b e a n d c o mpo n e n t s t h a t c o n t a c t e d wi t h t h e p r o c e s s i n g g a s d i r e c t l y we r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l Ke y wo r ds s u l f u r r e c y c l i n g wa s t e h e a t b o i l e r t e c h n o l o g i c a l p a r a me t e r s t r u c t u r a l d e s i g n a n t i c o rro s i o n r e q u i r e me n t 1 引言 废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 传统废热锅炉 的结构设计均采用前后两套废热锅炉才能实现硫磺 的充分 回收 合肥通用机械研究院对其系统工艺特 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 实现了硫 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 硫磺 资源充分回收 同时又降低了设备一次性投资和减 1 8 少设备占地等 2 硫 回收单元的系统工艺条件 2 1 工 艺 系统 的主要 目的 该工艺可有效脱去焦化厂煤气净化生产中克劳 斯炉产生的高温过程气中含有的高浓度 S S O H S 等有毒有害气体 使过程气达到排放标准 并回收硫 磺资源和获取有用的蒸汽资源 获得显著的社会效 益和经济效益 2 2 硫回收单元的系统工艺流程 克劳斯炉产生 的含硫及硫化物的高温过程气 第 2 6卷第 5期 压 力 容 器 总第 1 9 8期 一经过废热锅炉 冷却器 I 降温 一降温的过程气 流经硫磺捕集器 I 实现硫磺收集 一 过程气 进入硫 反应器反应 一 经硫反应器反应升温的过程气再 次 进入废热锅炉 冷却器 降温 一降温的过程气流 经硫磺捕集器 再次实现硫磺收集 一 达到排放标 表 1 准的过程气直接排放 2 3 废热锅炉 冷却器 设计工艺参数 1 冷却器 I 高温废热锅炉 主要技术参数如 表 1所示 流量 密度 粘度 温度 比热 压力 导热系数 液态硫产量 蒸汽产量 疏冷凝潜热 蒸汽压力 项目 k g h k g I 1 m P a s k J k g M P a g m k g h k g h k J k g MP a g 入口 3 9 3 2 0 2 7 0 0 5 2 5 4 1 2 8 5 1 4 3 l 0 0 2 1 0 1 l 3 2 参数 5 6 0 2 9 8 5 3 0 0 6 2 1 3 出口 3 3 7 2 0 9 3 1 0 0 1 9 5 0 1 5 8 1 2 2 0 O 0l 9 0 0 3 4 2 2 冷却器 低温废热锅炉 主要技术参数如 表 2所示 流量 密度 粘度 温度 比热 压力 导热系数 液态硫产量 蒸汽产量 硫冷凝潜热 蒸 汽压力 项 目 k g h k g IT I m P a s k J k g C M P a g W m C k g h k g h k J k g M P a g 门 入V I 3 6 2 7 0 7 3 5 9 0 0 2 3 9 8 2 4 4 1 2 4 9 0 0 l 7 0 0 4 3 4 参数 2 6 2 2 5 8 3 0 0 6 2 1 3 出口I 3 3 6 5 0 85 5 6 D 01 9 4 7 1 3 5 1 2 68 0 01 5 0 03 5l 3 硫回收单元废热锅炉总体结构 3 1 硫 回收单元传统废 热锅炉结构 硫 回收单元传统废热锅炉总体结构 见图 1 汽 包与废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 中硫磺捕集器设置在废 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 于传统废热锅炉结构原 因 必须在硫反应器前后布 置两套废热锅炉才能实现硫磺 的充分 回收 图 1 传统废热锅 炉总体结构 3 2 硫回收单元新型废热锅炉结构 新型废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 1 I 低 温废热锅 炉 根据废热 锅炉设计工艺参数 取消了低温废热锅炉后 必须在 高温废热锅炉本体或汽包 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 通常废热锅炉主要 由废热锅炉本体 汽包及上 升管和下降管组成 废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 锅炉给水在进入废热锅炉本体前在汽包内加热到饱 和 提高了循环动力 饱和的锅炉水经下降管流人废 热锅炉本体进行加热蒸发 本体中的汽水混合物经 上升管流人汽包 如此循环达到废热锅炉系统的安 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 和废热锅炉本体的安 全可靠性 对废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 即在汽包简体下半部储水部分 直接增设一组蒸发器的方案以及在废热锅炉本体中 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 在废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 另一方面废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温差应力较 新型废热锅炉的设计 V 0 1 2 6 N 0 5 2 o o 9 大 管板的设计困难 甚至很难确保废锅运行过程中 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 最终设计的新型废热锅炉系统 总体结构见图 2 图 2 新型废热锅 炉总体结构 3 3 硫回收单元传统废热锅 炉与新型废热锅炉的 比 较 新型废热锅炉 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 废热锅炉系统 可减少设备 占地约 8 0 节约设备 一 次性投资 6 0 一 7 0 同时减少 了生产过程 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 4 新型废热锅炉 系统工艺计算结果 根据表 1和表 2的设计工艺参数 新型废热锅 炉本体 冷却器 I 选用 G B 3 0 8 7 1 9 9 9中材质为 2 O的换热管 换热管尺寸 3 2 mm 3 m m 正三角形 布管 管间距 6 4 mm 布管数量 2 4 0根 传热计算结 果为 计算传热面积 1 7 2 3 m 施工图设计面积 1 7 9 7 m 汽包蒸发器 冷却器 选用 G B 3 0 8 7 1 9 9 9中材质为 2 0的换热管 换热管尺寸 3 2 m m 3 m m正三角形 布管 管间距 4 0 m m 布管数量 1 1 8 根 传热计算结果为 计算传热面积8 2 1 m 施工 图设计面积8 8 6 m 新 型废热锅炉本体 冷却器 I 进出 口之间过程气流动阻力计算值 1 0 1 5 P a 小于允许流动阻力 2 0 0 0 P a 汽包蒸发器 冷却器 I 1 进 出口之间过程气流动阻力计算值 1 5 7 5 P a 小于允许流动阻力 2 0 0 0 P a 利用三点法 假设 三个循环水量 进行 自然水循环 回路试算H j 从试 算结果 自然循环工作特性曲线可得到真实循环水量 约为 1 4 2 0 0 0 k g h 下降管人口处水流速约为 1 1 7 m s 循环倍率 K 循环水量与本体产生蒸汽量之 比 为 4 7 5 满足 自然循环安全要求 5 新型废热锅炉结构设计 5 1 废热锅 炉本 体 结构设计 按工艺参数要求 过程气 出E l 温度为 1 5 8 仍 含有较高的硫化物未能达到排放要求 必须再次进 入硫反应器进行反应 而硫磺沸点约为 4 4 4 6 熔 点约为 1 1 9 因此为了控制废热锅炉本体 出 口温 度在一定范围内 本体设计 中设 置了用于过程气 出 E l 温度调节用的 1 9 m m 8 m m中心旁通管 由 于本体管程与壳程之 间温差较大 为避免温差应力 导致管板失效 设计 中前后管板均采用柔性管板 壳 体直径 D N 1 4 0 0 mm 管板材质为 1 6 Mn R G B 6 6 5 4 1 9 9 6 管板厚度均为 1 8 m m 并对管板进行局部应 力分析法进行分析校核 以确保 管板设计的安全可 靠性 由于过程 气人 12 I 温度达 1 2 o 0 以上 因此 3 2 m m 3 mm的换热管入 口端组焊了 0 4 0 mm 3 m m过渡管 结构见 图 3 以便安装刚玉保护套管 后不影响过程气 的流速 确保过程气的流动阻力不 至于有较大增加和提高换热管入 口段 的换热效率 同时在换热管与刚玉防护套管之间设置了高硅氧纤 维布防止换热管端部温度过高避免换热管失效 为 使降温后的过程气 中的硫磺能尽可能多地 回收 设 计中在本体出口管箱中专门设置了硫磺捕集器 结 构见图4 使过程气全部从捕集器 中流过时液态硫 磺能尽可能收集 然后经出口管道冷凝后流出并收 集 为使系统水循环处于安全范围 经水循环 回路计 算 本体上设置 2个 D N1 5 0 m m 的下降管 口及 4个 D N 1 2 5 m m的上升管口 f 1 一 一 乙 7 7 00 图3 新型废热锅炉本体换热管结构 5 2汽 包蒸发 器结构设 计 为使汽包具有足够的蒸汽容积和水容积 汽包 简体直径作了必要的增大 设计直径为 D N1 6 0 O m m 第 2 6卷第5期 压 力 容 器 总第 1 9 8期 图 4 硫磺捕集器结构 以确保汽包起到汽水分离等应有的功能 为了保证 由硫反应器反应后过程气通过蒸发器 时的冷却效 果 蒸发器最上部换热管外壁与汽包正常最低水位 之间必须具有一定水位空间 本次设计 中控制在不 小于 2 5 0 m m 根据以往使用经验 传统硫 回收单元低温废热 锅炉存在使用寿命较高温废热锅炉本体短的缺点 因此汽包蒸发器的结构设计采用填料函型式 结构 见图 5 该结构既能很好地满足管壳程温差引起 的 管束膨胀 又便于管束的清洗和更换 可节约大修成 本及便于管束的更换 图5 填料函密封型式简图 6 新型废热锅炉防腐要求 碳钢换热管渗铝在石油化工 冶金 电力等工业 中有广泛的应用O碳钢换热管通过渗铝后使其表面 形成一定厚度的致密性铝氧保护膜或铝铁合金保护 层 从而具有优 良的抗高温氧化 耐硫腐蚀 耐磨损 性能 本次新型废热锅炉设计 中 对废锅本体及汽包 蒸发器 中采用的换热管内表面提出了渗铝处理的明 确要求 即要 求表面铝含量 1 5 重量 渗 铝层 厚度1 0 1 0 m lT l 并推荐采用热浸渗铝工艺 换热管 渗铝后 要求按照 J B T 5 0 6 9 1 9 9 1 钢铁零件渗金 属层金相检验方法 和 G B T 4 3 4 0 1 1 9 9 9 金属维 氏硬度 第 1 部分 试验方法 进行金相试验