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国内外辐射对流废热锅炉发展状况国内外辐射对流废锅技术发展状况摘 要： 从整体上介绍了废热锅炉在发展中的关键技术难点，从细节方面详尽的介绍了燃气蒸汽联合循环中余热锅炉发展的技术现状，论述了国内外关于余热锅炉在受热面布置、烟气流动特性、热力参数优化、快速启停和变工况运行等方面的研究现状，确定了余热锅炉在节能环保技术中的关键作用，及其在今后广泛的发展应用前景。关键词：废热锅炉；余热锅炉；燃气蒸汽联合循环；关键技术Abstract: Describes the waste heat boiler in the development of the key technical difficulties from whole. From the details, a detailed introduction to the gas - steam combined cycle HRSG development of technology status. The status quo of HRSG is discussed, including the arrangement of heating surfaces,flow characteristics of flue gas, theoptimization of thermodynamic parameters, start-up and variable load operation. Identified the key role of waste heat boiler in energy-saving and environmental-protecting. And the comprehensive prospect in using and development in the future.Key Words: Waste Heat Boiler; HRSG; combined gas-steam cycle; Key Technologies废热锅炉用来控制工艺气的温度，同时又回收生产过程的余热生产蒸汽，有完整的水循环系统，这有别于一般的换热器。由于废热锅炉高温、高压及介质的特殊性，使其成为整个生产装置中的事故多发设备，因此对废热锅炉关键技术的研究显得尤为重要。例如，对废锅的受热面的材料、积灰、腐蚀等的研究。尤其燃气-蒸汽联合循环中余热锅炉，由于在燃气-蒸汽联合循环中余热锅炉起承上启下的作用，它的结构、性能以及参数都极大的影响到系统中其它设备乃至整个系统的性能。所以对燃气蒸汽中余热锅炉的研究也显得尤其重要。其中，受热面布置、烟气流动特性、热力参数优化、快速启停和变工况运行等都是需要重点考虑的问题。1废热锅炉技术发展综合概述1.1 废热锅炉简介废热锅炉（英文waste heat boiler ）又称余热锅炉，是指那些利用工业过程中的余热来生产蒸汽的锅炉。余热锅炉英文名HRSG，即Heat Recovery Steam Generator的简称，直译成中文为热回收蒸汽发生器。是燃气蒸汽联合循环发电的主设备之一。和常规锅炉不同，余热锅炉中不发生燃烧过程，也没有燃烧相关的设备，从本质上讲，它只是一个燃气水/蒸汽的换热器。其与燃气轮机配合，燃气轮机的排气(温度约在500600）进入余热锅炉，加热受热面中的水，水吸热变为高温高压的蒸汽再进入蒸汽轮机，完成联合循环。1.2 余热锅炉分类根据应用场合，分为电站废热锅炉和化工废热锅炉。电站废热锅炉是IGCC电站系统气化岛中的关键设备，与化工用废热锅炉有很大不同。采用废热锅炉对IGCC煤气化后的合成气显热进行有效回收能够提IGCC电站机组的发电效率；电站废锅可分为辐射式和对流式。另外，将辐射废锅和对流废锅结合为一个整体进行设计，称为辐射对流一体废锅，这可以大大降低投资成本，但国内技术尚不成熟。化工废热锅炉利用生产过程中的高温物流作为热源来生产蒸汽的换热器，它既是工艺流程中高温物流的冷却器,又是利用余热提供蒸汽的动力装置。根据结构形式，废热锅炉可分为管壳式和烟道式。管壳式废热锅炉的结构与管壳式换热器无多大区别,并同样有固定管板式、浮头式及U型管式等。烟道式废热锅炉的结构与普通锅炉相似,由耐火砖砌成炉膛,炉膛内装设管束，高温气体通过炉膛，将管束内流动的炉膛内流动的水加热气化。根据高温气体通过管内还是管外，废热锅炉分为火管废热锅炉和水管废热锅炉。根据进入锅炉的介质特性，余热锅炉可以分为以下几种主要型式：a. 经过余热锅炉的废烟气不需要进一步处理的，如铜冶炼炉拥精炼炉、平炉、玻璃熔炉、燃气轮机、加热炉等后置的余热锅炉；b经过余热锅炉的废烟气需要进一步处理的，其目的是把气温冷却到能适合下一道工艺的要求，如黄铁矿及闪速炼锌燃烧设备、IGCC合成气脱硫前经过的辐射锅炉、残余酸热裂解设备等后置的余热锅炉；c经过余热锅炉的废烟气要进一步处理，而且它的冷却应在给定时间内完成的，这时，余热锅炉的作用是保证上一道工艺的稳定性和防止进一步化学反应，如用于乙烯工艺设备裂解气冷却塔的余热锅炉；d. 固体显热利用，如用于回收赤热的烧结矿、高炉和转炉炉渣、炽热红焦、高温压延钢材等余热的余热锅炉；e. 城市垃圾及淤泥处理，用于焚烧城市垃圾和城市下水淤泥的余热锅炉。1.3 目前发展中废热锅炉结构的关键技术难点1.3.1 辐射式废热锅炉受热面形式辐射式废热锅炉按照受热面布置方式可分为单面水冷壁、双面水冷壁和部分双面水冷壁3种型式，如下图所示：图1 辐射废热锅炉受热面3种不同的布置方式同单面水冷壁布置方式相比,在满足相同容量显热回收要求的前提下,双面水冷壁结构体积更小、换热效率更高,同目前国际上辐射式废热锅炉发展趋势相适应,但其结构比较复杂,运行可靠性没有前者高。采用部分双面水冷壁布置方式,在减小辐射式废热锅炉体积、提高换热效率的前提下,可以减小双面水冷壁布置比例和维护工作量,提高系统运行可靠性。有效减小辐射式废热锅炉体积、增大吸热量,可使其应用于更大容量的机组,并使辐射式废热锅炉出口烟气温度进一步降低, K, Na等碱金属盐的沉积过程尽可能在辐射式废热锅炉中完成,以避免目前对流式废热锅炉存在的受热面积灰堵塞问题。辐射式废热锅炉受热面形式应按照材料、制造、安装和检修条件进行选择,在满足工艺生产和安全运行的前提下,还应考虑加工制造的可能性,现场及加工机具、制造设备能力、材料来源、现有技术力量等因素。1.3.2 辐射式废热锅炉的入口形式气化炉出口与辐射式废热锅炉入口由喉部进行连接,熔融渣从气化炉向辐射式废热锅炉流动的过程中会保持流动的温度,当熔融渣流动到辐射式废热锅炉入口处时由于流通面积扩大而容易被合成气夹带喷溅到辐射式废热锅炉中,所以,在设计中要保证熔融渣从离开喉部的壁面并在到达辐射锅炉水冷壁表面时能够被充分冷却,使渣固化失去黏结性,从而保证受热面不沾污,因此,对合成气通过喉部气速的选择是设计关键。目前世界上应用较多的德士古辐射式废热锅炉入口形式如下图所示,气化炉与辐射式废热锅炉外壳体采用法兰连接,高温合成气出气化炉后进入一个相对较长的狭小通道,以此提高进入辐射式废热锅炉的流速,通道内壁为耐火砖,在进入辐射式废热锅炉的一端采用水冷壁弯管受热面,由于合成气具有3MPa压力,因此,需要在入口连接段的外壳与受热面之间注入高压氮气以平衡内部高压并起到密封作用。图2 德士古辐射式废热锅炉入口形式1.3.3 辐射式废热锅炉的排渣形式合成气经过辐射式废热锅炉受热面换热以后流向对流式废热锅炉,其渣以熔融状态流入辐射式废热锅炉底部,经过底部水槽急剧冷却后又会出现具有很高硬度的固态溶渣,因此,在底部存在液相、气相和固相的混合区。灰渣在混合区域内随水排入锁渣罐,因不同煤质的灰渣粘温特性直接决定辐射式废热锅炉的操作温度,并影响排渣及灰水中固态渣的含量等,从而影响排渣装置的稳定运行,因而辐射式废热锅炉出口形式必须根据设计煤种进行选择,流通截面尽量较大,且制造材料要有足够耐磨能力,从而保证排渣系统可靠运行。同时,在渣口附近必须有吹扫装置进行防结渣沉淀扰动,在底部混合段也可以采用带压氮气进行不断吹扫。1.3.4 对流式废热锅炉受热面的积灰、磨损及腐蚀对流式废热锅炉布置型式主要来源于化工行业,主要有火管式和水管式2种形式。火管式对流式废热锅炉优点具有传热效率高、体积小、造价低等优势,其缺点是系统吹灰困难,容易造成积灰;水管式对流式废热锅炉优点具有吹灰和受热面布置容易的特点,其缺点是设备体积庞大,传热效率和性价比不如火管式对流式废热锅炉。气化后的煤气进入辐射式废热锅炉后含灰量很大,且有大量煤渣,其绝大部分呈液态形式,合成气从辐射式废热锅炉进入对流式废热锅炉后虽然含灰量大大降低,但也存在较细粉尘颗粒,而且其硬度高、易粘结,因此容易引起对流式废热锅炉受热面积灰和磨损。气流速度和浓度是影响积灰和磨损的重要因素。磨损量不但与速度成n次方关系( n值大小与灰的性质、浓度及粒度有关,一般在速度为940m / s时, n =33. 5)而且与浓度、灰粒撞击几率等有关,气流速度提高会促使这些因素加强,从而使磨损加强,因此,设计中选用恰当烟气流速并保证速度场均匀性十分重要。同时,在对流式废热锅炉中还要合理布置吹灰器、采用难积灰和堵灰的受热面结构、选用合适管材和对管子进行防磨表面处理等方式来解决积灰和磨损问题。从气化炉中出来的合成气中的K,Na等碱金属盐以气态形式进入辐射式废热锅炉,因其结晶温度在600700,故在辐射式废热锅炉内不会沉积,但在对流式废热锅炉里却容易沉积,可能的解决办法是避开此温度区,如在辐射式废热锅炉和对流式废热锅炉连接管道上采用水冷套管或在对流式废热锅炉的入口段采用空腔膜式水冷壁来降低气体温度,使其在进入对流受热面时的温度低于600。根据以往经验, K,Na盐若不在管壁上结晶,即在气体中结晶变成固体灰粒,只要流速适当就容易被带走。同时,对流受热面应采用纵向冲刷,尽可能避免受热面积灰。1.3.5 废热锅炉的材料问题（针对的是对流，辐射锅炉）废热锅炉运行条件相当恶劣,其中受热面部分始终接触高温、高压且具有腐蚀性的合成气,对废热锅炉主体材料、受热面材料、外壳材料、耐火材料和内衬材料等都提出了严格要求。煤中含有氯和硫等成分,在气化过程中生成的HCl和S在高温条件下会使受热面发生严重腐蚀。同时,还原性气氛易导致非合金材料的氧化稳定保护层遭到侵蚀,对于含氯较高的气化进料尤其明显。这就要求其受热面材质在还原气氛中具备足够抗煤灰腐蚀、抗高温磨蚀能力。现有IGCC示范装置中废热锅炉受热面管材大多采用超低碳耐热不锈钢,且必须进行大面积表面处理。对于辐射式废热锅炉外壳,为了减轻其质量并适应工况,一般采用高强耐热的Cr - Mo 钢。归纳起来,这些防腐措施主要有5点：a 合理选择各部分(受热面、壳体等)耐蚀材料。例如,用铁素体合金钢、铁素奥氏体钢、奥氏体铬镍钢、特殊奥氏体铬高合金镍钢等作为受热面材等。b 采用堆焊技术,适当减少焊缝。c 根据不同腐蚀和磨损程度对废热锅炉受热面的不同材料作相应表面处理。在受热面表面加覆盖层的表面处理方法主要有等离子热喷涂、涂铬、电流渗铬和预氧化等。d 运行中控制金属表面温度。e 采用可换结构(如底部渣水系统中的易磨损件等) 。2. 燃气蒸汽联合循环废锅（余热锅炉）关键技术发展概述2.1 燃气蒸汽联合循环中余热锅炉简介作为燃气蒸汽联合循环电站的三大主要设备之一，余热锅炉(HRSG)处于燃气轮机和蒸汽轮机之间，是系统整体优化和各主要子系统匹配的一个关键所在，起着承上启下的作用。它的结构、性能以及参数都极大的影响到系统中其它设备乃至整个系统的性能。因此，为全面提高燃气蒸汽联合循环的技术水平，实现系统的优化设计，深入研究余热锅炉就显得尤为重要。与常规锅炉相比，余热锅炉具有其特有的结构特征和热力特性，在设计、制造、运行中都存在一些特殊的困难和要求。其中，受热面布置、烟气流动特性、热力参数优化、快速启停和变工况运行等都是需要重点考虑的问题。2.2 燃气蒸汽联合循环余热锅炉的技术流派燃机联合循环余热锅炉主要有强制循环和自然循环2 种技术流派。其形式如下图所示： 1.过热器；2.中（高）压蒸发管束；3.省煤器；4.低压锅炉管束图3 双压强制循环余热锅炉1.过热器；2.中（高）压锅炉本体；3.省煤器；4.低压锅炉管束图4 自然循环余热锅炉另外,在某些特定的情况下,也采用强制循环和自然循环两种兼有的复合循方式。复合循环的锅炉的型式：1.过热器；2.中（高）压锅炉本体；3.省煤器；4.低压锅炉管束图5 两种循环方式兼有的复合循环余热锅炉2.3 强制循环与自然循环余热锅炉技术特点比较2.3.1强制循环余热锅炉的特点强制循环余热锅炉具有如下优点： 受热面布置灵活;采用小管径,重量轻,尺寸小,结构紧凑;常布置于立式烟道,烟囱与锅炉合二为一,节省空间占地面积小;锅炉水容量小,启动快,机动性好,组装出厂,安装方便。强制循环余热锅炉的缺点如下:必须装设高温锅水循环泵,可靠性差,且增加电耗提高运行费用;采用小弯头,制造工艺复杂;锅炉重心较高,稳定性较差,不利抗风抗震。2.3.2 自然循环余热锅炉的特点自然循环余热锅炉具有如下优点:锅炉型式成熟,工作可靠,不必装设高温锅水循环泵;结构简单,制造容易;锅炉水容量大,适应负荷变化能力强,自动控制要求相对不高;锅炉重心低,稳定性好,抗风抗震性强。自然循环余热锅炉的缺点如下:蒸发受热面为立式水管,常布置于卧式烟道,因此占地面积大,钢材耗量大;锅炉水容量大,启停及变负荷速度慢。2.4 燃气蒸汽联合循环余热锅炉技术研究现状2.4.1 烟气流动特性的研究燃气轮机排气流量大，速度快，是完全发展的紊流，温度场和速度场极不均匀；而且燃气轮机排气口与锅炉受热面的结构尺寸相差很大，由于受场地及费用限制，过渡段不可能太长。这就会引起余热锅炉中流动和传热不均匀，还会带来振动、磨损、膨胀等结构破坏问题。所以，对余热锅炉烟气流动特性和进口段结构优化进行研究就变得非常重要。目前，对余热锅炉中烟气流动特性的研究主要两种途径：一是采用CFD软件(包括通用软件和自编程序)，对烟气流动进行数值模拟，可得到直观的速度场、温度场和压力场分布，并进行分析与优化；二是搭建模化实验台，对烟气流动特性进行冷态空气动力场实验。 2.4.2 螺旋鳍片管性能的研究在燃气蒸汽联合循环余热锅炉中，炉内的换热主要依靠的是对流换热，辐射基本可以忽略不计，而且余热锅炉中烟气与汽水介质间的换热温压比常规锅炉要低许多。因此，为强化烟气与工质之间的对流换热，同时减小余热锅炉烟气侧的压损系数，使余热锅炉布置紧凑、节省钢材，在余热锅炉受热面中必须大量采用螺旋鳍片管替代光管。一般，螺旋鳍片管束约占余热锅炉总重的40%左右。目前，公开文献中推荐的计算方法主要为美国燃烧工程公司(CE公司)性能标准、前苏联锅炉机组热力计算标准等。在螺旋鳍片管的结构特性参数中，鳍片高度、节距和管径对螺旋鳍片管的传热特性有较大影响。在相同的烟气成分、温度、速度下管径越小、鳍片越高、节距越密，则传热效果越好。哈尔滨第703研究所和哈尔滨动力股份有限公司利用小管径鳍片管传热效果好、热惰性小的优点，开发出小管径余热锅炉。该余热锅炉热利用率高；质量轻，尺寸小；启动快，机动性好；烟气和蒸汽阻力小。2.4.3 快速启停特性研究启停迅速、调峰性能好是联合循环电站的主要优势之一。目前大型联合循环装置更多采用一拖一单轴及无旁通烟道的布置的情况下，更要求余热锅炉具有良好的快速启动特性。 余热锅炉快速启停的研究，主要反映在锅筒、螺旋鳍片管束、烟道挡板等结构设计和控制及运行的模式上。余热锅炉蒸汽热力参数偏低，且在启动中升负荷和升压过程很快，大量汽水会涌入锅筒。因此余热锅炉的锅筒应具有更大的容量。同样为适应启动中锅筒水位的较大变化，汽水分离装置多采用水下孔板型式。螺旋鳍片管束采用小管径，管壁薄，热惰性小。余热锅炉中烟道和挡板的具体结构细节，也应尽量减小热惯性，适应快速启停的要求。2.4.4 变工况运行特性研究由于燃气轮机负荷总在不断变动；又常运行在温度变化范围很大(-2045)的大气环境中。因此，燃气轮机排气温度和流量会随着负荷和时间变化而发生很大的变化。受其影响，余热锅炉热力特性也会随之变动，这就要求余热锅炉具有较好的变工况运行特性。国内对余热锅炉的变工况运行特性进行了一定的研究。中国科学院工程热物理所蔡睿贤等对余热锅炉变工况运行做了大量的计算工作，并给出了两种解析解算法。例如广州珠江天然气发电公司黄伙基等通过计算，分析了联合循环余热锅炉变工况的运行特点：蒸汽系统滑压最小压力点的限制及省煤器汽化问题，并提出了可能的解决途径。2.5 燃气蒸汽联合循环余热锅炉热力参数优化研究余热锅炉的热力系统是包括除氧器、蒸发器、凝结水加热器等低压汽水系统和多级过热蒸汽系统的复杂系统。影响该系统性能的参数主要有汽水系统的布置方式、窄点温差、接近点温差选择，烟气侧阻力的以及、排烟温度的选择等。2.5.1 汽水系统的布置方式目前，燃气蒸汽联合循环余热锅炉的供汽参数主要有单压、双压、三压几种，其中双压和三压又分为再热和不再热。具体采用何种汽水统，主要取决于与之相配的燃气轮机形式、参数及用户的需要。一般，当燃气轮机在额定功率下排气温度低于538，则多采用单压或多压无再热的汽水系统；当燃气轮机排气温度高于538时，则可以采用有再热循环的汽水系统；当燃气轮机排气温度高于593时，则可以考虑采用三压有再热循环的汽水系统。系统的蒸汽循环采用单压还是多压，还取决于机组的投资、燃料品种及其价格、机组负荷性质及运行维护费用等因素。近年来，随着燃气轮机效率的提高、容量的加大，要求生产高温、高压、多种压力的蒸汽，高效率的三压再热式余热锅炉已成为主流。在单压余热锅炉中，因为省煤器对热量的需求受到余热锅炉高温段(蒸发器和过热器)产汽量的限制，即在低温段烟气热量未能充分利用，因此单压余热锅炉不能将排烟温度降低到较低的水平，一般仅能控制在160200。这对于燃重油的联合循环机组而言还是合适的。如浙江镇海300 MW燃重油联合循环机组，余热锅炉排烟温度为176；温州300 MW燃原油联合循环机组，余热锅炉排烟温度为171。这是因为：重油和原油的成本相对较低，又带调峰负荷，对效率的要求无需过于苛刻；单压余热锅炉系统简单，设备投资较低；重油和原油含硫量较高，适当高一些的排烟温度可避免余热锅炉尾部受热面的低温腐蚀。因此燃重油或原油的联合循环余热锅炉大多采用单压蒸汽系统。燃用含硫量很低的轻油或几乎不含硫的天然气时，因燃料成本相对较高，需要进一步降低余热锅炉的排烟温度，力求尽可能地利用燃气余热，提高余热锅炉效率。在设计余热锅炉时可采用双压或三压蒸汽系统，即在余热锅炉中除了产生高压过热蒸汽外，还产生中压或低压过热蒸汽，补入汽轮机的中、低压缸做功。由于增加了产生低压蒸汽的系统，回收了更多的热量，可以把排烟温度降至更低。如双压余热锅炉的排烟温度可降低到110130。研究表明，双压蒸汽系统的联合循环效率可比单压系统高1.7%。对于几乎不含硫的天然气，其烟气露点温度约为4353，排烟温度原则上只要高于露点10即可避免尾部受热面的低温腐蚀。因此，可采用三压蒸汽系统，以使排烟温度进一步降低到8090，从而使联合循环效率比双压系统高0.6%。当然，这些措施将引起余热锅炉、汽水管道和汽轮机的设备费用相应提高。2.5.2 窄点温差选择所谓窄点温差（trd）是指蒸发器入口处烟气温度与蒸发器中工质的饱和温度之差，即蒸发器中烟气与工质热交换的最小温差点。合理的窄点温差是设计余热锅炉的关键因素之一。在余热锅炉的蒸汽压力和温度选定后，减小窄点温差会使余热锅炉的排烟温度下降，可以回收更多的余热，有利于改善余热锅炉效率，并提高联合循环的总效率；同时，由于传热温差的减小，必将增大余热锅炉的换热面积。受热面的增加不仅增加了投资费用，也增加了烟气侧的流动阻力，提高了燃气轮机的背压，导致燃气轮机的功率和效率有所下降。反之，增大窄点温差，会使传热温差增大，相应减小余热锅炉的受热面，但将使排烟温度提高，余热锅炉的出力降低，余热锅炉的余热利用率及工质循环热效率下降。因此，在余热锅炉的设计中，窄点温差的选择应从余热锅炉的投资费用及联合循环的效率方面综合考虑，进行优化选择，一般取820。联合循环设备采购国际标准规定：低压余热锅炉的窄点温差为15，双压和三压余热锅炉的窄点温差为10。下图给出了随窄点温差trd的变化,在设计工况下,余热锅炉的相对总传热面积F、相对排烟温度Qpy、相对蒸发量D、相对总投资费用以及相对单位热回收费用的变化规律：13图6 设计工况下,F、Qpy,D随trd的变化关系(本图中相对值都是以窄点温差trd选定为10为基础比较) 图7 设计工况下总投资费用和单位热回收费用随trd的变化关系2.5.3 接近点温差选择接近点温差（tjid）是指余热锅炉中省煤器出口的水温与相应压力下饱和温度之差。 接近点温差是为了防止低负荷下余热锅炉省煤器中出现汽化现象，而反映省煤器安全裕度的一个指标。如果接近点温差为零，则表明在省煤器中发生了汽化现象，这对余热锅炉的