一體化廢熱鍋爐結構設計探討*

李云福 陶昌勤 李騰蛟

(合肥通用機械研究院)

焦化廠煤氣凈化生產線硫回收單元是針對克勞斯爐產生的高溫過程氣實施的余熱和硫磺資源回收系統，由于高溫過程氣不僅含有大量可回收利用的余熱，同時含有大量對環境有害的高濃度S、SO2、H2S等有害氣體，因此從能源的高效利用以及為保護環境使最終排放的過程氣尾氣達到環保要求出發，煤氣凈化不僅須從高溫過程氣中回收余熱還應從過程氣中使有害的硫及硫化物實施有效的轉化并對硫磺資源進行回收。包含硫磺捕集器的廢熱鍋爐是煤氣凈化生產線硫回收單元的關鍵設備，由于工藝要求回收過程必須分成高溫段和低溫段二次進行，因此一般回收單元必須設置二套廢熱鍋爐，但最新凈化工藝要求采用一體化廢熱鍋爐替代二套廢熱鍋爐，以使回收單元的設備一次性投資降低并減少設備的占地。筆者對最新煤氣凈化系統工藝特點及廢熱鍋爐結構進行了深入探討和研究，采用了在汽包中增設低溫段蒸發器的創新型結構，使硫回收單元二套廢熱鍋爐實現了一體化設計，并使過程氣尾氣排放完全滿足環保要求。

1 煤氣凈化硫回收單元

凈化克勞斯爐產生的高溫過程氣中含有的高濃度S、SO2、H2S等有毒有害氣體，使過程氣尾氣達到環保排放標準，并回收硫磺資源和生產有用的蒸汽資源，以獲得顯著的社會效益和經濟效益。

圖1為傳統過程氣余熱及硫回收工藝流程簡圖。為使尾氣排放達到環保要求，工藝流程必須進行二次硫和硫化物轉化及二次硫磺資源的捕集，由于傳統廢熱鍋爐的結構原因，必須在硫反應器前后分別設置兩套廢熱鍋爐才能實現高溫段和低溫段各自余熱及硫磺的回收。通常硫磺捕集器設置在廢熱鍋爐本體出口管箱內，冷卻后的過程氣流經硫磺捕集器使液態硫磺得以分離并經硫封槽冷卻后排出并收集，生產的蒸汽可直接進入管網，經冷卻和去除硫磺達環保要求的過程氣尾氣可直接排放。

廢熱鍋爐主要技術參數為(高溫段/低溫段)：

過程氣流量 3 932/3 627kg/h

入口密度 0.27/0.74g/m3

入口溫度 1 285/244℃

出口溫度 158/135℃

入口比熱 1.431/1.249kJ/(kg·℃)

入口導熱系數 0.113 2/0.043 4W/(m·℃)

出口比熱 1.220/1.268kJ/(kg·℃)

出口導熱系數 0.034 2/0.035 1W/(m·℃)

入口粘度 53/24μPa·s

硫產量 560/262kg/h

蒸汽產量 2 985/258kg/h

蒸汽壓力 1.3/1.3MPa

過程氣允許流動阻力 2/2kPa

圖1 傳統過程氣余熱及硫回收工藝流程簡圖

根據以上工藝參數，在確定選用GB 3087中的20#換熱管、換熱管尺寸φ32mm、正三角形布管的前提下，廢熱鍋爐的傳熱計算結果為[1]：

高溫段蒸發管束總傳熱量 1 815.32kW

傳熱溫差 317.38℃

總傳熱系數 33.20W/(m2·℃)

計算傳熱面積 172.3m2

設計面積 179.7m2

低溫段蒸發管束總傳熱量 156.46kW

傳熱溫差 44.50℃

總傳熱系數 42.87W/(m2·℃)

計算傳熱面積 82.1m2

設計面積 88.6m2

2 硫回收單元傳統廢熱鍋爐結構

傳統廢熱鍋爐總體結構如圖2所示，汽包與廢熱鍋爐本體之間通過上升管和下降管連接，運行時利用汽水密度差及汽包的高位實現自然循環，使系統安全、可靠、平穩地運行。由圖1可知，系統中含有高溫段和低溫段各一套廢熱鍋爐，硫磺捕集器均設置在廢熱鍋爐本體出口管箱內，冷卻后的過程氣流經硫磺捕集器使液態硫磺得以分離并經硫封槽冷卻并收集。而高溫段和低溫段廢熱鍋爐總體結構差別僅僅是，高溫段廢熱鍋爐由于工藝的要求，需要嚴格控制過程氣出口溫度，因此在結構上設置了內旁通管用于出口過程氣氣溫調節。另外，由于高溫段廢熱鍋爐過程氣入口溫度高達近1 300℃，為避免管板溫度過高及防止管板與換熱管接頭失效必須設置安裝剛玉管防護結構并在管板表面敷設耐熱混凝土，因此換熱管布管間距較大。而低溫段廢熱鍋爐過程氣入口溫度低于300℃，也沒有嚴格要求控制過程氣出口溫度，因此既不需設置過程氣出口溫度調節器又不必設置管板與換熱管接頭防護結構，換熱管布管間距相對也較小。

圖2 傳統廢熱鍋爐總體結構

3 一體化廢熱鍋爐結構設計探討

一體化廢熱鍋爐設計要求由最新系統工藝設計提出，目的是優化工藝流程并使硫回收單元設備既減少一次性投資又減少設備占地。新工藝流程要求高溫段和低溫段廢熱鍋爐采用一體化結構，也就是說應該取消單獨設置的低溫段廢熱鍋爐。因此一體化設計需要將高溫段和低溫段兩套廢熱鍋爐在設計時必須采用一套裝置達到兩套裝置的功能，同時一套裝置必須滿足高溫段和低溫段各自回收余熱和硫磺資源的功效，并確保一體化廢熱鍋爐的運行既安全又可靠。

為使兩套廢熱鍋爐實現一體化，從總體結構來考慮，首先必須使一體化廢熱鍋爐可同時實現高溫段和低溫段的余熱回收，也就是必須將傳統結構低溫段廢熱鍋爐本體熱量回收蒸發管束的功效集中到高溫段廢熱鍋爐系統中實現。從設備設計出發，為了將低溫段蒸發管束布置于高溫段廢熱鍋爐系統中，結構上僅有兩種途徑可以選擇：一是將低溫段蒸發管束與高溫段蒸發管束一起布置于高溫段廢熱鍋爐本體；二是將低溫段蒸發管束布置于高溫段廢熱鍋爐汽包內，除此之外沒有更為實用和簡捷的設備設計布置方法。

3.1 傳統廢熱鍋爐管板結構形式

煤氣凈化生產線硫回收單元關鍵設備廢熱鍋爐一般采用管殼式結構[2]，為了降低制造成本、解決廢熱鍋爐殼體與管束之間溫差較大而造成失效的難題，管板一般采用能很好地承受溫差應力的柔性薄管板。由于工藝要求高溫段過程氣出口氣溫應嚴格控制，因此管板布管時中部需要布置旁通管，以便安裝出口過程氣溫度調節裝置，布管一般為正三角形，同時布管時必須考慮蒸發管束支撐板固定的拉桿孔。另外為了降低管箱的溫度、管箱內側須設置較厚(約300mm)耐熱混凝土，因此柔性薄管板周邊必須有較大范圍不布管區域；同時為了降低管板及管板與換熱管接頭的溫度必須設置剛玉管防護結構，因此換熱管的布管間距相對較大。

3.2 將低溫段與高溫段蒸發管束一起布置于高溫段廢熱鍋爐本體

為了將高溫段及低溫段兩個蒸發管束一起布置在一體化廢熱鍋爐本體內，從一體化后管板實際布管方式出發，考慮到高溫段、低溫段入口和出口管箱的實際結構，管板布置有兩種結構。

3.2.1高溫段及低溫段蒸發管束上下布置

管束上下布置如圖3所示，該一體化設計方案僅從余熱回收考慮，應該是較好的布置方式。但高溫段入口過程氣溫度近1 300℃，高溫段管箱內必須設置耐熱混凝土，因此上下布管區之間必須留出較大的不布管區域，另外由于高溫段過程氣冷卻后的出口溫度需要嚴格控制，因此管板中部必須布置中心旁通管。因此管板的周邊、上下管束布管區之間及中心旁通管與換熱管布管區之間均必須預留較大的不布管區域。該布置方式的不利因素有：

a. 由于上下布管區域之間必須留出較大的不布管區域，因此一體化后廢熱鍋爐本體管殼的直徑必須有較大的增加，在相同設計壓力下殼體的厚度也將有較大的增加，因此設備外形尺寸、重量、造價和占地空間也都將增大；

b. 由于高溫段、低溫段管束的換熱管溫度相差較大，但管束的殼體是同一個，結果必然是高溫段管束與殼體的溫差以及低溫段管束與殼體的溫差同樣相差較大，因此同一管板上下區域在較大的溫差應力作用下，管板應力分布將極其復雜，布管造成管板的應力分布也不具有對稱性，各個區域在承受不對稱且相差較大的溫差應力下管板本身的強度以及管板與換熱管的接頭均極易失效，管板經應力分析計算[3～5]無法滿足設備設計和運行的安全可靠性。

圖3 高溫段、低溫段上下布置

3.2.2高溫段及低溫段蒸發管束內外布置

管束內外布置方案如圖4所示，該一體化設計方案從余熱回收及管板受力情況考慮，應該都是較好的換熱管布置方式。但由管板布管情況可知，由于高溫段蒸發管束過程氣出口需要設置溫度調節器，因此低溫段蒸發管束應該布置在外圈，該布置方式特點如下：

a. 管板布管均勻、對稱，雖然高溫段蒸發管束與殼體的溫差應力較低溫段蒸發管束與殼體的溫差應力大，但由于柔性薄管板具有吸收消化溫差應力的優勢，因此管板本身的強度和管板與換熱管接頭連接強度都能保證設備的安全運行。在兩個管束換熱管數量一定、并能對稱性較好地布置時，經應力分析計算，管板強度等均能滿足相關設計標準要求；

b. 由于高溫段廢熱鍋爐本體中增設低溫段蒸發管束以及高溫段管箱內必須設置較厚耐熱混凝土，因此本體管殼的筒體直徑、殼體厚度、設備的重量及造價等同樣有顯著增大；

c. 由于高、低溫段蒸發管束的換熱面積是由工藝(傳熱)計算[1]得出的，而布置在同一筒體中的換熱管長度是一致的，因此高溫段和低溫段換熱管布置時數量一般很難相匹配，該種布置方式在對稱性前提下很難實施。

圖4 高溫段、低溫段內外布置

3.3 低溫段蒸發管束布置于高溫段廢熱鍋爐汽包內

低溫段蒸發管束的管板布管方式如圖5所示，該結構是將低溫段蒸發管束設置安裝在原高溫段廢熱鍋爐系統的汽包內，是一種全新的結構。由于汽包內增設了低溫段蒸發管束，為了確保蒸發器最上部換熱管外壁與汽包正常最低水位之間具有一定水位空間，汽包筒體的直徑需要適當增大。該布置方式特點如下：

a. 由于管束所占容積較小，因此汽包總容積增加也較小，汽包的筒體直徑僅需適當增加即能滿足設計布置要求；

b. 根據設計參數，由于蒸汽與水的密度相差很大，鍋爐的自然循環動力較大，因此汽包內增設低溫段蒸發管束后，經計算水循環倍率也完全能夠滿足安全運行要求；

c. 設計時低溫段蒸發管束采用填料函型式管殼式結構，該結構既能很好地滿足管殼程溫差引起的管束膨脹，又便于管束的清洗和更換，可節約大修成本及便于管束的更換；

d. 該布置方式的設備總質量最輕、外形尺寸最小、設備系統造價相對最低。

圖5 汽包中低溫段管板布管示意圖

4 一體化廢熱鍋爐結構設計及計算

一體化廢熱鍋爐總體結構設計如圖6所示[6]，由前文計算得知，高溫段蒸發管束設計面積179.7m2，低溫段蒸發管束設計面積88.6m2。布管采用正三角形，高溫段蒸發管束管間距64mm、布管數量240根，低溫段蒸發管束管間距40mm、布管數量118根。高溫段進出口之間過程氣流動阻力計算值1 015Pa，小于允許流動阻力2 000Pa；低溫段進出口之間過程氣流動阻力計算值1 575Pa，小于允許流動阻力2 000Pa。一體化廢熱鍋爐本體殼體中部設置內旁通管用于安裝過程氣出口溫度調節器，本體(高溫段)及汽包蒸發器(低溫段)出口管箱內均設置捕集器分離液態硫磺并回收；汽包與廢熱鍋爐本體之間設置4根上升管及2根下降管連接，利用汽水密度差及汽包的高位實現自然循環，并利用三點法進行廢熱鍋爐系統自然水循環計算[7]，結果是循環水量約為142t/h，自然循環倍率為47.5，滿足自然循環安全要求。該一體化結構已獲國家專利、擁有自主知識產權，專利號：ZL 2 0186518.3。

圖6 一體化廢熱鍋爐總體結構

5 結束語

焦化廠煤氣凈化生產線硫回收單元高溫段和低溫段廢熱鍋爐一體化結構應采用將低溫段蒸發管束直接布置在系統設備汽包內，同時低溫段蒸發器采用填料函管殼式結構。該一體化結構廢熱鍋爐的設計、制造、安裝后運行能完全達到最新工藝要求，獲得用戶及工藝流程設計方的好評。一體化廢熱鍋爐投用多年來，運行效果良好、硫磺資源的回收達到預期，過程氣、尾氣的排放完全符合環保排放標準。

[1] 錢濱江，伍貽文，常家芳，等.簡明傳熱學手冊[M].北京：高等教育出版社.1983.

[2] GB 151-1998，管殼式換熱器[S].北京：中國標準出版社，1995.

[3] JB 4732-1995，鋼制壓力容器——分析設計標準[S]. 北京：中國標準出版社，1995.

[4] 劉牧，徐鵬，秦宗川，等.一種新型廢熱鍋爐的結構設計[J].化工設備與管道，2011，48(6)：6～9.

[5] 秦宗川，徐鵬，修維紅，等.WSA濕煙氣制酸裝置廢熱鍋爐的設計開發[J].壓力容器，2009，26(9)：16～20.

[6] 李云福，陶昌勤，秦宗川，等.廢熱鍋爐換熱管與管板連接方式的研究[J].石油與化工設備，2013，16(9)：5～8.

[7] 吉大田，方子風.廢熱鍋爐[M].北京：化學工業出版社.2002.