高溫含灰立式廢熱鍋爐的結構設計*

安連想 張合生 徐 祥 齊 波

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.中國科學院工程熱物理研究所)

整體煤氣化聯合循環發電(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)可以實現燃煤的高效、清潔和多樣化利用，是21世紀主要的潔凈煤發電方式之一[1]。IGCC發電技術具有較高的供電效率，目前循環效率可達42%～45%，其中煤氣化后顯熱回收部分對供電效率的影響在4%～5%。廢熱鍋爐是顯熱回收利用中的關鍵設備。

主流煤氣化技術有氣流床氣化、流化床氣化和固定床氣化。針對我國儲量豐富的低階煤和高灰熔點、高灰分的煤，中國科學院工程熱物理研究所正在研發粉煤加壓密相輸運床氣化技術，該技術具有煤種適應性好、氣化方式靈活、可靠性和可用率高及易于大型化等特點，是國際上正在研發、示范的新一代煤氣化技術。輸運床技術中(圖1)，煤中灰分則以飛灰形式隨高溫高壓煤氣進入廢熱鍋爐，廢熱鍋爐中工藝氣體具有高溫、高壓、較高含灰量、強還原性及腐蝕性等特點。因此，對廢熱鍋爐的設計、制造提出了很高的要求。筆者針對輸運床氣化中試裝置的廢熱鍋爐工藝條件，將廢熱鍋爐分成3段，整體采用立式結構，進行工藝計算和強度優化設計。

1 工藝流程

輸運床氣化技術中(圖1)，通過煤進料系統將粉煤加入氣化爐，粉煤與空氣或氧氣與蒸汽進行氣化反應生成工藝氣，其主要成分有H2、CH4、CO、CO2及N2等，灰分以飛灰形式隨高溫高壓煤氣進入廢熱鍋爐，工藝氣溫度經廢熱鍋爐需從950～1 050℃降至350℃左右，同時產生中壓蒸汽。工藝氣中的灰分經顆?？刂葡到y移除，相對純凈的工藝氣經脫硫工段，進入下游工序。

圖1 輸運床氣化技術流程框圖

此工藝的廢熱鍋爐需產生過熱蒸汽，以提高顯熱利用效率。將廢熱鍋爐分成3段，其中第一段為蒸發段，工藝氣溫度從1 050℃降至750℃；第二段為過熱段，工藝氣溫度從750℃降至420℃；第三段為蒸發段，工藝氣溫度從420℃降至350℃。其中第一、第二段之間可采用噴水激冷降溫的方式，以調節工藝氣溫度并減少堿金屬在換熱管中凝結。廢熱鍋爐工藝流程如圖2所示。

圖2 廢熱鍋爐工藝流程框圖

2 設備型式和結構

針對輸運床氣化中試裝置的廢熱鍋爐工藝條件，煤中灰分直接以飛灰形式隨高溫高壓煤氣進入廢熱鍋爐，為考慮灰分的流動性和廢熱鍋爐的長周期安全運行，廢熱鍋爐采用立式結構型式(圖3)。

圖3 立式廢熱鍋爐結構簡圖(旋轉90°)

根據工藝需要將廢熱鍋爐分成3段：第一段為蒸發段，管板采用撓性薄管板結構；第二段為過熱段，管板采用浮頭式與膨脹節聯合的結構；第三段為蒸發段，管板采用撓性薄管板結構。其中撓性薄管板結構解決了管板熱應力及管子和殼體膨脹差引起的應力問題。

對于高溫、高壓、高含塵量的工藝氣，采用火管結構方式的廢熱鍋爐，關鍵是通過關鍵部件的結構優化和控制流速來防止管程結垢，以便管程流動順暢。

自然循環系統中立式廢熱鍋爐不傾斜，水汽混合物由廢熱鍋爐頂部引出，對上管板結構提出了特殊的要求，以防止飽和蒸汽滯留于上管板區域帶來問題。

3 管板和換熱管連接處溫度場分布情況

換熱管高溫入口處的溫度難以準確計算，此區域的換熱是集導熱、對流和輻射于一體的換熱過程。在入口處加載溫度后，高溫工藝氣與保溫材料和保護管之間進行導熱傳熱；氣體不斷向管內流動，與保護管進行對流換熱，保護管與鋼管之間有一定的空隙，因此兩者之間又進行輻射換熱。管板和換熱管連接處溫度場如圖4所示。

圖4 管板和換熱管連接處溫度場

通過分析溫度場可以得出：管板和換熱管兩者受壓元件的最高溫度值分別為346.58℃和328.47℃，為選材和應力強度分析提供了依據。

4 結構應力強度分析

4.1有限元分析模型

由于設備第二段采用膨脹節結構，筆者對其結構強度不再分析。第一段與第三段結構型式一致，但第一段相比第三段工況條件更為苛刻，因此對第一段進行強度應力分析。此設備具有結構對稱性，采用全模型的八分之一結構，分別對上、下管板結構進行溫度和應力耦合場分析。此設備中管板為最關鍵部件，分析管板應力時不考慮上升管和下降管對其局部的影響，廢熱鍋爐具體的設計條件為：

管板材料 15CrMoⅣ

換熱管材料 15CrMo

管程/殼程材料 15CrMoR /Q345R

管程/殼程設計壓力 3.3/ 4.5MPa

管程/殼程設計溫度 350/270℃

4.2單元選擇

輔助建模的殼單元類型采用shell57，進行熱分析的體單元類型為solid70，進行結構分析的體單元類型為solid45。上、下管板結構模型網格劃分結果分別如圖5、6所示。

圖5 上管板結構模型網格劃分示意圖

圖6 下管板結構模型網格劃分示意圖

4.3邊界條件

力學邊界條件模型簡化為在管箱端部施加軸向平衡面載荷F(MPa)。位移邊界條件是在直角坐標系下，沿換熱管的工藝氣進口方向為z軸正向，在xoz平面內的y方向位移Δy=0，在yoz平面內的x方向位移Δx=0，在設備中間處的z方向位移Δz=0，這樣也消除了結構的剛體漂移。具體的邊界加載情況如圖7、8所示。

圖7 上管板結構模型邊界加載示意圖

圖8 下管板結構模型邊界加載示意圖

4.4載荷分析

根據相關標準的要求，對不帶法蘭的管板的3種危險工況(即：只有殼程設計壓力ps，而管程設計壓力pt=0，同時計入膨脹變形差；只有管程設計壓力pt，而殼程設計壓力ps=0，同時計入膨脹變形差；既有管程設計壓力pt，也有殼程設計壓力ps，同時計入膨脹變形差。)進行耦合場分析。

4.5上管板應力強度分析

第一種載荷工況(ps=4.5MPa，pt=0，同時計入膨脹變形差)時的應力云圖如圖9所示，此時，應力強度最大點為節點9 482，應力值為Smax=387.8MPa。

圖9 第一種載荷工況應力云圖

第二種載荷工況(ps=0，pt=3.3MPa，同時計入膨脹變形差)時的應力云圖如圖10所示，此時，應力強度最大點為節點9 482，應力值為Smax=266.6MPa。

圖10 第二種載荷工況應力云圖

第三種載荷工況(ps=4.5MPa，pt=3.3MPa，同時計入膨脹變形差)時的應力云圖如圖11所示，此時，應力強度最大點為節點9 482，應力值為Smax=291.9MPa。

圖11 第三種載荷工況應力云圖

4.6下管板應力強度分析

下管板應力強度分析過程與上管板應力強度分析的思路是一致的，具體過程不再贅述，同樣也分為3種工況，其應力最大值分別為：第一種載荷工況(ps=4.5MPa，pt=0，同時計入膨脹變形差)應力最大值為Smax=391.7MPa；第二種載荷工況(ps=0，pt=3.3MPa，同時計入膨脹變形差)應力最大值為Smax=235.3MPa；第三種載荷工況(ps=4.5MPa，pt=3.3MPa，同時計入膨脹變形差)應力最大值為Smax=269.7MPa。

4.7強度評定

按照JB 4732-1995對應力進行線性化處理[2]，由于計入膨脹變形差，所引起的應力無論是薄膜應力還是彎曲應力，都屬于二次應力范疇，只對最大應力強度進行評定，依據為SⅣ<3Sm。具體的應力評定結果見表1。

表1 應力評定結果

由以上應力評定結果可得出：此設備上、下管板結構在各自3種載荷工況下均滿足強度要求，此設備結構是安全合理的。

5 現場運行情況

第一段和第三段的總產汽量，即第二段的過熱蒸汽量，達到設計值(6t/h)要求；工藝氣出口溫度達到設計值要求，工藝氣在第一段出口后，根據過熱汽量的變化由噴水激冷控制工藝氣進入第二段的溫度，第三段出口溫度為350℃。以上數據雖然只是裝置試開車的情況，但也為進一步長周期運行提供了安全保障。

6 結束語

廢熱鍋爐的有限元分析是一項復雜的工作，從力學模型的簡化、邊界條件的確定都需要深入研究，筆者介紹的只是其中的一種處理方法，優點是所做的簡化很少，缺點是模型計算量大。從分析結果和現場運行情況來看，高溫含灰立式的廢熱鍋爐結構是安全合理的，并已獲得了中國專利。它的成功研發和安全運行，有效地解決了高溫含灰氣體的余熱回收問題，為類似設備的工業化和進一步推廣應用提供了參考。

[1] 徐祥.IGCC和聯產發展研究[D].北京：中國科學院工程熱物理研究所，2007.

[2] JB 4732-1995(2005年確認) ，鋼制壓力容器——分析設計標準[S].北京：新華出版社，2005.