“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐的設計探討

何上俊

（佛山市科能鍋爐制造有限公司，廣東佛山528216）

“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐的設計探討

何上俊

（佛山市科能鍋爐制造有限公司，廣東佛山528216）

介紹了“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐的結構特點，著重分析了熱力計算，提出了不同于JB/T 7603-94《煙道式余熱鍋爐設計導則》的煙氣側放熱量的計算式，說明了鍋爐的運行特點。

煙道式余熱鍋爐；結構；熱力計算；運行

1 前言

許多冶金工業(yè)的生產工藝過程中，需要經過退火處理，熱處理爐所排放的煙氣溫度很高，攜帶的熱量巨大，有必要將此熱量回收利用，而余熱鍋爐在煙氣余熱回收領域中得到廣泛應用。余熱鍋爐主要有三種結構形式，即煙道式、管殼式、煙道與管殼組合式余熱鍋爐。筆者曾根據以天然氣為燃料的退火爐所排放的煙氣，設計了小系列的煙道式余熱鍋爐。在設計過程中，熱力計算采用了JB/T 7603-94《煙道式余熱鍋爐設計導則》及《層狀燃燒及流化床燃燒工業(yè)鍋爐熱力計算方法》。本文以QC25/750-2-1.0型煙道式余熱鍋爐為例，介紹“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐（配鋼管省煤器）的設計及運行，著重介紹了熱力計算，提出了不同于JB/T 7603-94《煙道式余熱鍋爐設計導則》的煙氣側放熱量的計算式。

2 鍋爐基本參數

額定蒸發(fā)量D：2 t/h

額定工作壓力P:1.0 MPa

額定蒸汽溫度tj:(飽和)184℃

給水溫度tgs:20℃

余熱煙氣流量V0:25000 m3/h

余熱煙氣溫度υy:759℃

冷空氣溫度tl.a:30℃

排熱溫度tpy:181℃

排煙處過量空氣系數α:1.07

排污率:5%

余熱利用率η:72.35%

結構形式:雙縱鍋筒＋對流管束＋省煤器

3 結構特點

煙道式余熱鍋爐由鍋爐本體、鋼管省煤器、煙道系統組成，鍋爐本體如圖1所示，鋼管省煤器如圖2所示。

鍋爐本體由鍋爐受壓主體、鋼架、爐墻和保溫、煙氣進出口、平臺和扶梯組成。鍋爐受壓主體由上鍋筒、下鍋筒、對流管束組成。

上鍋筒包括前有孔封頭及人孔裝置、后無孔封頭、鍋筒筒體、進水裝置、表面排污裝置、汽水分離裝置、相關管座（主汽閥管座、安全閥管座、放空閥管座、壓力表管座、水位表汽水連管管座）。封頭采用橢球型結構。

下鍋筒包括前有孔封頭及人孔裝置、后無孔封頭、鍋筒筒體、定期排污裝置。

圖1 鍋爐本體

圖2 鋼管省煤器

對流管束布置在上鍋筒與下鍋筒之間。基于兩方面的考慮，①本余熱鍋爐所回收的是退火爐燃燒天然氣所產生的煙氣，不存在積灰，一般情況下無需吹灰，②在流速、管徑相同時，煙氣橫向沖刷錯列管束的對流放熱系數最高，故此，對流管束采用錯列布置。

鋼架由鍋爐底座、鍋爐支架組成。

爐墻由里到外依次為耐火磚、珍珠巖保溫層、輕質磚。對流管束內有二幅耐火磚墻，將煙氣分為3個流程。上、下鍋筒的非管排區(qū)由珍珠巖保溫層進行保溫。

煙氣進出口分別開在前后爐墻上，由鋼板制成，與鍋爐鋼架焊接固定，外置一個由角鋼制成的長方形法蘭，以便與煙道相連接。

鍋爐扶梯采用爬梯形式，爐頂設置一個平臺以便操作。

鋼管省煤器由進口集箱、蛇形管、出口集箱、管夾裝置、外殼組成。

整個余熱鍋爐的煙道系統包括主煙道和旁路煙道。

主煙道從退火爐排煙口開始，經膨脹節(jié)、主擋板、余熱鍋爐、鋼管省煤器、引風機至煙囪，煙道外包保溫。

旁路煙道從旁路煙道口（位于主擋板前的主煙道上）開始，經旁路擋板直接至煙囪，煙道外包保溫。

鍋爐本體的結構簡單，制造及裝配工藝也簡單，所耗工時較短。傳熱系數高，整體尺寸較小，鋼材耗量較少。漏風少，余熱利用率高。鍋爐本體整裝出廠，安裝方便、快捷。

4 熱力計算

熱力計算依據JB/T 7603-94《煙道式余熱鍋爐設計導則》（以下簡稱《導則》）及《層狀燃燒及流化床燃燒工業(yè)鍋爐熱力計算方法》（以下簡稱《方法》）進行計算。

4.1 鍋爐規(guī)范

鍋爐規(guī)范請參看鍋爐基本參數。

4.2 客戶提供的余熱煙氣數據及三原子氣體容積百分比計算，見表1。

表1 余熱煙氣數據及三原子氣體容積百分比計算

4.3 余熱煙氣特性計算

按照《導則》6.1.2.1式6-1，總的煙氣量取進入余熱鍋爐的煙氣量、余熱鍋爐漏風量、吹灰介質的容積、輔助燃燒裝置產生的煙氣量之和，但因為本余熱鍋爐所回收的是退火爐燃燒天然氣所產生的煙氣，不存在積灰，不用吹灰，故不必計入吹灰介質的容積；又因為本余熱鍋爐不設置輔助燃燒裝置，故也不必計入輔助燃燒裝置產生的煙氣量。故此，本余熱鍋爐總的煙氣量等于進入余熱鍋爐的煙氣量與余熱鍋爐漏風量兩項之和。

余熱鍋爐漏風量為漏風系數與進入余熱鍋爐的煙氣量的乘積。

受熱面出口煙氣量等于入口煙氣量加上漏風量，受熱面平均煙氣量取入口煙氣量和出口煙氣量的算術平均值。

表2 余熱煙氣特性表

4.4 每標準立方米煙氣的焓的計算

按照《導則》6.1.2.2式6-2，余熱鍋爐總的煙氣的焓取煙氣的焓、煙塵的焓、冷空氣的焓之和，對于本余熱鍋爐，煙氣不含塵，故總的煙氣的焓取煙氣的焓、冷空氣的焓兩項之和。

煙氣的焓按《導則》式6-3計算，對于本余熱鍋爐，煙氣的焓等于煙氣中各組成氣體CO2、H2O、SO2、N2、O2及空氣的焓的和。

煙氣中各組成氣體的焓按《導則》式6-4計算，為某氣體的容積、煙溫、該煙溫下某氣體的定壓比熱三者的乘積。需要指出的是，在計算空氣的焓時，空氣容積取Va=1 m3，因為煙氣的焓是按每標準立方米煙氣計算的，而余熱鍋爐漏風量為漏風系數與進入余熱鍋爐的煙氣量的乘積。

1 m3冷空氣的焓取空氣在30℃時的空氣焓，Ⅰl.a=38.94 kJ/m3。

焓溫表可參照下表3格式制作。

4.5 煙風關系

煙風關系如圖3，顯示了本余熱鍋爐的熱力計算中余熱煙氣和漏風的溫度、流量、焓值以及煙氣放熱量、工質吸熱量之間的關系。

注：本圖部分數據取自下文4.8、4.9的計算。

4.6 鍋爐熱平衡計算

（1）鍋爐入爐熱量按《導則》式6-7進行計算：參看上圖3，鍋爐入爐熱量包括余熱煙氣和漏風帶入的熱量，余熱煙氣帶入的熱量等于進入余熱鍋爐的煙氣量與750℃時的煙氣焓的乘積，而漏風帶入的熱量等于進入對流管束及鋼管省煤器的漏風量的總和乘以冷風焓。

（2）鍋爐各項熱損失及余熱利用率的計算：鍋爐熱損失包括排煙熱損失q2及散熱損失q5。

（3）余熱鍋爐蒸發(fā)量的計算：《導則》6.1.5提供了式6-15計算蒸發(fā)量，需要指出的是，若要考慮蒸汽濕度的因素，則公式應變?yōu)椋ū疚陌创耸接嬎悖?/p>

式中，D：鍋爐蒸發(fā)量kg/h

Q′：進入余熱鍋爐的熱量kJ/h

η：余熱利用率%

W：蒸汽濕度,一般取3%

ρsw：排污率,一般取5% iss：飽和蒸汽焓kJ/kg isw：飽和水焓kJ/kg ifw：給水焓kJ/kg

4.7 對流受熱面煙氣側放熱量的計算式

表3 每標準立方米煙氣的焓溫表

圖3 煙風關系圖

（1）《導則》6.1.8.1提供了式6-35計算煙氣側放熱量，在實際運用時，通過計算和比較，本文根據煙風關系圖（上圖3），另提出一個煙氣側放熱量的計算式：

Q=ψ(V′I′＋Vl.aIl.a-V″I″)

式中：Q--煙氣側放熱量,kJ/h

ψ--保熱系數

V′--受熱面入口處煙氣量,m3/h

I′--受熱面入口處煙氣焓,kJ/m3

Vl.a--受熱面漏風量.m3/h

Il.a--冷風焓,kJ/m3

V″--受熱面出口處煙氣量,m3/h

I″--受熱面出口處煙氣焓,kJ/m3

（2）數據比較：如表4列舉了分別按《導則》式6-35及本文計算式來計算煙氣側放熱量所得數據的比較(注：本表部分煙溫數據取自下文4.8、4.9的計算)。

（3）分析：從圖3可看出，由于存在漏風，受熱面的入口處、出口處的煙氣量是不同的，出口處煙氣量等于入口處煙氣量與漏風量之和。《導則》式6-35明顯是將漏風的因素忽略了，因此計算結果偏差較大。而本文提出的計算式則明確了煙氣側放熱量就等于帶進受熱面的熱量（即煙氣帶入熱量與漏風帶入熱量之和）與帶離受熱面的熱量（煙氣帶離熱量）之差值，再考慮散熱損失的因素。所以，運用本文提出的計算式計算煙氣側放熱量，其計算誤差很小。

4.8 對流管束熱力計算

（1）對應于對流管束，其煙氣側放熱量為：

Q=ψ(VyIy＋Vl.adlIl.a-VydlIydl)

（2）煙氣在對流管束內分三流程，煙氣流通截面積按《方法》式8-21計算。

（3）按《方法》式8-14計算煙氣流速時，分子BcalVg改為Vpdl（對流管束平均煙氣量，其計算公式請看本文表3或圖3）。

4.9 鋼管省煤器熱力計算

（1）煙氣側放熱量為

Q=ψ(VydlIydl＋Vl.asmIl.a-VysmIysm)

（2）計算煙氣流速時，分子BcalVg改為Vpsm（鋼管省煤器平均煙氣量，其計算公式請看本文表3或圖3）。

（3）按《方法》附錄A5.8，鋼管省煤器管內水速不應低于0.3 m/s。

4.10 誤差校核

表4 按《導則》式6-35及本文提出的計算式計算煙氣側放熱量的誤差比較

按要求進行熱力計算誤差校核。

5 煙氣流動特點

從退火爐出來的高溫煙氣有兩路途徑可供選擇：一路走主煙道：從退火爐排煙口經膨脹節(jié)、主擋板，到達余熱鍋爐進煙口，進入余熱鍋爐對流管束第Ⅰ回程，然后折回對流管束第Ⅱ回程，再折回對流管束第Ⅲ回程，從余熱鍋爐出煙口出來，經煙道進入鋼管省煤器，最后由引風機抽引至煙囪排入大氣。煙氣在整個流動過程中，先橫向沖刷錯列的對流管束，再橫向沖刷順列的省煤器蛇形管，產生的阻力由引風機克服。另一路走旁路煙道：從旁路煙道口（位于主擋板前的主煙道上）開始，經旁路擋板直接至煙囪，然后排入大氣。

6 運行特點

“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐（配鋼管省煤器）運行的關鍵在于對“主煙道擋板”及“旁路煙道擋板”的控制。該項控制有“手動”及“自動”兩種選擇，一般情況下，在鍋爐啟動或停爐時，選擇“手動”，而在鍋爐正常運行調節(jié)時，選擇“自動”控制。

選擇“自動”控制的信號源取自鍋爐蒸汽壓力。首先設定一個蒸汽壓力值以及蒸汽壓力波動范圍，使“主煙道擋板”及“旁路煙道擋板”的動作（開大或關小）始終圍繞著蒸汽壓力設定值，確保蒸汽壓力在設定的波動范圍內上下波動。

運行過程中，司爐人員要認真填寫運行記錄，每小時記錄一次鍋爐運行各參數：余熱煙氣溫度、余熱煙氣流量、排煙溫度；給水溫度、給水流量；汽包蒸汽壓力、蒸汽流量；鍋水堿度、溶解固形物；排污量；檔板位置、執(zhí)行電機電流等。

QC25/750-2-1.0型煙道式余熱鍋爐已使用多年，退火爐滿負荷時，鍋爐的實際蒸發(fā)量約1900～2000 kg/h，排煙溫度約180℃左右，與熱力計算結果基本相符。同系列其它型號的煙道式余熱鍋爐的運行使用皆取得較滿意的結果。

7 結論

（1）進行“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐（配鋼管省煤器）的熱力計算時，①繪制“煙風關系圖”對計算有很大幫助，②采用本文提出的煙氣側放熱量的計算式Q=ψ(V′I′＋Vl.aIl.a-V″I″)比《導則》式6-35能得到更準確的計算結果。

（2）鍋爐運行的關鍵在于對“主煙道擋板”及“旁路煙道擋板”的控制。

“雙縱鍋筒＋對流管束”煙道式余熱鍋爐（配鋼管省煤器）系列產品在多年的實際使用中，其運行數據與熱力計算結果基本相符。

[1]北京鋼鐵設計研究總院.JB/T 7603-94《煙道式余熱鍋爐設計導則》[S].1995.

[2]《工業(yè)鍋爐設計計算方法》編委會.工業(yè)鍋爐設計計算方法[M].北京：中國標準出版社，2005.

A Discussion on the Design of Flue Type Waste Heat Boiler with“Double Longitudinal Drum+Convection Tube Bundle”

He Shangjun
（Foshan Keneng Boiler Manufacturing Co.,Ltd.,FoShan,Guangdong 528216,China）

The structural characteristics of the flue type waste heat boiler with“double longitudinal drum＋convection tube bundle”are introduced,the thermodynamic calculation is emphatically analyzed,a calculation formula of heat release on the flue gas side different from the JB/T 7603-94 Flue Type Waste Heat Boiler Design Guideline is put forward and operation characteristics of the boiler are described.

flue type waste heat boiler;structure;thermodynamic calculation;operation

TK229

B

1006-6764（2015）05-0033-06

2015-01-15

何上俊（1966-），男,1989年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學動力工程系熱能工程專業(yè)，主要從事鍋爐及壓力容器的設計開發(fā)工作。