直接利用蘭炭顯熱發電鍋爐技術的研究

白林波

（江西四冶鋼結構有限責任公司）

直接利用蘭炭顯熱發電鍋爐技術的研究

白林波

（江西四冶鋼結構有限責任公司）

本文詳細地介紹了一種利用高溫蘭炭顆粒流與膜式受熱面直接進行熱交換，產生較高溫度和較高壓力的蒸汽進行發電的一種余熱鍋爐的研發設計過程；同時介紹了通過實驗方法確定的蘭炭表觀導熱系數以及通過流體分析軟件模擬計算確定的余熱鍋爐各節點蘭炭溫度和各受熱面平均傳熱系數。

蘭炭顯熱；直接利用；余熱鍋爐；蘭炭表觀導熱系數

1 蘭炭及蘭炭顯熱利用方法

蘭炭又稱半焦、焦粉，是利用神府煤田盛產的優質侏羅精煤塊燒制而成的，作為一種新型的炭素材料，以其固定炭高、比電阻高、化學活性高、含灰份低、鋁低、硫低、磷低的特性，逐步取代冶金焦而廣泛運用于電石、鐵合金、硅鐵、碳化硅等產品的生產，成為一種不可替代的炭素材料。蘭炭結構為塊狀，粒度一般在40mm以下，顏色呈淺黑色。

蘭炭的生產多以低溫干餾為主，低溫干餾是指在隔絕空氣或者非氧化氣氛下將煤加熱，最終得到焦油、煤氣和蘭炭的工藝過程。干餾溫度一般在600℃左右，低溫干餾生產的蘭炭溫度大約為500～600℃，需要將該溫度下的蘭炭冷卻至250℃以下。傳統冷卻蘭炭的方法有：水激冷法和干熄焦法。水激冷法是指將冷水噴淋到蘭炭上，迅速降低蘭炭的溫度。該方法的優點是冷卻速度快，缺點是需要消耗大量的冷水并產生蒸汽污染環境，并且生產的蘭炭含水量較高（可達20%以上），蘭炭利用的時候需要再次干燥而耗費巨大的能量。干熄焦法是將蘭炭投入干熄焦爐，通入低溫的惰性氣體，冷卻蘭炭。該方法的優點是：惰性氣體作為中間載體用于冷卻高溫蘭炭，惰性氣體被加熱至較高溫度并被用作余熱鍋爐的熱源；該方法的缺點是：余熱利用系統采用惰性氣體作為熱載體，在傳輸過程中熱損失較大，并且干熄焦余熱利用系統比較復雜，風機等設備的電耗較高，系統運行和維護費用較高。

針對蘭炭顯熱利用中存在的以上問題，采用蘭炭顆粒流與鍋爐膜式壁直接進行熱交換的方法將是一種更為有效的熱利用方法。該方法原理為：蘭炭顆粒緩慢流過鍋爐膜式壁，蘭炭蘊含的熱量通過熱傳導將自身的熱量傳遞給換熱管壁，進而傳遞給管內的工質水或蒸汽，產生較高溫度和較高壓力的蒸汽進行發電。該方法具有顯著的優點，既能達到熄焦的目的，又能高效傳熱，比較有效地利用了蘭炭顯熱。

基于以上理念，鄭州某鍋爐制造廠家為曹妃甸某蘭炭生產企業研發設計了一臺直接利用蘭炭余熱產生中溫中壓蒸汽用來發電的鍋爐。

2 直接利用蘭炭顯熱發電鍋爐設計依據

1）進口固體顆粒流量：140t/h。

2）進口固體顆粒直徑：50目～30mm。

3）進口固體顆粒溫度：550～600℃。

4）額定蒸發量：20t/h。

5）額定蒸汽壓力：3.82MPa。

6）額定蒸汽溫度：400℃。

7）給水溫度：104℃。

8）排污率：2%。

9）出口固體顆粒溫度：小于215℃。

10）鍋爐效率：大于55%。

3 余熱鍋爐結構簡介

鍋爐采用單鍋筒橫置式的自然循環水管鍋爐，高溫固體顆粒從上部進料口往下進料，依次經過過熱器、對流管束、省煤器、軟水加熱器后落入物料回收設備，如下圖所示。

圖 余熱鍋爐結構

鍋筒規格為φ1400×42，材料為Q245R（GB713）。

過熱器采用φ32×4的鍋爐管，材料采用12Cr1MoVG（GB5310），可耐580℃的管壁溫度，而物料進口溫度僅為550～600℃，管子的安全性可以充分保證。過熱器管束采用順列布置，橫向間隔90mm，縱向間隔100mm，做成膜式結構。鍋筒飽和蒸汽經過飽和蒸汽連接管接入過熱器進口集箱，經過熱器管束過熱后由過熱器出口集箱上的主蒸汽出口閘閥接入用戶發電設備。過熱器出口集箱上設有噴水減溫器，可以保證蒸汽參數。過熱器進口集箱為φ159×10，材料采用20（GB3087），出口集箱φ159×10，材料采用15CrMoG（GB5310），可耐熱550℃的管壁溫度，從而保證安全。

對流管束兩級布置，兩級均采用φ42×4的鍋爐管，材料采用20（GB3087），橫向沖刷順列布置，橫向間隔100mm，縱向間隔160mm，省煤器蛇形管采用膜式結構，從而大大提高受熱面積，鍋水經鍋筒下部集中下降管分別接入每一級對流管束下集箱，受熱后，汽水混合物經導汽管進入鍋筒。經水動力計算，對流管束循環倍率5.1倍，循環流量102.7t/h，重位壓差可以克服流動阻力，水循環安全可靠。

省煤器采用φ32×4的鍋爐管，材料采用20（GB3087），橫向沖刷順列布置，橫向間隔90mm，縱向間隔100mm，蛇形管采用膜式結構，有效提高受熱面積，除氧器來水經過給水母管接入省煤器進口集箱。給水經省煤器管束加熱后經省煤器出口集箱通過給水連接管引入鍋筒。

軟水加熱器采用φ32×4的鍋爐管，材料采用20（GB3087），橫向沖刷順列布置，橫向間隔90mm，縱向間隔100mm，蛇形管采用膜式結構，有效提高受熱面積，除鹽水經過軟水加熱器加熱后進入除氧器。

4 關鍵技術的解決

（1）進料均勻性問題

由于系統結構所限，余熱鍋爐進料口直徑只有500mm，而受熱面截面尺寸為6000mm×6000mm，下落高度只有2.2m，為保證進料均勻，在2.2m的高度上設置多層擋板，采用落料層層分流的方式來保證進料均勻。同時配有料位檢測裝置監控料位。

（2）出料均勻性問題

只有保證進出料均勻，才能保證蘭炭顆粒在受熱面中均勻流動，不留死角，所以在鍋爐底部均勻布置了16臺出料機，出料機料倉的斜角大于蘭炭的自然堆積角，保證出料均勻暢通無死區，出料速度通過控制出料機的電機頻率來保證。

（3）鍋爐密封性問題

由于蘭炭顆粒中含有煤氣，壓力3000～5000Pa，所以在使用過程中絕對不能漏氣。該鍋爐采用的是管箱結構，外側板設計時考慮了密封和膨脹，鍋爐運行前必須做氣密性實驗。

（4）蘭炭表觀導熱系數和各受熱面傳熱特性的確定問題

我公司委托西安交通大學鍋爐研究所通過實驗研究確定蘭炭表觀導熱系數和該鍋爐各受熱面的傳熱特性。

根據西安交通大學鍋爐研究所研究報告《測量蘭炭表觀導熱系數實驗報告及余熱鍋爐換熱數值模擬計算》，100～500℃范圍內蘭炭表觀導熱系數見表1。

根據鍋爐設計結構，由于蘭炭顆粒流速很低，假定蘭炭顆粒在計算單元內靜止不動，不計算顆粒的流動，只計算熱傳導，通過流體分析軟件GAMBIT建模分析計算，確定余熱鍋爐各節點蘭炭溫度和各受熱面平均傳熱系數見表2。

另外實驗還對橫向間距、縱向節距、鰭片厚度、管徑對受熱面換熱性能的影響做了研究，得出下面結論：

隨著橫向節距的減小、縱向節距的減小、鰭片厚度的增大、管徑的增大均有利于蘭炭的換熱，增強蘭炭的冷卻效果。

減小橫向間距和縱向節距可以增強換熱效果，但是橫向間距和縱向節距不能無限小。在設計余熱鍋爐時，要在保證蘭炭能夠正常流動的前提下，盡可能地減小橫向間距，縱向節距由公司彎管工藝確定，盡可能小。

較厚的鰭片有利于余熱鍋爐的換熱，但是鰭片過厚會使鍋爐的耗鋼量變得很大，投資較大，因此要在成本增加不大的情況下，選用較厚的鰭片。

受熱面管徑的尺寸越大，換熱效果越好，但管徑尺寸對換熱效果的影響較小，因此在設計時，應主要考慮管內工質的流動阻力較小并且管外通道足以保證蘭炭顆粒流的正常流動即可。

表1 蘭炭表觀導熱系數

表2 余熱鍋爐各節點蘭炭溫度和各受熱面的平均傳熱系數

5 結束語

解決了以上關鍵問題后，我公司于2014年成功地研發了該鍋爐產品，經過制造、安裝、調試，產品性能達到了設計要求。該產品的成功研發為固體顆粒顯熱直接利用提供了一種全新的經驗。

[1]白林波. 造氣爐三廢的處理與綜合利用[J]. 節能，2006（11）:47-49.

[2]劉銀河，等. 測量蘭炭表觀導熱系數實驗報告及余熱鍋爐換熱數值模擬計算[R]. 2014.