燃機尾氣余熱鍋爐的開發設計

(杭州富藍鍋爐容器有限公司，杭州 311402)

0 引 言

天然氣與壓縮空氣混合后進入燃燒室燃燒，高溫高壓煙氣通過燃氣輪機驅動發電機發電，做功后的煙氣溫度仍然高達450～600 ℃，如果直接排放到大氣當中，就會造成能量的損失和環境的污染，如何有效回收利用燃機尾氣余熱是推動節能減排的一項重要研究課題。

1 余熱鍋爐設計要求

正常工況進口煙氣量：100 000 m3/h(標態)(設計工況)

正常工況進口煙氣溫度：450 ℃

進口煙氣成份(體積百分比)：

N2：76.65% O2：16.39% CO2：2.23% H2O：4.73%

出口煙氣溫度：180 ℃±20 ℃

過熱蒸汽壓力：1.5 MPa

過熱蒸汽溫度：240 ℃

設計蒸發量：計算后確定

給水溫度：20 ℃(除鹽軟化水，進入除氧器)

2 余熱鍋爐蒸發量的確定

根據用戶提供的煙氣成份，得出煙氣焓溫值。進口煙氣溫度450 ℃時，煙氣焓值為613 kJ/m3(標態)；出口煙溫180 ℃時，焓值為238.6 kJ/m3(標態)。正常工況下，煙氣可供吸收的熱量為：Q放=(613-238.6)×100000=37 440 000 kJ/h

20 ℃除鹽軟化水經除氧器后水溫為105 ℃，工質由105 ℃、1.55 MPa吸熱后變成1.5 MPa、240 ℃過熱蒸汽，每噸蒸汽所需的熱量為：

Q吸=(i″-i)+λ(i＇-i)=(2894.9-442)+0.05(2792.2-442)=2570.4 kJ/kg

式中，i為105 ℃、1.55 MPa時的未飽和水焓(442 kJ/kg)；i＇為鍋筒壓力為1.55 MPa時飽和蒸汽焓(2 792.2 kJ/kg)；i″為1.5 MPa、240 ℃時過熱蒸汽焓(2894.9 kJ/kg)；λ為鍋爐排污率(5%)。

余熱回收量=Q放/Q吸=37 440 000/2 570.4≈14.565 t/h，考慮到漏風、散熱等因素鍋爐蒸發量確定為14 t/h。

3 鍋爐設計方案的確定

鍋爐采用臥式結構，高溫煙氣經進口煙道進入爐內，從左向右依次經過過熱器、蒸發器1、蒸發器2和省煤器。對流受熱面全部采用螺旋管增加傳熱面積，提高換熱效果。所有受熱面采用錯列布置。圖1為余熱鍋爐本體結構布置圖，表1

為余熱鍋爐熱力計算結果。

圖1 余熱鍋爐本體結構布置圖1.過熱器下聯箱；2.過熱器管組；3.過熱器上聯箱；4.過熱器出口集箱；5.汽包；6—蒸發器汽水引出管組；7.蒸發器1上聯箱8.蒸發器2上聯箱；9—蒸發器下降管組10—省煤器；11.中間煙道1；12.蒸發器2進口集箱；13.蒸發器2下聯箱;14.蒸發器2管組;15.中間煙道2；16.蒸發器1進口集箱；17.蒸發器1下聯箱；18.蒸發器1管組

表1余熱鍋爐熱力計算結果

名 稱煙氣出口溫度/℃工質進口溫度/℃工質出口溫度/℃煙氣平均流速/m·s-1工質流速/m·s-1溫壓/℃傳熱系數W/m2K傳熱量kJ/m3受熱面積/m2過熱器4502012401410239.840.31538.8蒸發受熱面135020120112.2-197.115.2142.11183.4蒸發受熱面221220120111.4-213.913.2180.71577.8省煤器180105173.511.30.9453.521.144.9998.1

注：進口煙溫450 ℃；煙氣量：100 000 m3/h(標態)；效率=70%

4 余熱鍋爐結構布置分析

4.1 過熱器

因過熱器出口溫度要求不高，只需達到240 ℃即可，所以過熱器管束采用縱向兩排管束錯列布置，橫向節距S1=120 mm，縱向節距S2=90 mm，材質為15CrMoG。螺旋鰭片節距取12 mm，鰭片高度7 mm，根據空間布置高度限制過熱器螺旋鰭片管長度取3 520 mm，過熱器區域的煙氣流速取14m/s，過熱器中的工質速度控制在10 m/s左右。如圖2所示。

圖2 過熱器

4.2 蒸發受熱面

煙氣經過過熱器后進入蒸發受熱面，因煙氣流量大，需要布置較多的蒸發受熱面，由初步熱力計算可知蒸發受熱面需要布置2 700～2 800 m2的面積，為此蒸發受熱面分兩組布置。每組蒸發受熱面與鍋筒之間由下降管組和汽水引出管組連接，形成獨立的自然循環回路，每組蒸發受熱面由多根小直徑螺旋鰭片管并聯組成，結構上全部采用垂直布置，可以防止汽水分層。

每組蒸發受熱面對流管束的布置根據煙氣流速和上升管的截面積來布置，橫向節距S1=120 mm，縱向節距S2=90 mm，材質為20(GB/T3087)。螺旋鰭片節距取6 mm，鰭片高度22 mm，根據空間布置高度限制蒸發受熱面螺旋鰭片管長度取3 610 mm，煙氣流速取12 m/s，這樣橫向每排可以布置17根φ45 mm×3.5 mm螺旋鰭片管。

蒸發受熱面1初步按1 200 m2進行布置，每根螺旋鰭片管受熱面計算得出5.98 m2，計算蒸發受熱面需要布置根數為1200/5.98=200.6，然后根據結構空間進行圓整得出縱向布置12排共計198根受熱面管。蒸發受熱面1結構布置如圖3所示。

圖3 蒸發受熱面1

根據《鍋爐機組水力計算標準方法》中推薦值，下降管與上升管的截面比可取fxj/fs=0.25～0.35，汽水引出管與上升管截面比可取fyc/fs=0.35～0.45。蒸發受熱面1上升管截面積fs=π×(0.0382/4)×198=0.224 5 mm2，下降管截面積fxj=0.3fs=0.067 35 mm2，汽水引出管截面積fyc=0.4fs=0.089 8 mm2。

每橫向兩排螺旋鰭片管上端與φ133 mm上聯箱聯通，上聯箱通過汽水引出管組與鍋筒連接。每橫向兩排螺旋鰭片管下端與φ133 mm下聯箱聯通，下聯箱通過兩短管分別連通兩根φ219 mm進口集箱，進口集箱再通過下降管組與鍋筒形成循環回路。汽水引出管根據截面積計算值fyc取φ108 mm共12根，均布在上聯箱上端。下降管根據截面積計算值fxj取φ159 mm共4根，均布在進口集箱下端。

蒸發受熱面2按1 580 m2進行布置，按每根螺旋鰭片管受熱面5.98 m2，計算蒸發受熱面需要布置根數為1 580/5.98=264.2，然后根據結構空間進行圓整得出縱向布置16排共計264根受熱面管。蒸發受熱面2結構布置如圖4所示。

圖4 蒸發受熱面2

蒸發受熱面2上升管截面積fs=π×(0.0382/4)×264=0.299 4mm2，下降管截面積fxj=0.25fs=0.074 85 mm2，汽水引出管截面積fyc=0.4fs=0.119 76 mm2。汽水引出管取φ108 mm共16根，下降管取φ159 mm共4根進行布置。這樣二組蒸發受熱面結構布置完畢。

蒸發受熱面通過上下聯箱支撐在鋼架上，考慮到受熱面管高度較高，沿著高度方向布置了兩道中間支撐，采用在每根螺旋鰭片管外加套管的方式進行固定，同時保證高度方向蒸發受熱面管可以上下膨脹移動。

4.3 省煤器

省煤器蛇形管由φ38 mm×3 mm螺旋鰭片管組成，結構上采用錯列逆流布置，橫向節距S1=120 mm，縱向節距S2=60 mm，材質為20(GB/T3087)。螺旋鰭片節距取6 mm，鰭片高度16 mm，根據空間布置高度限制蒸發受熱面螺旋鰭片管長度取2 030 mm，煙氣流速控制在11 m/s左右，這樣橫向每排可以布置24根螺旋鰭片管。按照《工業鍋爐設計計算標準方法——層狀燃燒及流化床燃燒工業鍋爐熱力計算方法》A5.8的要求，鋼管省煤器中的水速不應低于0.3 m/s，省煤器中間集箱中間裝1塊隔板，進出口集箱裝2塊隔板，如圖5所示，這樣布置省煤器管內流速可以達0.94 m/s，從而保證省煤器安全運行。

圖5 省煤器流程圖

5 鍋爐結構特點

(1)鍋爐結構緊湊，占地面積小。

(2)對流受熱面選用螺旋鰭片管錯列布置，設計合理的管組間距，選取合理的的煙氣流速來提高傳熱效率。省煤器采用逆流布置，保證較高的傳熱溫壓，省煤器管內保持較高的流速防止汽化現象發生。

(3)蒸發受熱面管束全部采用垂直布置，可以防止汽水分層，下降管和汽水引出管不受熱，可以保證有較好的自然循環特性。

6 結束語

余熱鍋爐受熱面布置比較合理，排煙溫度控制在180 ℃,熱效率高達70%，設備經濟性較好。