電石化工行業聯合熱回收器系統結構分析

李延娜，李勇

（1.蘭州城市學院培黎石油工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

隨著工業的快速發展以及工廠設備的大型化發展，各個工廠對于動力和電力的需求與日俱增，同時工廠產生的廢熱和余熱也隨之增加。對于這些過去廢棄不用的余熱加以重新利用，用其產生壓力蒸汽，作為供熱、供氣、供電以及動力的輔助能源，從而提高熱能的利用率，減少燃料和電力的消耗已成為各國余熱回收研究的重點。聯合熱回收器系統作為一種新型的余熱回收設備，已受到各國越來越多的重視。聯合熱回收器系統由蒸發器、省煤器、汽包等設備組成，利用在化工工業生產過程中產生的廢熱產生蒸汽從而自產電力和動力。由于聯合熱回收器系統利用的余熱不僅是高溫氣體的顯熱，而且還包括某些廢氣中所含的少量可燃物質化學熱能，所以聯合熱回收器系統具有成本低、熱利用率高的優點，是未來余熱回收設備發展趨勢。

1 聯合熱回收器系統研究現狀

1.1 國外研究現狀

自20世紀70年代以來，世界各國余熱回收技術已得到了廣泛應用，同時發展也非常迅速。現階段余熱回收已成為世界性的課題，對全球能源問題有著不可小覷的潛力，受到各國越來越多的重視。聯合熱回收器系統作為現階段開發的一種新型余熱回收設備已被高度的認可。

1.2 國內研究現狀

目前，我國的余熱回收技術已有了卓越的研究成果，但與世界先進水平仍有差距，大部分余熱還沒有被充分利用。余熱回收設備結構的進一步優化、改進已成為現階段我國余熱回收技術研究的重點及難點。聯合熱回收器系統作為一種新型的余熱回收設備，正在被越來越廣泛地應用。

2 聯合熱回收器系統結構分析

聯合熱回收器系統由蒸發器、省煤器、汽包等設備組成，總體布置在氣化系統的框架上，采用立式塔型結構，是一臺自然循環的余熱回收鍋爐。首先，高溫煙氣從聯合熱回收器系統的入口由上向下，依次經過蒸發器、省煤器最終從下部側面排出，進入后部裝置。同時，鍋爐給水通過給水泵進入省煤器預熱后再進入汽包，然后經下降管進入蒸發器。最后，在蒸發器中換熱產生的蒸汽通過上升管回到汽包，經汽包內部裝置進行汽水分離后，水重新進入下一輪循環，而分離出的飽和蒸汽可以推動蒸汽輪機發電，也可用于生產過程的加熱或供生活取暖。

2.1 蒸發器結構

聯合熱回收器系統中的蒸發器采用立式火管結構，高溫煙氣走管程，冷卻水走殼程，同時，來自氣爐的高溫煙氣溫度高達980℃左右，其在管內縱向沖刷。

（1）管板結構。管板作為蒸發器核心部件，尤其是工藝氣入口端的管板，由于承受管程與殼程較大的溫度和壓力載荷，導致其不僅要滿足管程與殼程壓力作用下的強度要求，還要滿足管板自身的熱應力要求以及由管束與殼體熱膨脹差引起的熱應力要求，因此，為了減少蒸發器在操作過程中的溫差應力，提高設備運行的可靠性，聯合熱回收器系統在結構設計上采用了如圖1所示的撓性薄管板結構。

圖1 撓性薄管板局部結構圖

從圖1可以看出，與常規管板相比，撓性薄管板由中間管板和管板肘節兩部分組成，中間管板與管板肘節采用平滑對接焊。同時，中間管板采用折邊平底封頭形式，而管板肘節采用特殊的鍛件結構，外圓周有較大的圓弧過渡段，其既對管板邊緣結構有加強作用，又增加了管板撓性，有利于補償管殼程的溫差。此外，管板肘節使管板與管程、殼程很好地連接起來，避免了應力集中，不僅使管板減薄，而且使管板與連接周邊有較大柔性，改善了管板的受力狀況，又使鍛件重量減少，節約了成本。最后，撓性薄管板結構按應力分析法設計，在滿足強度要求的前提下，管板盡量要薄，而且越薄越好。

（2）熱防護結構。撓性薄管板的高溫側處于高溫氣體入口端，存在高速高溫煙氣的熱沖擊，必須采取良好的熱防護措施，否則，管板和管口焊接處很容易因熱疲勞、熱應力和高溫氣體腐蝕而損壞，因此，為了減少高溫氣體入口端換熱管的熱膨脹，保護換熱管免受高溫氣體沖蝕，聯合熱回收器系統在每根換熱管入口端設置了如圖2所示的保護套管，同時在高溫側砌筑了75～100mm耐火襯里。

圖2 煤氣入口局部結構圖

從圖2可以看出，保護套管的材質為剛玉，耐高溫、耐沖刷。同時，采用承插式結構，將剛玉套管插入每根換熱管的管頭，保護了換熱管與管板的連接焊縫。此外，在剛玉套管與換熱管之間用陶瓷纖維紙填充，阻止高溫煙氣在管頭部位與換熱管直接接觸，減少了溫差應力。最后，耐火襯里避免了由于高溫氣流直接沖刷管板以及管頭部位而造成的管板及管頭損壞。最終，采用以上措施降低了管板實際溫度，同時對材料要求也隨之降低。

（3）換熱管與管板焊接結構。聯合熱回收器系統的換熱管與管板之間采用新型焊接結構，如圖3所示。此種焊接結構徹底解決了換熱管與管板之間的間隙腐蝕，從根本上避免了由于間隙腐蝕而造成的管頭泄漏問題。同時，在換熱管與管板的焊接處倒R3～5的圓角，有效降低了換熱管和管板連接處焊縫的應力集中。此外，由于此種焊接結構要求在管板上的開孔較大，導致布置換熱管時，在充分滿足強度要求的前提下，采用了較大的管間距，有效地降低了高溫端的熱負荷，且保證了殼體內水汽流動暢通，改善了高溫水循環特性，增加了設備運行的安全性。最后，換熱管與管板采用的角焊縫焊接結構，降低了制造難度，減少了焊接量。

2.2 省煤器結構

圖3 換熱管與管板焊接結構圖

圖4 蛇形管防磨裝置結構圖

省煤器是安裝于聯合熱回收器系統尾部煙道下部用于回收余熱的設備之一，其吸收低溫煙氣的熱量，將鍋爐給水加熱成汽包壓力下的飽和水，既提高了汽包給水溫度，減小了汽包壁溫差和熱應力，延長了汽包使用年限，又降低了煙氣的排煙溫度，節省了能源，提高了效率。

（1）省煤器管束。聯合熱回收器系統的省煤器管束采用立式蛇形管結構，蛇形管采用橫向順列布置，每排管束的端部均有180o彎頭，能夠有效地吸收管束內部冷流體與外部煙氣由于溫差產生的熱膨脹。同時，橫向布置支吊比較容易，且受到磨損的換熱管數量較少，因此防護和維修簡單。此外，由于煙氣流速過大，氣體含塵量大，橫流沖刷換熱管壁會造成腐蝕，但如果流速過小，又容易積灰搭橋，因此在省煤器蛇管組的上、下端分別設置一組聲波吹灰器，以保證設備運行的安全性。

（2）蛇形管防磨裝置。由于省煤器煙氣入口端氣流速度較高，氣流中的灰粒子對換熱管迎風面的沖刷碰撞較為嚴重，因此，聯合熱回收器系統省煤器在前兩排換熱管迎風受熱面布置了防磨蓋板，且防磨蓋板與換熱管之間點焊連接，如圖4所示。蛇形管防磨裝置使煙塵主要對防磨蓋板進行磨損，對蛇形管起到了保護作用，延長其使用壽命，而且由于防磨蓋板的成本低，降低了整個省煤器的運營成本。

（3）集合管。聯合熱回收器系統的省煤器在進出口采用集合管與換熱管連接。同時，考慮到換熱管與集合管的熱膨脹效應，集合管一端采用滑動鞍座支撐，一端為自由膨脹端，此種結構有效減小了集合管與換熱管焊接接頭處的應力，使焊縫免遭破壞。此外，為了避免由于管箱筒體直接與高溫氣體接觸造成的管箱局部溫差應力，在筒體與集合管的連接處設計了保護套管，且在保護套管與集合管之間的間隙填充了陶瓷纖維繩，有效降低了省煤器管箱筒體溫度，如圖5所示。

圖5 集箱連接及密封結構圖

2.3 汽包

聯合熱回收器系統的汽包布置在氣化裝置頂部，且汽包標高與蒸發器高點的落差要大于3m。從蒸發器出來的汽水混合物通過上升管引入汽包內部，首先，汽水混合物通過利用改變流動方向時的慣性進行慣性分離的一次分離元件汽水旋風分離器進行分離；接著，由于被汽水旋風分離器分離出的蒸汽仍帶有不少水分，因此帶有部分水分的蒸汽從汽水旋風分離器的頂部進入二次分離元件波形板分離器，帶有部分水分的蒸汽在波形板分離器絲網除沫器間的縫隙中流動，從而使水黏附在金屬壁面上形成水膜往下流。最后，經過兩次分離，產生的潔凈蒸汽被用來發電或生活供暖，而分離出來的水則通過下降管返回至蒸發器被二次利用。

汽包采用懸吊的方式固定，此種固定方式可以使汽包有足夠的撓性。由于汽包下部有下降管，上部有省煤器進水管、蒸發器汽水混合物上升管以及飽和蒸汽引出管等，當這些連接管受熱膨脹時，都會對設備產生附加應力，因此汽包用撓性支架，可以減少上述附加應力。

3 聯合熱回收器系統未來發展方向

隨著工廠產生的廢熱和余熱越來越多，聯合熱回收器系統將會越來越廣泛地應用于各個領域，成為未來余熱回收設備的發展趨勢。聯合熱回收器系統是一種全新的設計理念，是余熱回收設備的重大突破。未來關于聯合熱回收器系統的研究將會更多地集中于對其蒸發器結構的進一步優化，使其既能滿足大型化要求，同時還能節約成本，提高廢熱的利用率。

4 結語

近年來，我國大力開展余熱回收技術的研究，導致聯合熱回收器系統在化工行業中的應用，尤其是電石化工行業中的應用得到了高度重視，但其尚處于起步階段，未來有著廣闊的發展前景。由于聯合熱回收器系統運行條件苛刻，使其在實際應用中面臨很大的技術難題，因此，對其不斷進行優化、改進，才能使其更加長久地適應市場需求。