淺談70 t/h 高溫高壓干熄焦余熱鍋爐設計

李曉琴

（北京巴布科克·威爾科克斯有限公司 北京 100043）

0 引言

干熄焦（Coke Dry Quenching，簡稱CDQ）工藝是相對濕熄焦而言的，是采用惰性氣體將紅焦降溫冷卻的一種熄焦工藝方法。流程為：在干熄爐內，約1 000 ℃的紅焦通過提升機從干熄爐頂部裝入，低溫惰性氣體由循環風機鼓入干熄爐冷卻段紅焦層內，吸收紅焦顯熱，冷卻后約200 ℃的焦炭通過排焦裝置從干熄爐底部排出，從干熄爐環形煙道出來約980 ℃高溫惰性氣體先經過一次除塵器，分離粗顆粒后的循環氣體流經干熄焦余熱鍋爐進行熱交換，鍋爐產生高溫高壓蒸汽，冷卻后約170 ℃惰性氣體經過二次除塵器除塵后，由循環風機重新鼓入干熄爐，惰性氣體在封閉的系統內循環使用［1］。該工藝以其產焦品質優、顯熱利用率高、低污染、節省水資源等特點被廣泛地應用于焦炭的生產過程。

干熄焦余熱鍋爐是干熄焦系統的核心設備。在冷卻循環氣體的同時，產生過熱蒸汽供汽輪機發電。干熄焦余熱鍋爐沒有燃燒系統及伴隨燃燒的輔助設備，其受熱面包括主受熱面和附加受熱面：主受熱面包括過熱器、蒸發器及省煤器；附加受熱面包括膜式水冷壁和懸吊管兩部分［2］。

本文以某煉化有限公司干熄焦余熱綜合利用的高溫高壓干熄焦余熱鍋爐QC179/960-70-9.81/540 為例，介紹其結構及設計特點。

1 設計條件

循環煙氣量：最大178 750 Nm3/h；正常171 600 Nm3/h；

煙氣入口溫度：880 ℃～960 ℃；

煙氣成份：N272%～82%，CO212%～18%，CO＜5%，H2＜2%，O2＜1%；

煙氣含塵量：10 g/Nm3～20 g/Nm3；

煙氣出口溫度：160 ℃～180 ℃；

粉塵的粘結特性：松散粒度，弱粘結性；

焦碳處理量：最大125 t/h；

額定蒸發量：最大70 t/h，正常67 t/h；

蒸發量范圍：50%～100%；

鍋筒工作壓力：10.65 MPa；

過熱蒸汽壓力：9.81 MPa；

過熱蒸汽溫度：（540±5）℃；

鍋爐給水溫度：104 ℃；

鍋爐外表溫度：環境溫度為25 ℃時，≤50 ℃；

鍋爐熱效率：≥80%；

漏風系數：≤0.8%；

總排污：≤2%。

2 鍋爐的特點及其性能

該鍋爐為高溫高壓、自然循環、單爐膛、全鋼構架的塔式單鍋筒煙道式余熱鍋爐。鍋爐采用露天布置，高溫循環煙氣從爐前煙氣進口進入鍋爐，依次流經防磨吊掛管和水冷轉向室、高溫過熱器、低溫過熱器、光管蒸發器、翅片管蒸發器，以及翅片管省煤器后，從鍋爐右側煙道出口排出。在兩級過熱器之間的管路上設置了水平布置的文丘里式噴水減溫器，可以保持良好的混合效果，很好地控制了過熱蒸汽的出口溫度。

鍋爐采用全懸吊結構，鍋筒支撐在鋼架頂板上，水冷壁、吊掛管和入口煙道通過吊桿懸吊于構架頂部的大板梁上，省煤器通過吊掛梁和吊桿懸吊在鋼架上，鍋爐出口煙道單獨吊掛在鋼架上。具體鍋爐布置見圖1。

圖1 70 t/h 高溫高壓干熄焦余熱鍋爐布置圖

2.1 鍋筒

鍋筒規格為Φ1600 mm（內徑）×90 mm，筒身和封頭材料采用P355GH（19Mn6），筒體設有上升管接口、下降管接口、省煤器連接管接口、飽和蒸汽引出管接口、連續排污、緊急放水、平衡容器、雙色水位計、電接點式水位計、安全閥接口、壁溫、壓力測點、充氮接口、備用接口等。

鍋筒內部設有旋風分離器、梯形波形板分離器、清洗孔板、均汽板等多種分離和凈化裝置。汽水混合物切向進入旋風分離器，汽水分離后，蒸汽向上流動，經旋風分離器頂部的梯形波形板分離器進入汽空間進行重力分離，然后蒸汽通過平板式清洗裝置，經給水清洗后的蒸汽再次進入汽空間進行重力分離，最后蒸汽通過鍋筒頂部的均汽板引出鍋筒，進入過熱器。蒸汽引入管處設有緩沖盲板，下降管處設有防下降管帶汽的阻流器，飽和蒸汽引出管設有阻汽盲板。鍋筒支座采用高強度鋼板，滑移平面采用鏡面不銹鋼鋼板，鍋筒方向由中心向兩邊膨脹。

2.2 水冷壁

水冷壁采用由光管和扁鋼焊成全密封的膜式結構，能最大程度上降低漏風率，同時減輕爐墻重量，大大減少鋼架的金屬耗量。由于干熄焦余熱鍋爐特殊的結構布局，膜式壁的管間距比常規電站鍋爐的膜式壁管間距大，水冷壁管規格Φ60 mm×5 mm，材質20 G，管子節距145 mm。由于節距大，扁鋼的冷卻效果較差，故扁鋼材質選用低合金鋼15CrMo［3］。

水冷壁后墻上部向前彎，與側墻組成了煙氣入口，在入口區域由于煙氣溫度高、煙速快，采用耐磨澆注料將膜式壁全部覆蓋。雖然損失了部分受熱面，但是可以最大程度地防止煙氣對膜式壁的磨損［3］。同時在入口處會發生沖擊的后墻管子表面增加了不銹鋼半圓防磨蓋板，考慮到不銹鋼與碳鋼的膨脹率不同，防磨半圓管蓋與膜式壁采用螺栓連接［4］。

左右側墻上集箱獨立，下集箱與后墻水壁下集箱連通。左右側墻上設有多個人孔、測量孔等，現場采用罩殼進行密封。水冷壁未密封處現場采用填板、扁鋼、鋼板、折板或異形板進行密封。

2.3 過熱器

過熱器由高溫過熱器與低溫過熱器組成。高溫過熱器蛇形管規格Φ38 mm×5 mm，材質SA-213T91，順流錯列布置，低溫過熱器蛇形管規格Φ38 mm×4.5 mm，材質12Cr1MoVG，逆流錯列布置。高、低溫過熱器蛇形管兩排為一個吊掛單元，通過吊掛管掛在兩個吊掛管上集箱之下，隨吊掛管在高度方向膨脹，水平方向自由膨脹。為防止磨損，在高、低溫過熱器上部三排列管上，焊有不銹鋼防磨蓋板。為了防止在蛇形管兩端與膜式壁之間形成煙氣走廊，加劇受熱面彎頭處磨損，在靠近彎頭位置的上、下方布置了煙氣擋板，根據工作溫度不同采用不同的材質［5］。

過熱器集箱布置在后墻水冷壁外側，為保證密封效果，過熱器除采用常規的穿管罩殼結構外，還把高低溫過熱器用一個大的密封罩殼進行整體密封，過熱器集箱連接管穿出整體密封罩殼位置設有膨脹節，來吸收膨脹［6］，見圖2。高、低溫過熱器的入口集箱通過螺栓固定在整體密封罩殼的垂撐上，高、低溫過熱器的出口集箱通過限位結構支撐在垂撐上，留有膨脹間隙可水平膨脹，過熱器連接管穿出整體密封罩殼位置設有塔形膨脹節。

圖2 過熱器防磨及密封結構

2.4 蒸發器

蒸發器分為光管蒸發器和翅片管蒸發器。上部光管蒸發器，蛇形管規格Φ38 mm×4.5 mm，材質20 G，逆流錯列布置，含汽率較高的出口管傾斜布置，吊掛形式與過熱器相同。下部翅片管蒸發器，蛇形管光管規格Φ38 mm×4.5 mm，材質20 G，翅片規格1.2 mm×19 mm，材質Q235B，節距12.7 mm，逆流錯列布置。每三片翅片管形成一個吊掛單元，通過合金扁鋼管夾連接，通過吊掛板掛在兩個吊掛管下集箱之下。蛇形管兩端彎頭處上、下方加裝煙氣擋板，穿墻處采用罩殼密封，再與密封箱的鋼板焊接，達到徹底密封的效果，見圖3。

圖3 蒸發器防磨及密封結構

2.5 吊掛管

吊掛管管子規格Φ32 mm×5 mm，材質20 G，分段布設在過熱器、光管蒸發器及吊掛管三個部件中，分別與過熱器、光管蒸發器組裝出廠，其余散件出廠。吊掛管沿鍋爐深度方向布置兩道，寬度方向布置在過熱器及光管蒸發器蛇形管橫向管間。每根吊掛管在穿過蛇形管的兩側，沿蛇形管高度方向焊有支撐板、定位板、定位框來固定吊掛蛇形管，兩排蛇形管與其間的兩道吊掛管為一個吊掛單元。在蛇形管最上面一層和最下面一層采用定位框，其余層采用支撐板與定位板固定，定位框只需在吊掛管其中一道布置，另一道全部采用支撐板與定位板。焊接就位順序為：先在吊掛管上焊接支撐板，然后將蛇形管固定在支撐板上，再在距蛇形管上沿2 mm 處焊接定位板，定位板隔一層焊一層，最后焊接最上面和最下面一層的定位框，最上面一層的定位框頂住管子下沿，最下面一層定位框上下各留4 mm 間隙，定位框水平間隙3 mm。相對于煙氣流程，吊掛管呈現先橫向沖刷后縱向沖刷的混合對流方式，橫向沖刷部分及縱向沖刷高溫段管子均設有360°不銹鋼防磨套管，防磨套管縱向焊縫與煙氣方向垂直，見圖4。吊掛管頂部穿墻密封采用一次密封板及二次密封罩殼的形式，見圖5。

圖4 吊掛管防磨形式

圖5 吊掛管頂部穿墻密封結構

2.6 省煤器

省煤器煙道采用護板結構，上面通過金屬膨脹節與膜式壁下連接煙道相接，下部通過膨脹節與鍋爐出口煙道相接。省煤器管束為螺旋翅片管，光管規格Φ38 mm×4.5 mm，材質20 G，翅片規格1.2 mm×16 mm，材質Q235B，節距8.47 mm，逆流錯列布置。每兩片管束形成一個偏置的吊掛單元，用扁鋼管夾吊掛在加強橫梁上，加強橫梁通過吊桿裝置懸吊在鋼架上。在蛇形管兩端彎頭上、下處加裝煙氣擋板，穿墻管采用罩殼密封，再與密封箱的鋼板焊接，達到徹底密封的效果，結構與蒸發器密封類似。

3 結語

干熄焦余熱鍋爐循環煙氣中含塵濃度10 g/Nm3～20 g/Nm3，雖然不算高，但硬度高、粒徑大，對管束磨損客觀存在。運行中控制煙氣流速在入口區域不超8 m/s，設計時采取必要的措施，使磨損降低到最低限度，同時系統漏風對焦炭質量及系統安全性影響較大。故本文著重從防磨、密封兩方面介紹干熄焦余熱鍋爐受熱面的結構特點，運行證明該余熱爐設計合理，達到了設計參數、滿足系統工藝要求，節能環保。