PDF《再生烟气余热锅炉的设计》

再生烟气余热锅炉的设计 X 徐生荣 ( 南京师范大学动力工程学院, 210042, 南京) [ 摘要] 结合催化裂化再生烟气的特性, 论述了用于这种烟气余热回收的余热锅炉设计特点以及应当注意的问题.

指 出采 用螺旋肋片管可使锅炉结构更为紧凑;

在设计中应充分考虑受热面的积灰、 低温腐蚀和振动问题, 以保证 余热锅炉的正 常运 行. [ 关键词] 余热锅炉, 螺旋肋片管, 低温腐蚀, 积灰 [ 中图分类号] TK229;

[ 文献标识码] B;

[ 文章编号] 1672- 1292( 2002) 02- 0030-

03 某石化公司炼油厂催化裂化工艺中产生的再生烟气, 原送入武汉锅炉厂生产的 CO 锅炉中加以余 热回收. 该锅炉为双汽包横置式中压锅炉, 其受热面由省煤器、 对流管束、 水冷壁及高、 低压过热器组成. 原设计是利用再生烟气中可燃气气体 CO( V = 6. 9%) 在燃料油的补燃下, 回收烟气的显热和化学能. 随 着该厂完全再生技术的应用, 催化裂化烟气中的可燃气体含量降低( CO U 0. 4%) , 回收化学能已无实际 意义. 而是在不补燃的条件下, 将再生烟气直接引入 CO 锅炉, 利用锅炉的原有受热面回收烟气中的显 热. 由于烟气参数与原 CO 锅炉设计条件相去甚远, 只能产生 0.

8 MPa/

200 e 的低压蒸汽 7~

8 t/ h, 造成 了大量的能源浪费. 由于余热锅炉按照实际的烟气参数设计, 能充分回收烟气的热量, 因此国内催化裂化工艺中的 CO 锅炉已逐渐被余热锅炉所取代. 表1余热锅炉设计条件 参数 数值 正常烟气流量/ ( m3 / h* )

100000 最大烟气流量/ ( m3 / h)

126000 平均烟气温度/ e

530 烟气温度范围/ e 510~

550 CO2 含量/ % 16.

0 CO 含量/ % 0.

4 N2 含量/ % 65.

5 O2 含量/ % 3.

0 H2O 含量/ % 15.

0 给水温度/ e

104 给水压力/ MPa 6.

0 过热蒸汽压力/ MPa 3.

9 过热蒸汽温度/ e

430 含尘量/ ( mg/ m3 ) 100~

180 允许烟气阻力/ Pa <

3000 * 本文中的气体体 积若无 特殊说 明, 均为 标 准状态下的体积.

1 余热锅炉的设计条件 表1列出了余热锅炉的设计条件. 在设计再生烟气余热锅炉时, 首先应充分考虑到其特殊性. ( 1) 再生烟气中含有硫氧化物 SOx , 其含量因原料油中的含硫 量不同而不同. 该厂的再生烟气中 SOx 的含量达 1/ 10000. 根据经 验, 再生烟气中 SO3 的含量占 SOx 的总量约 10%. 因而其酸露点 温度可达 130~

150 e , 高于余热锅炉的进水温度

104 e , 有可能造 成低温腐蚀. (2) 再生烟气中含有催化裂化粉尘, 其含尘量在

100 ~

180 mg/ m

3 , 其中 90% 以上粉尘粒度小于 20Lm, 由于分子引力和静电 引力的作用极易附着在受热面上形成松散性积灰, 从而影响传热 效果. ( 3) 余热锅炉处于微正压下运行(

2 000~

3 000 Pa) 炉体密封问题至关重要, 否则烟气外漏, 将污染 周围的环境. 设计中尤其要考虑余热锅炉在启停过程中由于热应力的作用造成的余热锅炉泄漏问题. )

30 ) 第2卷第

2 期2002 年 南京师范大学学报( 工程技术版) JOURNAL OF NANJING NORMAL UNIVERSITY( ENGINEERING AND TECHNOLOGY) Vol.

2 No.

2 2002 X 收稿日期:2001- 08-

301 作者简介: 徐生荣, 1957- , 工学硕士, 南京师范大学动力工程学院副教授, 主要从事锅炉测试、 调试及节能技术改造的研究及教 学 工作. ( 4) 再生烟气的烟温较低( 510~

550 e ) , 而用以生产中压中温蒸汽( 3.

82 MPa/

430 e ) , 两者之间温 差较小, 根据热工学公式: Q = KH $tm, 在一定的传热量 Q 下, 若传热温差 $tm 较小, 必须强化传热以 增加传热系数 K , 但传热系数 K 在对流换热的条件下(例如烟气流速一定), 其增加量受到限制. 因此, 再生烟气余热锅炉的受热面必须采用扩展受热面代替光管以大幅度地增加传热面积 H . 图1余热锅炉布置简图

2 余热锅炉的设计 用于回收再生烟气显热的余热锅炉受 热面应由

3 部分构成: 蒸汽过热器、 蒸发器 和省煤器. 图1为其布置简图. 余热锅炉拟设计为单汽包自然循环锅 炉, 而不采用强制循环. 主要考虑到强制循 环要增加两台热水循环泵( 一台运行, 一台 备用) , 同时还要设置两套供电回路, 以保 证锅炉水循环的安全. 这势必增加投资费 用和运行费用. 采用自然循环, 要将汽包置于较高位置, 以保证蒸发器中汽水混合物有足够的有效压头, 以克服流动阻力, 保证水循环的可靠性, 根据该厂的场地情况, 采用自然循环是适宜的. 2.

1 蒸发器的设计 早期的催化裂化再生烟气余热锅炉采用双汽包结构, 受热面由光管构成, 其蒸发器类似于 SHL 型 锅炉的对流管束. 实际运行证明, 这种布置方式不但存在着金属耗量大, 而且下汽包处极易堆灰, 使受热 面积减少, 影响总体传热效果. 本次设计采用扩展受热面( 螺旋肋片管) 并将蒸发器在制造厂内做成单元 组装式, 这样做可使金属耗量大幅度减少( 可减少 40% ~ 50%) ;

在现场安装时, 用组装件可缩短工期 ( 原双汽包结构要在现场焊接或胀接千余根受热管) ;

检修更换方便;

气流冲刷完全, 不堆灰, 传热效果 好, 烟气流动阻力小. 蒸发器基管选用 ?

51 @ 4, 材料为 20G, 选用较粗的管径, 可以减少循环回路的阻 力, 降低汽包的布置高度. 蒸发器采用螺旋肋片管结构后, 与光管相比, 布置空间减少一半. 本次设计采用的螺旋肋片管, 肋片高度

15 mm, 厚度 1.

2 mm, 间距

12 mm. 2.

2 过热器的设计 过热器在再生烟气余热锅炉中, 运行条件较为恶劣, 其主要原因是它处于烟温和工质温度的最高 区, 加之烟气参数的波动, 处理不当, 可能会造成过热器超温, 影响余热锅炉的正常运行. 在设计条件下, 过热器的吸热量占总的吸热量 16%, 所需的传热面积仅

250 m2 . 因而全部采用 12CrMoV 材料, 虽然投 资略有增加, 但能保证其安全运行, 在制造、 安装、 维修上较为方便. 过热器采用 ?

38 @

4 mm 管径, 呈顺 列逆流布置. 由于余热锅炉的传热为纯对流方式, 主要吸热量在蒸发器部分( 约占 60%) , 在烟气参数发 生波动时, 例如随着再生烟气流量和温度的升高, 蒸发器产生的饱和蒸汽量亦随着增加, 相应地过热器 通过的冷却蒸汽量也增加, 蒸发器取到了稳定蒸汽参数的作用. 在烟温波动 ?

20 e 时, 过热汽温波动不 超过

10 e . 2.

3 省煤器的设计 省煤器处在烟温较低处, 其传热温差小, 所需传热面积大. 由于其给水温度低于烟气露点温度, 容易 发生低温腐蚀. 为了防止低温腐蚀的产生, 通常采用下列措施. ( 1) 将给水温度提高到 130~

150 e 接近或高于烟气露点温度, 阻止硫酸蒸汽在管壁上的冷凝, 进而 防止低温腐蚀的发生. 其方法有: 将省煤器的出口的部分高温水经喷射器注入到省煤器进口或采用高压 除氧器. 用提高省煤器进水温度的方法来防止低温腐蚀, 势必要增加省煤器的传热面积, 在设计条件下, 若省煤器出口水温为

250 e , 进口水温由

104 e 提高到

150 e , 省煤器呈逆流布置. 相应地传热温差分别 )

31 ) 徐生荣: 再生烟气余热锅炉的设计 为52 e 和35 e , 在传热系数不变的条件下, 省煤器的面积将从

1 400 m2 增到加

2 080 m2 . ( 2) 在省煤器的低温段采用热管换热元件, 利用热管能保持较高的恒定壁温这一原理来防止酸性液 体的冷凝. ( 3) 在省煤器的低温段采用耐腐蚀的低合金钢, 以阻止酸性液体对金属材料的腐蚀. 本次设计将省煤器分成高、 低温两段, 高温段管材为 20G, 低温段用耐腐蚀合金钢, 以便制造安装. 省煤器采用 ?

38 @

4 mm 螺旋肋片管结构, 肋片高度

15 mm, 厚度 1.

2 mm, 间距

12 mm. 高、 低温段 采用相同的几何尺寸. 表2余热锅炉主要设计参数 项目 过热器 蒸发器 省煤器 基管规格/ mm ? 38@

4 ? 51@

4 ? 38@

4 排列方式 顺列 顺列 顺列 布置方式 逆流 ) 逆流 横向节距/ mm

100 110

100 纵向节距/ mm

100 110

100 烟气流速/ ( m/ s)

14 14.

3 14.

5 传热系数/ [ w / ( m2 # e ) ]

60 52

53 传热温差/ e

138 83

52 传热面积/ m2

250 2000

1400 2.

4 设计结果 设计结果列于表 2.

3 设计中需要考虑的其它问题 3.

1 受热面烟气流速的选择 余热锅炉受热面烟气流速是设计中的一个重要 参数, 它直接关系到余热锅炉的技术经济性和运行 的安全性. 选用较高的烟速可强化对流换热, 减小余热锅 炉的受热面积. 但过高流速会增加烟气的流动阻力. 根据热工学原理, 对横向冲刷的管束, 传热量与烟速 的0.

7 次方成正比, 而流动阻力与烟速的平方成正比. 因此应综合比较投资与运行费用, 来选择适合的 烟气流速. 选用较高的烟速, 对形成松散性积灰的受热面, 其自清灰作用更为明显, 但对含尘烟气, 将带来较大 的受热面磨损, 根据研究受热面的磨损与烟速的 3~

4 次方成正比. 此外, 在选用烟速时, 还需考虑余热锅炉的振动问题, 在烟气横向流过管束时, 过高的烟速容易引起 受热面的振动, 造成余热锅炉不能正常运行. 综合考虑以上因素, 对再生烟气余热锅炉烟气流速在 13~

16 m/ s 比较适宜. 3.

2 余热锅炉变工况运行 余热锅炉利用工艺中产生的烟气, 其烟气参数受工艺影响较大, 对设计后的余热锅炉按照可能出现 的工况进行校核是十分必要的. 通常, 再生烟气的流量和温度会在一定范围内发生变化. 表3列出了在 设计工况下和最大负荷、 最小负荷时余热锅炉的校核情况. 表3余热锅炉在不同工况下的主要参数 参数 设计工况 最大负荷 最小负荷 进口烟温/ e

530 550

510 烟气流........