某三廢混燃爐余熱鍋爐的設(shè)計及水動力計算分析

芮志平，虞 斌，馬 勇，郝 彪

(南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

針對某合成氨廠“三廢”流化混燃爐設(shè)計的余熱鍋爐系統(tǒng)［1］，用來回收“三廢”燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵械挠酂?，生產(chǎn)飽和高溫高壓蒸汽，用來發(fā)電或者作為其他工藝用氣［2］。由于國外合成氨生產(chǎn)主要使用的是天然氣，制氨不產(chǎn)生“三廢”等環(huán)境污染物［3］，雖然我國近兩年天然氣制氨的比例有所增加，但我國的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，所以制氨以煤焦為主的狀況不會發(fā)生大的變化［4］，因而“三廢”的處理就相當(dāng)重要。在三廢爐運行過程中，影響其安全運行的重要因素之一即鍋爐的水循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)倍率過高或者過低會引起鍋爐的管子爆裂或者循環(huán)倒流、停滯，給鍋爐的安全運行帶來嚴(yán)重危害［5］。

1 鍋爐設(shè)計主要參數(shù)和特性

表1 鍋爐設(shè)計參數(shù)

表2 混燃爐排出爐氣熱工特性

2 該鍋爐結(jié)構(gòu)簡介及特點

2.1 該余熱鍋爐結(jié)構(gòu)

如圖1所示，從整體上講，鍋爐由汽包、過熱器、蒸發(fā)器、省煤器、空預(yù)器五大部分組成。過熱器和蒸發(fā)器部分的爐墻采用重型爐墻結(jié)構(gòu);省煤器和空預(yù)器采用鋼煙道外保溫形式，爐墻在適當(dāng)位置裝設(shè)有檢查門、防爆門及熱工測量孔［6］。

圖1 余熱鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 該余熱鍋爐特點

(1)高溫?zé)煔饨?jīng)組合式除塵器進入余熱鍋爐，溫度達950℃，因此在煙氣入口安裝了兩組水冷屏(凝渣管)，使煙氣溫度降到900℃以下，水冷屏使渣粒凍結(jié)，粘性減小，不易在過熱器表面掛渣，影響傳熱;另一方面對不穩(wěn)定的吹風(fēng)氣燃燒所產(chǎn)生的不穩(wěn)定的煙氣流起到均流作用的同時，使過熱器傳熱均勻［7］。

(2)鍋爐采用自然循環(huán)，無下鍋筒，下部采用集箱連接，又在底部設(shè)置灰斗，可以有效防止積灰。

(3)鍋爐整體采用支撐結(jié)構(gòu)、懸吊結(jié)構(gòu)，可以自由向下膨脹。

(4)鍋爐散裝出廠，運送至安裝地后組裝，減少了工作量，提高了效率，同時安裝更為方便。

(5)因采用隧道式結(jié)構(gòu)，易調(diào)整各段煙速，因而各段煙速均勻，使各段受熱面的布置更加合理，積塵、防磨損等問題容易解決。同時煙風(fēng)系統(tǒng)阻力較小，利于造氣系統(tǒng)運行。

(6)根據(jù)用戶要求鍋爐采用負壓，微正壓運行。

(7)隧道式的鍋爐布置形式，鍋爐形成多路水循環(huán)系統(tǒng)。鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)良好［8］，保證鍋爐受熱面運行壽命。

3 鍋爐水動力計算分析

該余熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后由于工作壓力較低、回路高度較小，因此需要計算該鍋爐的水循環(huán)特性來保障該鍋爐的安全運行。已有的“電站鍋爐水動力計算方法”(JB/Z201－1983)受編制時條件的限制，內(nèi)容上并不完全適用于該鍋爐，故本文采取我國早期采用的蘇聯(lián)鍋爐機組水動力計算方法——有效壓頭法來確定循環(huán)特性，對該鍋爐的復(fù)雜回路采用手算圖解法來求得其水動力特性數(shù)據(jù)［9］。

自然循環(huán)的計算是一項十分復(fù)雜的工作，自然循環(huán)的動力是氣水自然產(chǎn)生的，也就是回路中有一個流動壓差，來克服氣水在整個回路中流動時的阻力，阻力的大小與流動速度的平方成正比。當(dāng)回路的尺寸選定后，流動速度則決定于氣水的循環(huán)量，而循環(huán)量的多少，又與流動壓頭有關(guān)，而這個流動壓頭又是由于水和汽水混合物的密度差產(chǎn)生的，因此氣水混合物密度大小又反過來影響流動速度和循環(huán)量。由于以上原因，所以回路中的各參數(shù)就不能簡單地推算出來［10］。

圖2 鍋爐管束分布圖

圖3 簡化圖

圖2為該鍋爐的管束分布圖，1、2兩組管排為水冷屏，每組由58根光滑管束組成，外加不銹鋼護瓦;蒸發(fā)Ⅰ段(3～8管排)每組由122根光滑管束組成;蒸發(fā)Ⅱ段(9～14管排)每組管排由122根翅片管組成，所有管束管徑Φ42×5，上下集箱管徑Φ219×12，上升管管徑 Φ159×6，下降管管徑 Φ219×8，下降管集箱管徑Φ325×18。由于蒸發(fā)器I段入口煙溫低于600℃，所以僅在管子引入鍋筒汽空間時才需進行水動力計算，因此計算任務(wù)為圖2的1、2管排，于是圖2可簡化為圖3所示。簡化后的水循環(huán)回路包括2個簡單并聯(lián)回路，根據(jù)回路劃分及鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別計算各區(qū)段有效壓頭及流動阻力［9］。

對凝渣管并聯(lián)回路，取三個推薦循環(huán)流速ω01=0.4 m/s、ω02=0.5 m/s、ω03=0.6 m/s，計算循環(huán)水量

式中 F——上升管的截面積/m2;

ω0——循環(huán)流速/m·s－1;

γ——汽水混合物的密度/kg·m－3。

式中 pT——流動壓頭/Pa;

Hh——汽水混合物高度;

γ′，γ″——依次為水及蒸氣的密度/kg·m－3;

γh——氣水混合物密度/kg·m－3;

φ——截面含氣率。

式中 C——比例系數(shù);

β——容積含氣率。

式中 x——質(zhì)量含氣率;

D——管段的蒸發(fā)量/kg·s－1;

G——管段的循環(huán)流量/kg·s－1;

Q——管段的吸熱量/kJ·s－1;

r——汽化潛熱(飽和溫度下)/kJ·kg－1。

其中比例系數(shù)C由實驗確定，上升流動時C值［10］可用圖4 查出。

圖4 垂直截面含氣率

由式1至式6得，回路的流動壓頭pT為

循環(huán)回路I的上升管阻力Δps包括沿程阻力Δpy(其中包括摩擦阻力、加速阻力和重位阻力)、局部阻力ΔpJ、提升阻力Δpd和鍋內(nèi)分離阻力Δpb等

式中 ω″0——上升管內(nèi)任一截面的蒸汽引用流速/m·s－1;

L——上升管長度/m;

d——上升管內(nèi)徑/mm;

λ——摩擦系數(shù);

Ψ——摩擦阻力修正系數(shù)。

式中 x1、x2——上升受熱管段開始和終了的質(zhì)量含氣率;

Ψ1、Ψ2——上升受熱管段開始和終了的質(zhì)量含氣率的一半時的阻力修正系數(shù);

ζj——局部阻力總系數(shù);

ω0y——水在預(yù)熱段內(nèi)的流速/m·s－1;

ζf、ζk——分離器和孔板的阻力系數(shù)。

因下降管內(nèi)為單相水介質(zhì)，循環(huán)回路的下降管阻力Δpx

式中 ζ'j——下降管的局部總阻力系數(shù)(包括出口管、進口管、擴大縮小管、轉(zhuǎn)彎燈局部阻力系數(shù)之和);

γ'——汽包壓力下水的密度/kg·m－3;

d'——下降管的內(nèi)徑/mm;

L——下降管的長度/m;

ωj——下降管內(nèi)水的流動速度/m·s－1;

λ——沿程摩擦阻力系數(shù)。

在下降管內(nèi)，由于水溫比較高(255℃)，黏度很小，所以雷諾數(shù)很大，流體處在完全湍流狀態(tài)，即在完全阻力平方區(qū)內(nèi)。阻力系數(shù)只與管壁表面的絕對粗糙度及管子內(nèi)徑有關(guān)［11］，其數(shù)值可按下式計算

式中 ε——管壁表面絕對粗糙度。

使用Excel對公式進行計算，用Origin作循環(huán)特性圖，以循環(huán)水量G作橫坐標(biāo)，壓頭數(shù)值作為縱坐標(biāo)，分別作出水冷屏Ⅰ和Ⅱ的循環(huán)特性圖5。

由于1、2兩循環(huán)回路公用一根下降管，故采用同一有效壓頭下流量相加的原則來圖解，將水冷Ⅰ和Ⅱ相疊加，得圖6。

其中曲線③和④的交點即為回路的工作點，也就是所設(shè)計的廢熱鍋爐的循環(huán)回路在設(shè)計選定的參數(shù)工況下的工作狀態(tài)［12］。

由G得出實際的循環(huán)流速及循環(huán)倍率。

循環(huán)倍率在推薦范圍內(nèi)［13］，鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計安全合理，可進行制造。

圖5 水冷屏Ⅰ、Ⅱ循環(huán)特性曲線

圖6 系統(tǒng)循環(huán)特性曲線

4 結(jié)論

本文主要介紹了三廢混燃余熱鍋爐的設(shè)計特點及結(jié)構(gòu)布置，并對該結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)水循環(huán)特性采用傳統(tǒng)的手算圖解法進行了計算，得出安全的循環(huán)倍率，保證了鍋爐在運行時的安全可靠。余熱鍋爐的設(shè)計安裝充分考慮了當(dāng)?shù)毓r，余熱鍋爐設(shè)計合理，并且充分利用了該化肥廠的可利用資源，增加了經(jīng)濟效益，有效地降低了對大氣的污染，該鍋爐安裝完成及運行已有一年時間，運行工況良好，產(chǎn)汽質(zhì)量及產(chǎn)量都受到客戶的好評。

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［13］李俊，葉雯，董祖康.工業(yè)鍋爐自然循環(huán)水動力計算方法的建議(一)［J］.工業(yè)鍋爐，2007(5).