氣化爐廢熱鍋爐的設(shè)計

李 由，陳 陽，孫登科

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731)

我國“多煤、貧油、少氣”的能源格局決定煤炭的重要能源地位，隨著能源需求的不斷增加，煤炭利用過程中熱效率低、單位能耗高及環(huán)境污染等問題不斷凸顯，發(fā)展?jié)崈裘夯ひ呀?jīng)成為必由之路[1]。

煤氣化技術(shù)作為清潔煤利用的先進(jìn)技術(shù)，它是現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，經(jīng)過多年的技術(shù)研發(fā)和工業(yè)應(yīng)用，煤氣化基本形成了固定床、流化床和氣流床3種形式[2]。氣流床由于其氣化效率高、兼容性好、排污少及適宜大型化等優(yōu)點成為煤氣化技術(shù)的發(fā)展主流[3-4]，根據(jù)其熱量回收方式分為顯熱回收流程(由輻射廢鍋和對流廢鍋組成)和直接激冷流程2種。直接激冷流程的氣化爐在爐內(nèi)幾乎沒有換熱面，氣化室出口的高溫合成氣采用噴水激冷方式降溫，該爐型以設(shè)計簡單、前期投入少等優(yōu)點已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)煤氣化裝置[5-7]，但是直接激冷會將高品位的熱能直接轉(zhuǎn)換為大量低品位熱能，極不經(jīng)濟(jì)[8]。在國家對現(xiàn)代煤化工能效指標(biāo)、環(huán)保指標(biāo)等要求日益提高的情況下，帶熱量回收的節(jié)能型氣化技術(shù)的優(yōu)勢越來越明顯，其顯熱回收后，可用于生產(chǎn)高壓、高溫蒸汽或者預(yù)熱其它工藝介質(zhì)[9-10]。因此，帶顯熱回收裝置的氣化爐逐漸成為現(xiàn)今的主流。

由于氣化爐均帶壓運行，氣化爐殼體和內(nèi)件均采用圓筒狀設(shè)計；為方便運輸，其氣化爐運輸外形尺寸通常不會大于5 m(以當(dāng)?shù)仃戇\條件為準(zhǔn))；不管采用何種顯熱回收方式，都需要在狹小的氣化爐內(nèi)部布置受熱面來吸收顯熱。因此，帶受熱面的氣化爐廢熱鍋爐設(shè)計復(fù)雜、制造困難。

1 設(shè)計條件輸入

在開展整體布置之前，專利方需要提前完成工藝包設(shè)計，開展內(nèi)件熱力計算和水動力計算等性能設(shè)計工作，并出具廢熱鍋爐整體設(shè)計所需的技術(shù)規(guī)范和設(shè)備數(shù)據(jù)等設(shè)計條件參數(shù)，最后才能開展廢熱鍋爐內(nèi)件的整體布置。設(shè)備數(shù)據(jù)通常包括：受熱面管子的規(guī)格和材料、受熱面(管子和集箱)的腐蝕裕量、各個部件的設(shè)計壓力和設(shè)計溫度等參數(shù)。

根據(jù)性能包資料，首先畫好框架尺寸，再布置受熱面，然后布置集箱和連接管，完善各個配合細(xì)節(jié)后最終形成一張整體布置圖。

2 整體框架圖布置

在布置整體框架之前，先了解不同專利方的內(nèi)件結(jié)構(gòu)型式。以GE為代表輻射廢鍋產(chǎn)品已經(jīng)得到商業(yè)引用，最早的商業(yè)應(yīng)用為美國的Tampa IGCC電站，輻射廢鍋位于氣化室下方，其內(nèi)部受熱面為列管式圓筒狀膜式水冷壁，并在爐內(nèi)合成氣通道徑向布置輻射屏受熱面以增大受熱面積(如圖1和圖2所示)，進(jìn)一步吸收熱量和縮小輻射廢鍋的體積。GE公司對此進(jìn)行了專利保護(hù)，如專利《輻射冷卻器及其裝配方法》[11]、《輻射合成器冷卻器》[12]。

圖1 GE輻射廢鍋內(nèi)件部分示意(mm)

圖2 盤管受熱面示意

以Shell為代表的對流廢鍋，其對流換熱面以列管式圓筒狀膜式水冷壁和爐內(nèi)多層螺旋盤管嵌套結(jié)構(gòu)為主體受熱面，螺旋盤管設(shè)計的換熱性能較好，能夠有效吸收對流換熱。以科林爐、航天爐和GSP為代表的氣化爐主體受熱面為大直徑螺旋盤管水冷壁，由于采用煤粉燒嘴頂噴方式，除盤管水冷壁外，爐內(nèi)沒有布置受熱面。

通過分析，以上各專利方的主體受熱面均為圓筒狀設(shè)計，這是因為氣化爐操作壓力通常為4～8.7 MPa，受熱面設(shè)置成圓筒狀利于氣化爐內(nèi)部各個方向的壓力平衡；而且對于氣化后合成氣加工壓力較高的工藝，氣化壓力高自然能夠節(jié)能[13]。兩種不同的受熱面設(shè)計各有優(yōu)勢：列管式圓直筒受熱面制造簡單、水動力阻力較盤管更?。槐P管設(shè)計并聯(lián)水路少、盤管受熱面整體強度更好，在運行過程中可承受較高的內(nèi)外壓差。

已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用的各家專利方的受熱面型式、各個設(shè)備組成的整體框架結(jié)構(gòu)基本不會改變，通過性能包資料中提供的設(shè)備數(shù)據(jù)參數(shù)，如：大致的受熱面中心線直徑、受熱面高度、受熱管規(guī)格以及相關(guān)水冷壁筒體錐段角度等，基本可以繪制出初步的整體框架圖。

3 受熱面布置

繪制完整體框架圖后，需要開展受熱面的布置。受熱面作為氣化爐內(nèi)部吸收顯熱的主要部件，其布置是否合理，關(guān)系到整個氣化島能否安全、正常運行。

3.1 受熱面材料選擇

氣化爐廢熱鍋爐的內(nèi)件受熱管材處于高溫合成氣、典型還原性氣氛(H2和CO為主)。在含有一定量H2S的高溫H2-H2S腐蝕性環(huán)境下，受熱管表面腐蝕減薄速率很快。如受熱面表面焊接銷釘及敷設(shè)耐火材料，受熱面材料可以選擇普通合金鋼；如受熱面壁溫較高、且表面直接接觸合成氣，通常根據(jù)受熱面區(qū)域位置的不同會選擇耐高溫耐腐蝕鎳基N08825或N08800材料，但是這些材料價格昂貴。目前，國內(nèi)煤氣化爐的受熱面也開始嘗試在普通合金鋼表面噴涂含Cr、Ni和Ti等成分的涂層。該涂層通常具有耐腐蝕、耐熱沖擊及抗高溫氧化等性能；利用在低等級管材上噴涂高等級材料成分的涂層，達(dá)到抵抗氣化爐合成氣腐蝕的目的。該方法目前還處于探索階段。

3.2 受熱面水路布置

整體框架圖繪制完畢后，需布置受熱面水路。不同的受熱面水路長度設(shè)計遵循小于“允許最長水路長度”的原則，“允許最長水路長度”由專利方的熱力計算得出，一般情況下熱流密度越高的受熱面，其允許最長水路越短。布置水路時需注意：① 單根水路長度不超過“允許最長水路長度”，通常情況下越長越好，以減少水路總數(shù)；② 受熱面長度盡量均勻。

3.3 輻射屏布置

受熱面如果僅為筒狀受熱面，在受熱面上出現(xiàn)掛渣堵塞的情況比較少；如果類似GE輻射廢鍋和Shell對流廢鍋中的爐內(nèi)合成氣通道內(nèi)布置輻射屏或者螺旋盤管受熱面的情況，需要考慮爐內(nèi)受熱面合理布置，以避免出現(xiàn)結(jié)渣、堵塞等問題。王春、井云環(huán)[14-15]等對GE全廢鍋流程輻射廢鍋結(jié)渣原因進(jìn)行的分析表明，輻射廢鍋內(nèi)部換熱面積過大，水冷壁換熱管過多，導(dǎo)致輻射廢鍋中間通道過小，灰渣進(jìn)入輻射廢鍋后聚集到一定程度時，相對換熱片中間粘連的灰渣形成搭橋，逐漸堵塞合成氣流通的中間通道。

輻射屏每屏的受熱管受熱面過多，會造成中間通道過小易引起灰渣搭橋及堵渣等問題；反之，受熱管過少，能夠參與輻射換熱的受熱管少，產(chǎn)生的蒸汽量過少。因此，輻射屏寬度A1和輻射屏數(shù)量N1決定了每個輻射屏之間的間隙S1及中間通道直徑φS2，設(shè)計者需要著重考慮。

圖3 輻射屏俯視圖示意

3.4 受熱面區(qū)域預(yù)埋件設(shè)置

受熱面向火面區(qū)域如要布置預(yù)埋件，需要考慮其預(yù)埋件布置位置及爐內(nèi)高溫引發(fā)的預(yù)埋件超溫問題。如受熱面布置中需要在爐內(nèi)布置屏狀光管受熱面，則在屏狀受熱面表面通常要布置管夾來避免管子熱膨脹不均勻出列，管夾不能布置在合成氣熱流密度高的地方，以避免高溫合成氣內(nèi)灰渣堆積及超溫；同時，管夾需選擇耐高溫材料。

3.5 壓差對受熱面的影響

氣化爐為帶壓運行設(shè)備，高溫合成氣也是帶壓氣體。在氣化爐啟動、運行和停爐過程中，環(huán)形空間(氣化爐殼體內(nèi)壁耐火材料和氣化爐內(nèi)件形成的空間)與氣化爐內(nèi)件之間會存在內(nèi)外壓差。針對螺旋盤管的內(nèi)件受熱面，其強度較大，一定范圍內(nèi)的壓差對受熱面擠壓變形影響較小；針對列管式的內(nèi)件受熱面，因為其結(jié)構(gòu)原因，當(dāng)內(nèi)外壓差增加到一定值時，在列管式受熱面筒體外表面需要布置環(huán)形加強箍，避免其受熱面擠壓變形，當(dāng)內(nèi)外壓差再增加時，需開展應(yīng)力分析，校核受熱面筒身強度。

3.6 內(nèi)件測點布置

氣化爐在運行過程中，通過在內(nèi)件受熱面區(qū)域設(shè)置測點，可以實時監(jiān)測氣化爐在運行過程中的控制參數(shù)，在內(nèi)件端的環(huán)形空間內(nèi)的溫度、壓力、內(nèi)件水冷壁和環(huán)形空間的壓差等參數(shù)，通常的布置方式如下：在整個內(nèi)件高度方向從上到下都布置有溫度和壓力測點，在內(nèi)件的底部和相鄰殼體上布置壓差參數(shù)測點，可通過壓差測量值判斷爐內(nèi)是否堵渣。

4 集箱和連接管布置

在布置集箱和連接管之前，通常專利方的水動力計算會推薦各個集箱和連接管規(guī)格和材料，但是內(nèi)件設(shè)計方需要在強度校核合格后才能確定最終規(guī)格。如果需要調(diào)整管子或者集箱規(guī)格，需要將更新后的規(guī)格提交專利方核算，保證管內(nèi)流速始終小于水動力計算規(guī)定的“最大允許流速”。有的進(jìn)出口連接管除了是換熱介質(zhì)進(jìn)入界區(qū)的通道外，還會承擔(dān)整個內(nèi)件承載結(jié)構(gòu)的作用，除需強度計算外，還需要開展應(yīng)力分析，核算連接管是否能滿足承載要求。

連接管設(shè)計應(yīng)該注意以下幾點：連接管設(shè)計時可盡量貼近筒狀受熱面，以增大連接管外壁與殼體內(nèi)壁耐火材料之間的間隙，利于增加氣化爐內(nèi)件和殼體總裝空間；如果空間足夠，進(jìn)口和出口連接管可以考慮布置在承載件上下兩側(cè)，可以減少實際作用在承載件上的載荷；進(jìn)出口連接管在殼體上的管座位置需避開樓板梁并預(yù)留管道保溫層厚度。

集箱除了是介質(zhì)的匯集和匯出設(shè)備外，有時還是水平限位裝置的生根點。在設(shè)備承受地震水平載荷時，可以通過水平限位裝置限制氣化爐內(nèi)件在水平方向的位移。在集箱上的限位裝置通常為4個，沿圓周方向均布，限位裝置除生根在集箱上，也可生根在受熱面上，一般情況下，每層水平限位裝置之間的間距以8～10 m為宜。

5 設(shè)計配合

在氣化爐內(nèi)件設(shè)計過程中，除了需要時刻注意內(nèi)件各個部件，如受熱面及其連接管、集箱的相互之間的配合設(shè)計外，還需要配合殼體管口處接口、提前考慮內(nèi)件和殼體的總裝、內(nèi)件設(shè)備的檢修和焊接等設(shè)計因素。

5.1 環(huán)形空間設(shè)計

環(huán)形空間內(nèi)通常還會布置大量的進(jìn)出口連接管、內(nèi)件測點、各類檢修平臺和爬梯、殼體預(yù)埋件、承載件、內(nèi)件和殼體總裝空間預(yù)留等，因此在氣化爐內(nèi)件受熱面設(shè)計過程中，還需要兼顧環(huán)形空間內(nèi)設(shè)備的設(shè)計。

5.1.1 環(huán)形空間間距

內(nèi)件整體布置時，會將內(nèi)件水冷壁直徑最大化，使得水冷壁受熱面積最大化，進(jìn)一步壓縮環(huán)形空間間隙。如果環(huán)形空間內(nèi)需要布置管道，其設(shè)計間隙需大于500 mm(具體值應(yīng)根據(jù)內(nèi)件制造廠家的焊接能力決定)，否則布置在環(huán)形空間內(nèi)的進(jìn)出口連接管與殼體管座對接處沒有足夠的焊接空間。

圖4 環(huán)形空間內(nèi)的連接管焊接空間示意

5.1.2 臥裝設(shè)計

在氣化爐內(nèi)件和殼體設(shè)計初期，應(yīng)當(dāng)提前考慮內(nèi)件和外殼的總裝方式，不同的總裝方式，內(nèi)件和殼體的設(shè)計會有不同的考慮。

當(dāng)內(nèi)件和殼體總裝方式為臥式安裝時，可考慮用導(dǎo)軌或者U型工裝開展臥裝。當(dāng)采用導(dǎo)軌總裝時，內(nèi)件需要放置在運輸支撐上，再通過布置在整個殼體內(nèi)壁的兩根臥裝導(dǎo)軌將內(nèi)件臥式送入殼體。因此在設(shè)計環(huán)形空間的間距時，需要預(yù)留整個殼體內(nèi)壁需安裝的200～300 mm高臥裝導(dǎo)軌、預(yù)留內(nèi)件和臥裝導(dǎo)軌之間的運輸支撐空間。在設(shè)計內(nèi)件及其附屬連接管道時，避免臥裝導(dǎo)軌、運輸支撐與內(nèi)件及其附屬連接管、殼體預(yù)埋件干涉。

圖5 臥式安裝示意

當(dāng)采用U型工裝臥式總裝時，需要提前考慮內(nèi)件的重量不能太重，否則U型工裝龐大；工裝在內(nèi)件需布置適量支撐，確保內(nèi)件在臥裝過程中不變形。

圖6 U型吊裝示意

5.2 爬梯設(shè)計

為讓工人通過入孔進(jìn)入爐內(nèi)的環(huán)形空間后，可通過設(shè)置在殼體內(nèi)壁上的爬梯快速到達(dá)施工和檢修區(qū)域。因此在布置爬梯時，需要考慮：爬梯位置盡量覆蓋所有內(nèi)件總裝時需要進(jìn)入環(huán)形空間施焊的位置；爬梯在殼體內(nèi)壁布置的方位角需要避開總裝時的導(dǎo)軌；爬梯間距需設(shè)置適宜，避免過寬或過窄，以300～330 mm為宜。

5.3 與殼體設(shè)計配合

在內(nèi)件設(shè)計過程中，除需時刻關(guān)注內(nèi)件之間各個部件的配合外，還要與外方，如殼體設(shè)計方配合。配合的內(nèi)容有很多，如：水平限位裝置的方位角和高度與殼體預(yù)埋件配合、內(nèi)件與殼體對接管口坡口一致、殼體管口內(nèi)伸長度與內(nèi)件管子配合、內(nèi)件進(jìn)出口連接管在殼體上的管口需與設(shè)備框架圖配合等。

6 結(jié)束語

氣化爐作為煤化工系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備，其廢熱鍋爐設(shè)計非常重要，盡管不同氣化爐廢熱鍋爐會各不相同，但是廢熱鍋爐的基本設(shè)計理念都是為了盡可能吸收高溫合成氣中的顯熱。筆者結(jié)合各個不同商業(yè)化運行的帶廢熱鍋爐的氣化爐，介紹了廢熱鍋爐內(nèi)件設(shè)計的設(shè)計流程，主要包括廢熱鍋爐的設(shè)計條件輸入、整體框架布置、受熱面布置、集箱和連接管布置及設(shè)計配合等。

盡管近年來我國在煤氣化技術(shù)的開發(fā)上多有建樹，開發(fā)了多種煤氣化技術(shù)，但是我國在煤化工廢熱鍋爐爐型特別是帶高溫輻射段的廢熱鍋爐的商業(yè)應(yīng)用還較少。煤化工企業(yè)可依靠已有的廢熱鍋爐設(shè)計、制造和運行經(jīng)驗，開展煤化工廢熱利用的相關(guān)工作。