H 型省煤器在工業(yè)鍋爐中的應用

郭瑞倩

（哈爾濱匯焓科技有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150000）

引言

工業(yè)鍋爐脫硝除了采用控制煤的燃燒過程[1]外，大多采用SCR 催化還原法。SCR 對煙氣溫度要求通常在570～720 K[2]，一般位于對流管束后、省煤器前。催化劑布置一般布一備一[3]，氣體均流格柵、兩層催化劑和檢修空間需預留出7～9 m 左右的空間，省煤器、空氣預熱器及檢修空間高度被壓縮，受熱面布置受限，鍋爐排煙溫度過高。若將受熱面布置于操作平臺下，同時需考慮基礎、鋼架及煙風道的布置，工程量增大，技術經(jīng)濟型差。因此需要考慮合理布置受熱面，同時滿足空間及排煙溫度要求。

1 鍋爐房架構

某熱源的鍋爐房為已建好鍋爐房，鍋爐房內(nèi)凈利用高度為21.2 m，鍋爐基準面及操作平臺均在7 m 平面。鍋爐前后近身方向鍋爐空間柱中心線距離為21 m，大柱截面為1 000 mm×500 mm，小柱截面為700 mm×500 mm。鍋爐房四周大柱中心線均為6 m，更衣室及辦公室寬度均為6 m，鍋爐前上空煤斗長度空間為6 m，爐前寬度方向鍋爐房大柱中心線為12 m。預留的鍋爐爐位空間為21 m×12 m×21.2 m。

2 H 型省煤器結構特點

H 型省煤器管屬于擴展式受熱面，相當于在鋼管省煤器管外焊接薄肋片，起到增加外部換熱面積的一種換熱部件。H 型省煤器可分為雙肋片結構和單肋片結構，雙肋片結構是縱向兩根直段光管與肋片一同進行焊接，單肋片結構為單根光管與肋片焊接。常用管徑尺寸為Φ32 mm、Φ38 mm、Φ42 mm、Φ51 mm；肋片一般采用厚度為3 mm 耐腐蝕能力強的酸洗碳鋼。雙肋片結構的肋片高度一般為管縱向節(jié)距的2 倍，寬度一般與管徑尺寸相近。一般管內(nèi)為工質(zhì)，管外為煙氣，工質(zhì)與煙氣之間的換熱方式屬于間壁式換熱。

H 型省煤器的傳熱過程較復雜，煙氣沖刷外表面，與管內(nèi)工質(zhì)的換熱過程包含傳熱過程的多種換熱方式：煙氣與管外壁之間的對流換熱、管外壁至內(nèi)壁的導熱過程和管內(nèi)壁與工質(zhì)的對流換熱過程；整體換熱過程包括以下幾個換熱步驟:煙氣與肋片之間的對流換熱過程、肋片本身的導熱過程、肋片與管外壁的導熱過程、管外壁至管內(nèi)壁的導熱過程、管內(nèi)壁與工質(zhì)的對流換熱過程?？偟膩碚f，導熱是在傳熱過程中起著更重要的作用[4]。H 型省煤器傳熱系數(shù)計算不同于煙氣橫向沖刷光管管束。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，H 型省煤器的傳熱系數(shù)較光管省煤器傳熱系數(shù)小，但是由于H型省煤器的換熱面積遠大于同體積下的光管省煤器換熱面積，總換熱量較光管省煤器大，彌補了傳熱計算中傳熱系數(shù)小的不足。

H 型省煤器由于有肋片的存在，積灰現(xiàn)象比鋼管省煤器略好。楊大哲曾以Fluent 軟件對H 型省煤器進行模擬，得出管外流場矢量圖，指出H 省煤器的鰭片對氣流有均流作用[5]。管外的氣流沿鰭片間的空隙向下橫向沖刷管子，擾動的氣流對管子背風面起到一定的沖刷作用，減輕了積灰。正由于H 型省煤器有如此多的優(yōu)點，其應用的范圍也不僅限于在電站鍋爐，工業(yè)鍋爐的應用也越來越廣泛。

3 鍋爐受熱面設計

某熱力公司因風機及泵等設備用電量大，擬新建一臺新蒸汽鍋爐，用于自發(fā)電自用，鍋爐蒸發(fā)量按140 t/h 計算，鍋爐型號為SHW140-1.6/300-H 過熱蒸汽鍋爐。鍋爐房為已有鍋爐房，鍋爐房內(nèi)僅剩一臺鍋爐爐位可以利用，爐前爐后位置同時需要避開鍋爐房柱子、結構梁以及進出水管。按可利用空間柱距為21 m×12 m，鍋爐結構需預留出SCR 脫硝空間。脫硝空間按兩層催化劑考慮，從鍋爐對流管束出口，均流格柵開始，尾部煙道需空出9 m 左右空間。

按鍋爐房高度設計鍋爐鋼架，最大限度地利用鍋爐房內(nèi)空間。設計鍋爐鋼架柱高度為19.26 m，加爐排前小柱，共設計16 根鋼柱，8 根鋼柱左右對稱。鍋筒兩側立柱柱距為3.24 m，尾部煙道柱距為3.23 m。根據(jù)以前經(jīng)驗設計，在對流管束出口煙氣溫度大約在200～300 ℃。該溫度區(qū)間不能滿足SCR 催化劑脫硝的溫度區(qū)間300～450 ℃要求.因此需重新布置對流受熱面，適當減少對流管束面積，將對流管束出口煙溫區(qū)間調(diào)整至SCR 脫硝區(qū)間要求。

鍋筒對流管束出口位置約在上鍋筒下表面。為了增加尾部高度空間，考慮將對流管束出口向高處挪，將鍋筒側面的吊耳用澆筑覆蓋，防止吊耳過熱影響吊掛強度。將對流管束出口向上平移后，原尾部高度空間增加將近1.3 m，可布置受熱面空間增加。預留SCR脫硝空間后，尾部受熱面可用總空間為8 m 左右。由于蒸汽鍋爐回水溫度高，104 ℃，因此尾部受熱面必須有空預器參與換熱。

由于鍋爐實際運行并非一直保持滿負荷運行，有欠滿負荷運行時間，此時對流管束出口煙溫同時也必須保證在催化劑要求的溫度空間內(nèi)。因此在設計計算鍋爐熱力計算時，對流管束出口煙溫設計值應比催化劑最低要求溫度高一定比例，至少滿足鍋爐在60%負荷運行的時候，溫度區(qū)間任然滿足脫硝溫度。

對尾部受熱面方案進行優(yōu)化設計，將尾部受熱面的布置方案進行對比計算，通過實際數(shù)據(jù)對比分析H型省煤器的優(yōu)勢。

1）尾部受熱面方案一：受熱面布置采用鋼管省煤器和空氣預熱器組合。按對流管束出口煙溫為400 ℃左右計算對流管束受熱面。尾部布置鋼管省煤器及空氣預熱器。經(jīng)計算在排煙溫度為137 ℃時，鋼管省煤器需分三級布置，每級縱向管排數(shù)為16 排，省煤器直管長4.8 m，每級換熱面積為752.35 m2，進水溫度為104 ℃，下級省煤器出口水溫為120.7 ℃，中級省煤器出口水溫為144.9 ℃，上級省煤器出口水溫為180.3 ℃；上中下三級省煤器平均煙氣流速為7.29 m/s、6.44 m/s、6.44 m/s?？諝忸A熱器管選擇Φ40 mm×1.5 mm 的高耐候鋼管，管長為1.6 m，平均煙氣流速為11.4 m/s，平均空氣流速為8 m/s，管內(nèi)水速約為0.93 m/s。經(jīng)估算，單省煤器管總質(zhì)量約60 t。按計算的受熱面在尾部豎井布置，單級省煤器高度為1.35 m，三級省煤器總高度為1.35×3=4.05 m，空預器管長為1.6 m，單受熱面需要的凈空間為5.65 m。三級省煤器、空預器及空預器出口煙道需預留出4 個檢修空間。現(xiàn)不計算空氣預熱器膨脹節(jié)等部件，每個檢修空間平均高度僅為0.5 m左右，高度太低，根本不能滿足每個受熱面檢修清灰的空間要求。另可以在空預器下方基礎平面打孔，打出煙道走向孔，空預器坐落在基礎鋼架柱腳處。此方案雖然檢修空間大一些，但是對于空預器管內(nèi)清灰同樣不夠。同時煙道連至操作平臺下方，煙道還需重新連至操作平臺上的總煙道，總投入增加，技術經(jīng)濟型差。

2）尾部受熱面方案二：受熱面布置采用H 型省煤器和空氣預熱器組合。H 型省煤器在計算換熱面積時，肋片兩個平面及厚度方向的側面需同時計算在內(nèi)。設計H 型省煤器橫向布置。單管長度為4 m，管彎頭處于煙道外，面積不計算在內(nèi)，同時避免了彎頭的磨損。經(jīng)計算在排煙溫度為142 ℃時，H 型省煤器需只需兩級布置，上級及下級縱向管排數(shù)分別為14 排、12 排，兩級換熱面積分別為1 824 m2、1 564 m2，進水溫度為104℃，下級省煤器出口水溫為130.6 ℃，上級省煤器出口水溫為184.9 ℃；上下級省煤器平均煙氣流速為8.34 m/s、7.05 m/s?？諝忸A熱器管選擇Φ50×1.5 mm 的高耐候鋼管，管長為1.8 m，平均煙氣流速為11.6 m/s，平均空氣流速為9.6 m/s?？紤]到實際運行時，省煤器出口集箱位置可能壓力與計算值有差異，因此考慮提高省煤器管內(nèi)水流速，防止管內(nèi)水溫在實際水壓力下達到飽和或產(chǎn)生氣泡而導致傳熱惡化。估算后的H 型省煤器管總重約49 t。按計算的受熱面在尾部豎井布置，兩級省煤器高度分別為1.284 m、1.1 m，兩級省煤器總高度為2.384 m，空預器管長為1.8 m，單受熱面需要的凈空間約為4 m。兩級省煤器、空預器及空預器出口煙道需預留出3 個檢修空間，每個檢修空間平均高度為1.3 m 左右，高度足夠，完全可以滿足每個受熱面檢修清灰的空間要求。

3）計算結果分析。H 型省煤器較鋼管省煤器方案減少了一級，單管子總重H 型省煤器僅為49 t 左右，而鋼管省煤器管子達到了60 t 左右，同時H 型省煤器較三級鋼管省煤器減少了兩個中間集箱；H 型省煤器需要的支撐鋼梁也較三級鋼管省煤器少，由此可見H 型省煤器在滿足受熱面面積的前提下，所需材料量更小，技術經(jīng)濟性更優(yōu)。H 型省煤器由于特殊的肋片排列結構，自然的將煙氣分成了多個平行煙道，與整流格柵起到相似作用，鍋爐橫向方向煙氣沖刷均勻，不存在煙氣走廊，因此H 型省煤器管還具有一定耐磨損的優(yōu)點。

4 結論

由于環(huán)保對鍋爐煙氣的要求越來越嚴格，工業(yè)新建鍋爐及改造鍋爐的SCR 脫硝空間必須提前預留。H 型省煤器具有擴展表面積大、耐磨損、不易積灰等優(yōu)點，與空氣預熱器等換熱部件合理布置，技術經(jīng)濟性更好，在工業(yè)鍋爐范圍也開始了廣泛的應用。