第三章余热锅炉的结构及工作原理

第三章余热锅炉的结构及工作原理1、余热锅炉的分类根据结构形式，余热锅炉可分为管壳式和烟道式余热锅炉。管壳式余热锅炉的结构与管壳式换热器无多大区别，并同样有固定管板式、浮头式及U形管式等。烟道式余热锅炉的结构与普通锅炉的相似，有耐火砖砌成炉膛，炉膛内装设管束，高温气体通过炉膛，将管束内流动的水加热汽化。2、按照高温气体的流程方式余热锅炉分为根据高温气体通过管内还是管外，余热锅炉分为火管余热锅炉和水管余热锅炉。水管余热锅炉有双套式（俗称刺刀形）、立式U形管式等形式；火管余热锅炉有一段式结构和二段式结构。3、烟道式余热锅炉烟道式余热锅炉是一种用以回收利用各种炉窑的排烟余热的锅炉。由于余热源是炉窑排出的，一般都是常压或微正压的炽热烟气（或工艺气）。且这类余热锅炉的结构与工业锅炉或电站锅炉相似，故称为烟道式余热锅炉。常用于硫酸生产装置、石油裂解装置、催化裂化装置等。4、火管余热锅炉火管余热锅炉是高温气体在炉管内流动。沸水从汽包经下降管流入锅炉底部，在管壁受热，变为汽水混合物，由上升管返回汽包。这种余热锅炉结构简单，因壳体承受蒸汽压力，适用于生产压力不高的蒸汽。5、水管余热锅炉水管余热锅炉是沸水流过管内，高温气体流经关外。因锅炉的壳体不承受蒸汽压力，适用于生产高压蒸汽。根据沸水的流动形式，水管余热锅炉又可分为以下形式；①自然循环式，管内沸水流动的推动力是下降管内的水与上升管内的汽水混合物之间的密度差。为保证一定的存环量，汽包需有足够的安装高度。②强制循环式，在下降管路中安装循环泵，借以提高管内沸水流速，防止汽包停滞恶化传热。因这种锅炉在运转、维修、投资等方面有许多不利因素，仅在特殊场合采用。6、烟道式余热锅炉和管壳式余热锅炉的区别烟道式余热锅炉是水管锅炉，水或蒸汽在受热管的管内流动，烟气在受热管管外的烟道中流动。烟气通过冲刷管子的外表面将热量传递给管内的水或蒸汽。烟道式余热锅炉的显著特点是，在一个烟道里有预热器、过热器、蒸发器、省煤器、烟囱、汽包、上升管、下降管、等部件。管壳式余热锅炉是火管锅炉，烟气在受热管管内流动，水在管外的锅壳中流动。热量通过管壁传递给管外的水。通常管壳式余热锅炉只是水的蒸发，没有过热段和省煤段。大型管壳式余热锅炉有汽包、上升管、下降管。而小型管壳式余热锅炉采用锅壳上部的空间进行汽水分离。7、余热锅炉与普通锅炉相比的特点余热锅炉的主要特点如下：高温高压，如合成氨生产中重油汽化炉后的余热锅炉，进口气温为1350℃，压力为3.2～4.0Mpa;急冷，在某些工艺过程（如石油烃裂解制乙烯）中，为减少副反应，需尽快的将气体降温，因而余热锅炉应具有高的传热速率；严格控制气体出口温度，发欧文气体（如烃解气）冷却时，若温度低于高沸点组成的露点，这些组分将冷凝析出；如果其中含有腐蚀性气体，还会形成酸雾，腐蚀设备；粉尘含量高，某些高温气体含有粉尘（如硫酸厂沸腾炉出口炉气含尘量约为200g／m³），石油裂解气中含有炭黑等微粒，必须在结构上充分考虑粉尘堵塞和冲刷磨损；低的压力降，气体的压力降必须控制在工艺条件许可的范围内；密封，有些高温气体是易燃、易爆或有毒的，这是密封常成为余热锅炉生产设计中的难题。8、一段式、二段式结构的火管锅炉的结构特点一段式结构:余热锅炉内装有一束列管，中部等有调节阀的旁路，储热口部分和段间都衬有耐火材料，并且段间的耐火材料还带有外衬。二段式结构：由一中间隔室分隔，后段拥有内部旁路控制，使出口温度保持恒定，余热锅炉是卧式布置，能自然循环。采用加强管板，炉管与管板的焊接为全焊头结构，入口气室、入口管板和中间隔室的简体表面暴露于工艺气中的部位都有耐火衬里。9、普通列管式余热锅炉的结构组成普通列管式余热锅炉主要由烟气进口管箱、出气口、烟气出口管箱、管板、进水口、换热管、支座等组成。它根据安装形式分为立式、卧式和斜置式余热锅炉。10、薄管板式余热锅炉的结构特点薄管板式余热锅炉是一种双层薄管板形锅炉，其结构特点是上管板用普通厚度板作为固定点，下管板为柔性结构。为增减薄管板的强度，可用以特殊结构的棚板支承薄管板。壳程水进口处有遮板，使水进入后先向下流，然后经下管板再向上流动。下封头内裂解气进口处设有气体分布器，由两层不同角度的折流板组成，也用于乙烯装置高温裂解器的热回收。11、螺旋管式余热锅炉的结构特点螺旋管式余热锅炉又称盘管式余热锅炉，是一种新型结构的乙烯装置用余热锅炉。基本上位立式管壳式换热器，由气体分布器、双套管螺旋管、集流箱、汽水分离器、降水管等组成。它的结构特点是采用了180°的半螺旋状的双套管结构。它的优点是结构紧凑，能与裂解炉联合在线清焦，雾沫夹带少，使用原料范围广，操作安全。由于采用盘管结构，免除了壳体与管子之间因膨胀差而产生的热应力，运行可靠。缺点是结构复杂，用材讲究。它分为四角单层盘管式和四角双层盘管式两种。12、螺旋管式余热锅炉要控制气体在管内的流速对于螺旋管式余热锅炉，如果气体在管内流动速度过大，阻力损失和换热管的热强度增大，在气体入口的水侧管壁上易形成膜态沸腾，造成换热管局部过热，使管子受损；如果流动速度太小，管壁易积炭，使换热效率下降，所以一般控制流速在40m／s左右为宜。13、螺旋管式余热锅炉中心管的作用改善水循环，提高受热面冲刷速度，增加传热。支撑和固定盘管，防止盘管振动。14、螺旋管式余热锅炉壳体内分离罐的作用一是使高温气体在进盘管之前得到缓冲，使气体能更好、更均匀的分配于每根盘管；二是如果汽化炉衬里层一旦受到气体冲刷，掉落的碎片带入余热锅炉，则通过分离罐将其分离，壁面碎片堵塞换热器，。保证设备能正常运行。15、插入式余热锅炉的结构特点插入式余热锅炉主要适合于大产气量，较高蒸汽压力以及载热介质为高温、高压、高流量的操作条件。它的优点是在高温区域没有厚管板，不需要补偿因温差产生的相对伸长量，它本身不伸缩，受热面换热均匀；同时结构简单，安装维修方便。16、刺刀式余热锅炉的结构特点刺刀式余热锅炉由若干根双套管组成，水从管内流下，汽水混合物从外管上升，管外走的是高温介质。管板只设在高温介质出口的一端；双套管的外管焊接在管板上；内、外管之间的间隙等距离分布距爪，每一层各有3只，互为120°点焊在内管外壁上，以防止内管振动并保证同心度；壳程装几块挡板，主要也是起固定管束作用，防止高温气流引起外管振动，同时也改善了传热。17、刺刀式余热锅炉的锅壳都采用的保护措施因炉壳内通过高温气体，所以炉壳内必须采取以下保护措施。炉壳外加水夹套冷却，降低壳壁温度，防止高温气体通过炉衬窜到炉内壁产生局部热点，同时可以将高温气体中的水蒸气冷凝下来，在内壁形成水膜，防止壳壁腐蚀。炉壳内侧浇铸耐热混泥土，防止发欧文气体冲刷锅壳，降低炉壁温度。同时为看防止高温气体冲刷混泥土，在混泥土内部面衬金属板保护。18、椭圆集流管板余热锅炉的结构特点椭圆集流管板余热锅炉是一种双重管即套管式锅炉，其结构特点在于上、下管板均与椭圆管焊接，椭圆管的一端与内管相接，另一端与外管连接。裂解气走管内，水走管外。内、外炉管因温度不同而膨胀时，可有椭圆管吸收膨胀，根据椭圆形截面集流管的连接方式不同，分直排和同心圆排两种，这种锅炉主要用于乙烯装置高温裂解气的热回收。19、强制循环余热锅炉煅烧回转窑高温烟气煅烧回转窑高温烟气上图所示的余热锅炉就是强制循环余热锅炉。从汽包下部出来的水经一台循环泵后，进入蒸发器，是靠循环泵产生的动力使水循环的，称为“强制循环余热锅炉”。其特点是；各受热面组件的管子是水平的，受热面之间是沿高度方向布置，可节省地面的面积，并使出口处的烟囱高度缩短。但在运行中需要循环泵，使运行复杂，增加维修费用。目前油田进口的余热锅炉，多数采用此种型式。20、自然循环余热锅炉煅烧回转窑高温烟气上图是一台自然循环余热锅炉，全部受热面组件的管子是垂直的。给水进入省煤器吸热后，进入汽包。汽包有下降管与蒸发部的下联箱相连，下降管位于烟道外面，不吸收烟气的热量。汽包还与蒸发器的上联箱相连。直立管簇吸收烟气的热量。当水吸收烟气热量就有部份水变成蒸汽，由于蒸汽的密度比水的密度要小得多，所以直立管内汽和水混合物的平均密度要小于下降管中水的密度，两者密度差形成了水的循环。也就是说：不吸热的下降管内的水比较重，向下流动。直立管内的汽水混合物向上流动，形成连续产汽过程。此时进入蒸发器的水不是靠循环泵的动力，而是靠流体的密度差而流动，这种余热锅炉称为“自然循环余热锅炉”。其特点是：省去循环泵，使运行和维修简单。但各受热面是沿水平方向布置，占地面积大，在排烟处所需烟囱的高度要高。21、余热锅炉的布置煅烧回转窑高温烟气上图余热锅炉的布置图，包括余热锅炉本体受热面及烟道系统，其特点如下：21.1烟气系统从煅烧回转窑出来的高温烟气有两路出口，一路进人余热锅炉，从主烟囱排人大气，另一路进入旁路烟囱排人大气。每路烟道上都装有挡板，共有三个挡板，主烟道上的挡板称“主挡板”，旁路烟道上的档板称“旁路档板”，主烟囱处的档板称“烟囱挡板”，各挡板是配合使用的。回转窑工作而余热锅炉不工作，要开启旁路挡板，关闭主挡板。燃气轮机与余热锅炉同时工作，要关闭旁路挡板，开启主挡板。另一方面为调节余热锅炉的产汽量，主挡板和旁路挡板可以部份开启或部份关闭，挡板调节的内容见后。余热锅炉工作时，应该开启烟囱挡板。当余热锅炉短时间停炉，可以关闭烟囱挡板，以防止余热锅炉内的热量损失。因为余热锅炉内温度比较高，周围冷空气可以进入余热锅炉，形成自然对流将热量带走，关闭烟囱挡板就能防止外界气流进入余热锅炉，以保存热量，准备随时起动余热锅炉。如果余热锅炉要停炉检修，希望冷却速度快些，可以开启烟囱挡板。水平烟道经过一个90转弯接头与余热锅炉相连，这个转弯接头是经制造厂试验研究后确定的，其形状尺寸必须要保证转弯后的气流分布均匀，均匀的气流能够使得烟气放热也均匀，管内水或汽的吸热也均匀，否则会使一些管子吸热多而另一些管子吸热少，这对余热锅炉的安全运行是不利的。主烟道和旁路烟道都装有膨胀节，这是由于烟道受热后要伸长，会对烟道的支架产生热应力。采用膨胀节能吸收烟道的伸长量，可以减小热应力。21.2汽包汽包是用悬吊的方式来固定，悬吊在伸出的悬臂框架上，悬臂框架与省煤器的框架相接。采用悬吊方式可以使汽包有足够的挠性，因汽包下部有下降管，上部有省煤器进水管、蒸发器的汽水混合物引入管以及饱和蒸汽引出管等，当这些连接管受热膨胀时，都会对设备产生附加应力，现在汽包用挠性支架，能减少对设备产生附加应力。20.3组件的装配整个余热锅炉分成几个大组件，每个大组件在制造厂组装好后装运。在现场直接安装，这样大大缩短安装工期。这些增加有：烟囱，膨胀节，90转弯段，支承框架，汽包，烟道，挡板，烟囱缩口，过热器，蒸发器I和II，省煤器，旁路烟道及其挡板和膨胀节等。1内壁2外壁3保温层4连接螺栓5法兰6法兰螺栓有热烟气流过的组件均装有管箱板，管箱板上有法兰。上图示出了上下拉杆组件管箱板的连接方式。考虑到减少散热损失，保证运行人员安全，管箱板由金属板与保温层组成。与高温烟气接触的内壁采用耐热合金钢板，外壁采用碳钢板。两金属之间是矿物纤维保温层，外壁和内壁用螺栓连接，螺栓预先焊在外壁钢板的内侧，在内壁相应位置处预先冲孔眼，孔的直径要比螺栓直径大，多余的孔隙量可以允许内壁和外壁有相对移动。这是因为内壁和外壁的温度不同，材料不同，受热后的膨胀伸长量也不同，所以两壁之间会有相对移动。外壁上焊有加强框架，可保证管箱板的强度和刚度，外壁的两端焊有法兰，可以用来连接组件。烟气在余热锅炉中自下而上流动，烟温逐渐降低，所以管箱板的保温层厚度也可减薄，省煤器出口的烟气温度不超过200℃，可以直接用碳钢的钢板制造烟道，来代替管箱板。22、受热面组件的特点受热面组件指的是省煤器、蒸发器和过热器，分别组成四个组件，其结构型式基本上是相同的。只有管子直径及有关尺寸略有不问，各组件由管组、联箱、管箱板和支吊架组成，现分别叙述之。22.1．管组受热面组件装配A准备管子，锉坡口B焊接弯头及连接直管C