高温含灰立式废热锅炉的结构设计

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1、第42卷第3期化工机械37l高温含灰立式废热锅炉的结构设计+安连想”1齐波1张合生’徐祥2(1．天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2．中国科学院工程热物理研究所)摘要介绍了输运床气化系统的工艺流程，针对输运床气化中试装置的废热锅炉工艺条件，将整体立式结构废热锅炉分成3段，对关键部件(管板和换热管连接处)的温度场进行分析。基于温度场的分布，对关键受压元件(挠性薄管板)进行了强度的应力场分析和优化设计，根据废热锅炉整体设备的现场试车情况，基本达到了运行的要求，可为类似设备的工业化和进一步推广应用提供参考。关键词立式废热锅炉挠性薄管板结构设

2、计有限元分析中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2015)03-0371-05整体煤气化联合循环发电(IntegratedGasifi—cationCombinedCycle，IGCC)可以实现燃煤的高效、清洁和多样化利用，是21世纪主要的洁净煤发电方式之一⋯。IGCC发电技术具有较高的供电效率，目前循环效率可达42％～45％，其中煤气化后显热回收部分对供电效率的影响在4％一5％。废热锅炉是显热回收利用中的关键设备。主流煤气化技术有气流床气化、流化床气化和固定床气化。针对我国储量丰富的低阶煤和高灰熔点、高灰分的煤

3、，中国科学院工程热物理研究所正在研发粉煤加压密相输运床气化技术，该技术具有煤种适应性好、气化方式灵活、可靠性和可用率高及易于大型化等特点，是国际上正在研发、示范的新一代煤气化技术。输运床技术中(图1)，煤中灰分则以飞灰形式随高温高压煤气进入废热锅炉，废热锅炉中工艺气体具有高温、高压、较高含灰量、强还原性及腐蚀性等特点。因此，对废热锅炉的设计、制造提出了很高的要求。笔者针对输运床气化中试装置的废热锅炉工艺条件，将废热锅炉分成3段，整体采用立式结构，进行工艺计算和强度优化设计。1工艺流程输运床气化技术中(图1)，通过煤进料系统将粉煤加入气化炉，

4、粉煤与空气或氧气与蒸汽进行气化反应生成工艺气，其主要成分有H：、CH。、CO、CO：及N：等，灰分以飞灰形式随高温高压煤气进入废热锅炉，工艺气温度经废热锅炉需从950～1050℃降至350℃左右，同时产生中压蒸汽。工艺气中的灰分经颗粒控制系统移除，相对纯净的工艺气经脱硫工段，进入下游工序。图1输运床气化技术流程框图·中国科学院院地合作项目(YDJDBNJ-2011-003)，连云港市工业攻关项目(CGl011)。·}安连想，男，1982年4月生，工程师。甘肃省兰州市，730060。成气372化工机械2015钲此工艺的废热锅炉需产生过热蒸汽，

5、以提高显热利用效率。将废热锅炉分成3段，其中第一段为蒸发段，工艺气温度从1050。C降至750。C；第二段为过热段，工艺气温度从750't2降至420。C；第三段工艺气为蒸发段，工艺气温度从420。C降至350。C。其中第一、第二段之间可采用喷水激冷降温的方式，以调节工艺气温度并减少碱金属在换热管中凝结。废热锅炉工艺流程如图2所示。图2废热锅炉工艺流程框图2设备型式和结构针对输运床气化中试装置的废热锅炉工艺条件，煤中灰分直接以飞灰形式随高温高压煤气进入废热锅炉，为考虑灰分的流动性和废热锅炉的长周期安全运行，废热锅炉采用立式结构型式(图3)。

6、图3立式废热锅炉结构简图(旋转90。)根据工艺需要将废热锅炉分成3段：第一段间有一定的空隙，因此两者之间又进行辐射换热。为蒸发段，管板采用挠性薄管板结构；第二段为过管板和换热管连接处温度场如图4所示。热段，管板采用浮头式与膨胀节联合的结构；第三段为蒸发段，管板采用挠性薄管板结构。其中挠性薄管板结构解决了管板热应力及管子和壳体膨胀差引起的应力问题。对于高温、高压、高含尘量的工艺气，采用火管结构方式的废热锅炉，关键是通过关键部件的结构优化和控制流速来防止管程结垢，以便管程流动顺畅。自然循环系统中立式废热锅炉不倾斜，水汽混合物由废热锅炉顶部引出，

7、对上管板结构提出了特殊的要求，以防止饱和蒸汽滞留于上管板区域带来问题。3管板和换热管连接处温度场分布情况换热管高温入口处的温度难以准确计算，此区域的换热是集导热、对流和辐射于一体的换热过程。在人口处加载温度后，高温工艺气与保温材料和保护管之间进行导热传热；气体不断向管内流动，与保护管进行对流换热，保护管与钢管之图4管板和换热管连接处温度场通过分析温度场可以得出：管板和换热管两者受压元件的最高温度值分别为346．58。C和328．47。C，为选材和应力强度分析提供了依据。4结构应力强度分析4。1有限元分析模型由于设备第二段采用膨胀节结构，笔者

8、对其结构强度不再分析。第一段与第三段结构型式一致，但第一段相比第三段工况条件更为苛刻，因此对第一段进行强度应力分析。此设备具有结构对第42卷第3期化工机械373称性，采用全模型的