白林波

（江西四冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司）

直接利用蘭炭顯熱發(fā)電鍋爐技術(shù)的研究

白林波

（江西四冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司）

本文詳細(xì)地介紹了一種利用高溫蘭炭顆粒流與膜式受熱面直接進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生較高溫度和較高壓力的蒸汽進(jìn)行發(fā)電的一種余熱鍋爐的研發(fā)設(shè)計(jì)過程；同時(shí)介紹了通過實(shí)驗(yàn)方法確定的蘭炭表觀導(dǎo)熱系數(shù)以及通過流體分析軟件模擬計(jì)算確定的余熱鍋爐各節(jié)點(diǎn)蘭炭溫度和各受熱面平均傳熱系數(shù)。

蘭炭顯熱；直接利用；余熱鍋爐；蘭炭表觀導(dǎo)熱系數(shù)

1 蘭炭及蘭炭顯熱利用方法

蘭炭又稱半焦、焦粉，是利用神府煤田盛產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)侏羅精煤塊燒制而成的，作為一種新型的炭素材料，以其固定炭高、比電阻高、化學(xué)活性高、含灰份低、鋁低、硫低、磷低的特性，逐步取代冶金焦而廣泛運(yùn)用于電石、鐵合金、硅鐵、碳化硅等產(chǎn)品的生產(chǎn)，成為一種不可替代的炭素材料。蘭炭結(jié)構(gòu)為塊狀，粒度一般在40mm以下，顏色呈淺黑色。

蘭炭的生產(chǎn)多以低溫干餾為主，低溫干餾是指在隔絕空氣或者非氧化氣氛下將煤加熱，最終得到焦油、煤氣和蘭炭的工藝過程。干餾溫度一般在600℃左右，低溫干餾生產(chǎn)的蘭炭溫度大約為500～600℃，需要將該溫度下的蘭炭冷卻至250℃以下。傳統(tǒng)冷卻蘭炭的方法有：水激冷法和干熄焦法。水激冷法是指將冷水噴淋到蘭炭上，迅速降低蘭炭的溫度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是冷卻速度快，缺點(diǎn)是需要消耗大量的冷水并產(chǎn)生蒸汽污染環(huán)境，并且生產(chǎn)的蘭炭含水量較高（可達(dá)20%以上），蘭炭利用的時(shí)候需要再次干燥而耗費(fèi)巨大的能量。干熄焦法是將蘭炭投入干熄焦?fàn)t，通入低溫的惰性氣體，冷卻蘭炭。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：惰性氣體作為中間載體用于冷卻高溫蘭炭，惰性氣體被加熱至較高溫度并被用作余熱鍋爐的熱源；該方法的缺點(diǎn)是：余熱利用系統(tǒng)采用惰性氣體作為熱載體，在傳輸過程中熱損失較大，并且干熄焦余熱利用系統(tǒng)比較復(fù)雜，風(fēng)機(jī)等設(shè)備的電耗較高，系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較高。

針對蘭炭顯熱利用中存在的以上問題，采用蘭炭顆粒流與鍋爐膜式壁直接進(jìn)行熱交換的方法將是一種更為有效的熱利用方法。該方法原理為：蘭炭顆粒緩慢流過鍋爐膜式壁，蘭炭蘊(yùn)含的熱量通過熱傳導(dǎo)將自身的熱量傳遞給換熱管壁，進(jìn)而傳遞給管內(nèi)的工質(zhì)水或蒸汽，產(chǎn)生較高溫度和較高壓力的蒸汽進(jìn)行發(fā)電。該方法具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，既能達(dá)到熄焦的目的，又能高效傳熱，比較有效地利用了蘭炭顯熱。

基于以上理念，鄭州某鍋爐制造廠家為曹妃甸某蘭炭生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)了一臺直接利用蘭炭余熱產(chǎn)生中溫中壓蒸汽用來發(fā)電的鍋爐。

2 直接利用蘭炭顯熱發(fā)電鍋爐設(shè)計(jì)依據(jù)

1）進(jìn)口固體顆粒流量：140t/h。

2）進(jìn)口固體顆粒直徑：50目～30mm。

3）進(jìn)口固體顆粒溫度：550～600℃。

4）額定蒸發(fā)量：20t/h。

5）額定蒸汽壓力：3.82MPa。

6）額定蒸汽溫度：400℃。

7）給水溫度：104℃。

8）排污率：2%。

9）出口固體顆粒溫度：小于215℃。

10）鍋爐效率：大于55%。

3 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)簡介

鍋爐采用單鍋筒橫置式的自然循環(huán)水管鍋爐，高溫固體顆粒從上部進(jìn)料口往下進(jìn)料，依次經(jīng)過過熱器、對流管束、省煤器、軟水加熱器后落入物料回收設(shè)備，如下圖所示。

圖 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)

鍋筒規(guī)格為φ1400×42，材料為Q245R（GB713）。

過熱器采用φ32×4的鍋爐管，材料采用12Cr1MoVG（GB5310），可耐580℃的管壁溫度，而物料進(jìn)口溫度僅為550～600℃，管子的安全性可以充分保證。過熱器管束采用順列布置，橫向間隔90mm，縱向間隔100mm，做成膜式結(jié)構(gòu)。鍋筒飽和蒸汽經(jīng)過飽和蒸汽連接管接入過熱器進(jìn)口集箱，經(jīng)過熱器管束過熱后由過熱器出口集箱上的主蒸汽出口閘閥接入用戶發(fā)電設(shè)備。過熱器出口集箱上設(shè)有噴水減溫器，可以保證蒸汽參數(shù)。過熱器進(jìn)口集箱為φ159×10，材料采用20（GB3087），出口集箱φ159×10，材料采用15CrMoG（GB5310），可耐熱550℃的管壁溫度，從而保證安全。

對流管束兩級布置，兩級均采用φ42×4的鍋爐管，材料采用20（GB3087），橫向沖刷順列布置，橫向間隔100mm，縱向間隔160mm，省煤器蛇形管采用膜式結(jié)構(gòu)，從而大大提高受熱面積，鍋水經(jīng)鍋筒下部集中下降管分別接入每一級對流管束下集箱，受熱后，汽水混合物經(jīng)導(dǎo)汽管進(jìn)入鍋筒。經(jīng)水動力計(jì)算，對流管束循環(huán)倍率5.1倍，循環(huán)流量102.7t/h，重位壓差可以克服流動阻力，水循環(huán)安全可靠。

省煤器采用φ32×4的鍋爐管，材料采用20（GB3087），橫向沖刷順列布置，橫向間隔90mm，縱向間隔100mm，蛇形管采用膜式結(jié)構(gòu)，有效提高受熱面積，除氧器來水經(jīng)過給水母管接入省煤器進(jìn)口集箱。給水經(jīng)省煤器管束加熱后經(jīng)省煤器出口集箱通過給水連接管引入鍋筒。

軟水加熱器采用φ32×4的鍋爐管，材料采用20（GB3087），橫向沖刷順列布置，橫向間隔90mm，縱向間隔100mm，蛇形管采用膜式結(jié)構(gòu)，有效提高受熱面積，除鹽水經(jīng)過軟水加熱器加熱后進(jìn)入除氧器。

4 關(guān)鍵技術(shù)的解決

（1）進(jìn)料均勻性問題

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所限，余熱鍋爐進(jìn)料口直徑只有500mm，而受熱面截面尺寸為6000mm×6000mm，下落高度只有2.2m，為保證進(jìn)料均勻，在2.2m的高度上設(shè)置多層擋板，采用落料層層分流的方式來保證進(jìn)料均勻。同時(shí)配有料位檢測裝置監(jiān)控料位。

（2）出料均勻性問題

只有保證進(jìn)出料均勻，才能保證蘭炭顆粒在受熱面中均勻流動，不留死角，所以在鍋爐底部均勻布置了16臺出料機(jī)，出料機(jī)料倉的斜角大于蘭炭的自然堆積角，保證出料均勻暢通無死區(qū)，出料速度通過控制出料機(jī)的電機(jī)頻率來保證。

（3）鍋爐密封性問題

由于蘭炭顆粒中含有煤氣，壓力3000～5000Pa，所以在使用過程中絕對不能漏氣。該鍋爐采用的是管箱結(jié)構(gòu)，外側(cè)板設(shè)計(jì)時(shí)考慮了密封和膨脹，鍋爐運(yùn)行前必須做氣密性實(shí)驗(yàn)。

（4）蘭炭表觀導(dǎo)熱系數(shù)和各受熱面?zhèn)鳠崽匦缘拇_定問題

我公司委托西安交通大學(xué)鍋爐研究所通過實(shí)驗(yàn)研究確定蘭炭表觀導(dǎo)熱系數(shù)和該鍋爐各受熱面的傳熱特性。

根據(jù)西安交通大學(xué)鍋爐研究所研究報(bào)告《測量蘭炭表觀導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告及余熱鍋爐換熱數(shù)值模擬計(jì)算》，100～500℃范圍內(nèi)蘭炭表觀導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，由于蘭炭顆粒流速很低，假定蘭炭顆粒在計(jì)算單元內(nèi)靜止不動，不計(jì)算顆粒的流動，只計(jì)算熱傳導(dǎo)，通過流體分析軟件GAMBIT建模分析計(jì)算，確定余熱鍋爐各節(jié)點(diǎn)蘭炭溫度和各受熱面平均傳熱系數(shù)見表2。

另外實(shí)驗(yàn)還對橫向間距、縱向節(jié)距、鰭片厚度、管徑對受熱面換熱性能的影響做了研究，得出下面結(jié)論：

隨著橫向節(jié)距的減小、縱向節(jié)距的減小、鰭片厚度的增大、管徑的增大均有利于蘭炭的換熱，增強(qiáng)蘭炭的冷卻效果。

減小橫向間距和縱向節(jié)距可以增強(qiáng)換熱效果，但是橫向間距和縱向節(jié)距不能無限小。在設(shè)計(jì)余熱鍋爐時(shí)，要在保證蘭炭能夠正常流動的前提下，盡可能地減小橫向間距，縱向節(jié)距由公司彎管工藝確定，盡可能小。

較厚的鰭片有利于余熱鍋爐的換熱，但是鰭片過厚會使鍋爐的耗鋼量變得很大，投資較大，因此要在成本增加不大的情況下，選用較厚的鰭片。

受熱面管徑的尺寸越大，換熱效果越好，但管徑尺寸對換熱效果的影響較小，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)主要考慮管內(nèi)工質(zhì)的流動阻力較小并且管外通道足以保證蘭炭顆粒流的正常流動即可。

表1 蘭炭表觀導(dǎo)熱系數(shù)

表2 余熱鍋爐各節(jié)點(diǎn)蘭炭溫度和各受熱面的平均傳熱系數(shù)

5 結(jié)束語

解決了以上關(guān)鍵問題后，我公司于2014年成功地研發(fā)了該鍋爐產(chǎn)品，經(jīng)過制造、安裝、調(diào)試，產(chǎn)品性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該產(chǎn)品的成功研發(fā)為固體顆粒顯熱直接利用提供了一種全新的經(jīng)驗(yàn)。

[1]白林波. 造氣爐三廢的處理與綜合利用[J]. 節(jié)能，2006（11）:47-49.

[2]劉銀河，等. 測量蘭炭表觀導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告及余熱鍋爐換熱數(shù)值模擬計(jì)算[R]. 2014.