產(chǎn)過熱蒸汽的對流廢熱鍋爐方案參考

于洪喜

（中核核電運行管理有限公司運行五處 浙江嘉興 314000）

1 背景及目的

中國能源結(jié)構(gòu)中，煤電占主導地位，預計到21 世紀中期，煤電仍將占中國總發(fā)電量的50%左右［1］。隨著國家對環(huán)保的要求不斷提升和國內(nèi)外鍋爐技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)煤電技術(shù)的弊端越來越突顯，主要表現(xiàn)在排放污染高、零碳目標難實現(xiàn)、機組效率難提升、尾氣脫碳成本高等。IGCC系統(tǒng)是新一代煤電技術(shù)，最大的優(yōu)點就是相對清潔，易于達到國家環(huán)保目標的要求。該系統(tǒng)先將固態(tài)煤進行氣化，并經(jīng)過凈化后進入聯(lián)合循環(huán)裝置進行發(fā)電，其特點是環(huán)保效果好、發(fā)電的效率相對高、煤渣和循環(huán)水可再利用以便節(jié)約資源、尾氣中脫碳成本低等，解決了傳統(tǒng)煤電的很多弊端。IGCC系統(tǒng)既能實現(xiàn)煤基多聯(lián)產(chǎn)，又能像天然氣一樣高效、清潔發(fā)電，是國際能源領(lǐng)域戰(zhàn)略必爭的核心技術(shù)，對中國能源資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義［2］。

由于受限于技術(shù)水平等因素的制約，我國在IGCC對流廢熱鍋爐型式，特別是產(chǎn)過熱蒸汽鍋爐型式選取方面，至今還沒有一個比較成熟的方案可以作為指導。因此，本文用現(xiàn)在已經(jīng)掌握的及能夠查閱到的知識來對產(chǎn)過熱蒸汽對流廢熱鍋爐的可行性進行了分析。在確認可行的前提下，對其結(jié)構(gòu)型式及材料進行了設(shè)計選取，并給出了熱力計算方法用以驗證設(shè)計出的鍋爐的可應用性，從而提供了一種可行的IGCC系統(tǒng)產(chǎn)過熱蒸汽廢熱鍋爐設(shè)計的參考方法［3］。

2 IGCC 工藝流程及廢熱鍋爐在IGCC 電站中的應用

IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）的中文名是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)，包括煤氣化、凈化、燃氣—蒸汽的聯(lián)合循環(huán)，具有熱效率高、環(huán)保等優(yōu)勢。IGCC 的工藝過程為：原料煤經(jīng)氣化轉(zhuǎn)化為煤氣，經(jīng)凈化除去NOX、硫化物、粉塵等，送入燃氣輪機燃燒，產(chǎn)生的高溫燃氣驅(qū)動燃氣透平做功，乏汽送入余熱爐與工藝水換熱，余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽機做功。主要設(shè)備包括氣化爐、煤氣凈化設(shè)備、燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機［4］。IGCC多聯(lián)產(chǎn)項目由多個單元相互集成為一個整體，系統(tǒng)依賴度高，對裝置穩(wěn)定性、可靠性要求高［5］。

在IGCC 發(fā)電工藝中，一般需要配備廢熱鍋爐，基本作用是把氣化爐出來的高溫工藝氣溫度降到后續(xù)工段所要求的水平，從而簡化工藝流程。另外，可以將含塵量降低到相當?shù)乃揭詽M足變換工藝的需要，同時，使大量余熱得以充分回收，有效提高電廠的熱利用率。本文在對IGCC整體上有了一定的了解的前提下，針對廢熱鍋爐易積灰、磨損的問題，給出了鍋爐主體的布置建議，布置過程中，始終遵循在保證傳熱的前提下盡量減少積灰、磨損的原則。

3 廢熱鍋爐的選型及布置

由于廢熱鍋爐壓力較高，且要達到產(chǎn)過熱蒸汽的目的，故一般選擇管殼式廢熱鍋爐作為選型參考。其中，螺旋上升管式和蛇形管式結(jié)構(gòu)相對簡單，易于布置，且兩種管子的熱膨脹性好，熱偏差相對較小，故作為優(yōu)先考慮的對象。采用螺旋上升管結(jié)構(gòu)時，欲達到產(chǎn)過熱蒸汽效果，在豎直方向上的空間要求會較大，從而為穩(wěn)妥起見，采用蛇形管式廢熱鍋爐，主要受熱面選用蛇形管，蛇形管外圍用膜式壁圍成腔體。

3.1 煙氣流通方式

該系統(tǒng)煙氣含灰分較高，如果使用火管廢熱鍋爐，將容易造成積灰，會影響鍋爐正常運行。況且，在現(xiàn)存的IGCC 電站中，火管式已經(jīng)不再使用。所以，將選擇水管式廢熱鍋爐作為設(shè)計方向。

3.2 汽水循環(huán)方式

自然循環(huán)廢熱鍋爐與強制循環(huán)廢熱鍋爐比較，有很多優(yōu)點。自然循環(huán)廢熱鍋爐系統(tǒng)簡單、投資較小且檢修容易。更為重要的是，自然循環(huán)廢熱鍋爐不需加裝循環(huán)泵，可有效降低能耗，這一點更為適合高效、環(huán)保的IGCC電站。綜合各個因素考慮，選擇自然循環(huán)作為蛇形管型對流廢熱鍋爐的汽水循環(huán)方式。

3.3 鍋爐外形布置

本方案中的對流廢熱鍋爐如圖1 所示，采用立式放置，外殼選用筒形殼體，煙氣由上到下沖刷鍋爐受熱面。這樣布置的好處是：受熱面容易布置成逆流形式；鍋爐出口在底層，風機、除塵器等都可以布置在地面，便于設(shè)備布置；有利于尾部煙氣吹灰塵；連接管道長度較短，消耗的金屬量小，占地面積小，安裝起吊方便。

圖1 典型IGCC系統(tǒng)雙廢鍋的布置型式

3.4 鍋爐爐體布置

鍋爐爐體布置可分為殼體布置、爐膛布置、集箱布置和受熱面布置這幾個部分。下文分別對這幾個部分的布置作簡要介紹。

由于廢鍋采用立式布置，整體很高，因此實際施工中，建議將殼體分為5 段，采用法蘭連接，密封采用橢圓形金屬墊片，殼體頂部采用球形封頭。

鍋爐爐膛直接與煙氣接觸，煙氣在爐膛內(nèi)縱向沖刷膜式壁，橫向沖刷蛇形管省煤器和蛇形管過熱器，其中的部分飛灰沉降在下部灰斗，在充分地被冷卻后，煙氣從布置在爐體下方的排煙口引出。爐膛整體由膜式壁包覆，在煙氣入口處附近，膜式壁內(nèi)不布置受熱面，從而能形成一個空洞，這樣做的目的是不致使入口處局部過熱，且采用方形布置，則施工難度相應降低。廢熱鍋爐中的煙氣含灰量很大，而且粉塵較細。在爐膛下部布置一個灰斗，煙氣中的部分飛灰及從爐頂和受熱面上滑落的積灰沉降在這里，這樣做的目的是降低煙氣中灰分的含量，凈化排煙。在爐膛的下部布置排煙口，將煙氣于此引出。

鍋爐集箱是鍋爐膜式壁、過熱器、再熱器等管子匯集處，是鍋爐重要的受熱受壓部件。集箱可以布置在殼體內(nèi)側(cè)的氮氣層內(nèi)，也可以布置在殼體外側(cè)。集箱布置在殼體外側(cè)的好處是可以使氮氣層厚度減小，降低殼體外徑，從而減小鍋爐體積；缺點是需要在殼體上開設(shè)大量管孔，造成殼體的強度降低，需要增加附加壁厚來提高殼體強度，這樣就會增大金屬的耗用量。集箱布置在氮氣層的好處是大量減少了殼體的管孔數(shù)，降低了金屬消耗量；缺點是殼體體積增大，增加了設(shè)備的占用空間。本設(shè)計中選擇了集箱內(nèi)置的布置方法，這樣選擇的原因是減少了殼體的開孔數(shù)量，同時，管路布置在氮氣層可以起到保溫的作用，降低了工質(zhì)在運輸途中熱量的消耗，提高了鍋爐效率。集箱的具體布置分為6個部分，共12個豎集箱：下部5個豎集箱和進水管相連接，進水通過該集箱中的4 個豎集箱分配到膜式壁和通過另一個豎集箱分配到蛇形管省煤器之中。中部3 個豎集箱所起作用各不相同，其中一個負責收集蛇形管省煤器的飽和水并輸送到氣包中；另一個與汽包上部相連，為蛇形管過熱器輸送飽和蒸汽；還有一個豎集箱負責收集過熱器產(chǎn)生的過熱蒸汽。下部環(huán)形集箱與下部豎集箱連接，負責為膜式壁提供入水。上部環(huán)形集箱收集膜式壁中加熱后的飽和水輸送入氣包，起到類似于省煤器的作用。由于本鍋爐集箱布置在氮氣層里，不直接受熱，所以其選材范圍較為廣泛，可以選用SA-335P91，這種材料強度高、價格低廉。

4 熱力計算標準的選擇

世界各國的熱力計算方法標準不統(tǒng)一，目前標準有很多。當前的計算方法基本都是基于半經(jīng)驗形式，精確程度往往影響到各個部位工質(zhì)溫度的設(shè)計準確度，每種方法的選用取決于各制造廠家的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。多年以來，中國鍋爐設(shè)計所用的方法一般選用的是前蘇聯(lián)兩個聯(lián)合標準方法（1957年和1973年）。改革開放以來，我國也引進了不少歐美機組，與此同時，也隨之引進了一些歐美的計算方法。

我國學者有人將蘇聯(lián)方法與歐美方法進行了比較，證實CE標準的計算精度要求較高，但是CE標準所選取的漏風量偏小，而我國鍋爐建設(shè)后的實際漏風一般偏大，同時，在傳熱計算中，傳熱系數(shù)沒有考慮沾污系數(shù)、沾污壁溫的概念。而實際燃煤鍋爐加熱面表面的積灰是不可能避免的，特別是我國所產(chǎn)燃煤中，灰含量一般相對較高。CE公司計算的時候，將爐膛分為上下兩段進行計算，并選用不同方法，下爐膛所采用的方法，其適用性于我國來說并不適用，由于煤炭質(zhì)量的問題，并不能完全套用CE 公司的標準。另外，蘇聯(lián)的兩種熱力計算方法來說也不盡相同，在鍋爐熱力設(shè)計時，需要計算對流換熱和輻射換熱，兩種方法的計算過程也不盡相同。本文主要是針對國內(nèi)IGCC 電站進行廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，故而結(jié)合國內(nèi)煤質(zhì)及機械制造工藝，選取蘇聯(lián)1973年熱力計算標準中給出的A.M古爾維奇零維模型作為本設(shè)計蛇形管型廢熱鍋爐的熱力計算方法。該方法計算過程簡單、實用性強，更適用于本設(shè)計中這種結(jié)構(gòu)相對簡單的廢熱鍋爐的設(shè)計。

廢熱鍋爐熱力計算的目的在于，根據(jù)鍋爐的給定初始工作條件，如輻射廢熱鍋爐出來的煙氣的成分組成、熱力性質(zhì)、流量、進出口溫度、進出口壓力、給水溫度和出口蒸汽參數(shù)等進行計算，以最終選定廢熱鍋爐的形式與結(jié)構(gòu)，并最終確定換熱面積及換熱元件的布置和尺寸等。熱力計算是廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，是為其他計算等提供了必要的數(shù)據(jù)和條件，所以熱力計算是廢熱鍋爐設(shè)計中非常重要的組成部分。無論是采用立式，還是臥式廢熱鍋爐，都需要根據(jù)經(jīng)濟、技術(shù)比較分析等來確定［6］。

對于廢熱鍋爐做熱力計算，按下列步驟進行。

（1）物性計算。根據(jù)煙氣的組成和參數(shù)（溫度、壓力），進行與混合氣體有關(guān)的物性計算。制成表格，這樣能使后續(xù)的計算方便省時，易于檢查錯誤。

（2）熱平衡計算。根據(jù)煙氣的進出口條件，計算求出換熱量，然后確定廢熱鍋爐的水蒸氣蒸發(fā)量，即產(chǎn)蒸汽量。

（3）選型。根據(jù)熱氣體和蒸汽的溫度、壓力及熱氣體的物理、化學性質(zhì)，選擇廢熱鍋爐的形式、結(jié)構(gòu)和材料。

（4）傳熱計算。初步布置換熱面，排列管程，畫廢熱鍋爐簡圖。然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)計算傳熱系數(shù)K，再根據(jù)傳熱基本方程式估算傳熱面積的大小，求平均溫差。然后再調(diào)整結(jié)構(gòu)，直到實際傳熱量與設(shè)計傳熱量的相對誤差小于±2%。