余熱鍋爐頂部爐殼的密封保護(hù)裝置研究與應(yīng)用

廖建良，談春華，何英杰，阮興龍

湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，湖南長沙，410117

0 引言

余熱鍋爐和傳統(tǒng)鍋爐不同之處在于其體內(nèi)不發(fā)生燃燒反應(yīng)過程，其本質(zhì)上僅是一種換熱器，既節(jié)能又環(huán)保，利用高溫?zé)煔狻⒒瘜W(xué)反應(yīng)過程、可燃?xì)怏w和高溫產(chǎn)品中含有的多余熱量通過換熱器將給水加熱從而產(chǎn)生低、中或高壓的水和蒸汽，用于自身工藝流程、進(jìn)入輸配管網(wǎng)供熱或向汽輪機(jī)等裝置提供做功工質(zhì)[1]。因此余熱鍋爐在冶煉、水泥生產(chǎn)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，在所應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)中因其做到將燃料燃燒的余熱實(shí)現(xiàn)了最大回收和充分利用，節(jié)約了資源還帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)價值。雖然余熱鍋爐在生產(chǎn)中發(fā)揮著節(jié)能環(huán)保的作用，但目前在用的余熱鍋爐頂部爐殼依然有熱效率低和環(huán)保效果不理想的情況[2]。對此，本文詳細(xì)分析了一種余熱鍋爐頂部爐殼的密封保護(hù)裝置，可有效解決現(xiàn)存問題，使余熱鍋爐的節(jié)能環(huán)保效果最優(yōu)化。

1 余熱鍋爐概況

節(jié)能是一個國家能夠可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，如果我們還堅(jiān)持傳統(tǒng)的能源利用方式，不能使資源有效地循環(huán)利用，就會使社會的整個資源環(huán)境加劇惡化，并且造成能源的快速枯竭。據(jù)可靠資料，我國工業(yè)能源的消耗在總體成本中占有較多的份額，而能源的有效使用率僅僅有三成左右，成本支出比歐洲發(fā)達(dá)國家高出很多，所以考慮到經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能設(shè)備的推廣是勢在必行的一大舉措。長期以來，我國鋼鐵、有色、煤炭、建材、化工、紡織等行業(yè)余能沒有得到充分利用，如鋼鐵企業(yè)的高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐氣，煤炭企業(yè)的焦?fàn)t煤氣，各種窯爐的高溫?zé)煔?，化工企業(yè)的化學(xué)反應(yīng)熱能，水泥企業(yè)水泥窯的低溫余熱大量放空，造成能源的嚴(yán)重浪費(fèi)，同時也污染了環(huán)境[3]。

余熱鍋爐，是利用各種工業(yè)過程中的廢氣、廢料或廢液中的顯熱或（和）其可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量的鍋爐。余熱鍋爐將工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量余熱能源進(jìn)行二次利用，可以在工業(yè)生產(chǎn)中大顯身手，利用生產(chǎn)過程中的工藝余熱產(chǎn)生高溫高壓蒸汽發(fā)電，是工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能減排、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的有效設(shè)備。余熱鍋爐的高壓、高溫過熱蒸汽用來驅(qū)動大功率背壓式汽輪機(jī)，以直接拖動大型機(jī)器，例如大型壓縮機(jī)、大型泵和風(fēng)機(jī)等[4]；中壓蒸汽，一部分用在凝氣式中壓汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，以供各種中小型機(jī)器和照明用，另一部分中壓蒸汽可以供中壓工藝蒸汽用，或者供中壓蒸汽輪機(jī)直接拖動中型機(jī)器；而低壓蒸汽作為低壓工藝蒸汽和采暖用。這樣一來既回收了余熱，節(jié)約了原料蒸汽，又節(jié)省了燃料，使產(chǎn)品成本大大降低。因此余熱鍋爐在各行各業(yè)中均獲得廣泛應(yīng)用。尤其是20世紀(jì)70年代以來，由于世界的能源逐漸短缺，而能源需要量則日漸增多，有些工業(yè)國家出現(xiàn)能源危機(jī)，因此節(jié)約能源的呼聲甚高，節(jié)能措施和技術(shù)的研究者也日益增多。我國建設(shè)節(jié)約型社會，這方面的研究也在緊張進(jìn)行當(dāng)中。余熱鍋爐是節(jié)能工作中回收熱能用得最普遍、最多的一種技術(shù)裝備，因而對余熱鍋爐的研究和應(yīng)用，將對能源節(jié)約起著極為重要的作用。

2 余熱鍋爐運(yùn)行現(xiàn)況及存在的問題

2.1 余熱鍋爐爐殼的作用和要求

余熱鍋爐的爐殼是鍋爐的隔絕外殼，起著絕熱和密封的作用，形成煙氣的通道，并構(gòu)成了燃燒室和煙道等的外形。

（1）防漏作用。首先，爐殼應(yīng)具有密封功能，防止正壓運(yùn)行的爐內(nèi)煙氣外泄，以免威脅現(xiàn)場作業(yè)人員的安全和影響環(huán)境衛(wèi)生，同時防止負(fù)壓運(yùn)行時，外界的冷空氣漏入爐膛和煙道，降低鍋爐的經(jīng)濟(jì)效果。

（2）耐火保溫。熱量由高溫向低溫傳遞，為了防止熱量從鍋爐受熱面向外散失，就需要對這些部件進(jìn)行耐火保溫，特別是爐膛溫度比較高，直接敷設(shè)保溫層是不可能的，必須先敷設(shè)耐火材料，必要時還要增加隔熱層，然后再敷設(shè)保溫層，才能減少鍋爐的散熱損失，提高鍋爐的熱效率，降低爐墻表面的溫度，改善現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動條件。

為了達(dá)到爐殼保溫的要求，爐殼熱力計(jì)算主要指標(biāo)參見表1。

表1 爐殼熱力計(jì)算主要指標(biāo)

（3）組成煙氣通道。爐殼和受熱面有機(jī)結(jié)合，使煙氣沿一定的通道流動，完成熱交換 過程。

（4）一定的機(jī)械強(qiáng)度。鍋爐運(yùn)行中，爐殼將受到一系列機(jī)械的作用。爐內(nèi)火焰的脈動會引起爐殼的振動。運(yùn)行工況惡化產(chǎn)生的爆燃對爐殼是一個很大的破壞力。為此除要求爐殼材料須具有足夠的強(qiáng)度外，還要求爐殼結(jié)構(gòu)本身具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

2.2 常見余熱鍋爐爐殼設(shè)計(jì)

余熱鍋爐爐殼設(shè)計(jì)外護(hù)板直接通過空氣自然冷卻，由于余熱鍋爐煙溫一般在1000℃以上，余熱鍋爐頂部爐殼為絕熱式保溫設(shè)計(jì)，一般分為三層：耐熱層是爐殼的內(nèi)層，受高溫的直接作用；保溫層是爐殼的中間層，起保溫或絕熱作用；密封層是爐殼的外層，起密封保護(hù)作用，實(shí)際結(jié)構(gòu)為“耐火磚+耐火澆注料+密封板+保溫棉”形式。以掛磚梁為骨架，耐火拉鉤磚堆砌，然后輔以耐火澆注料填充。內(nèi)保溫做好以后，加裝保溫棉和密封外護(hù)板等保溫材料，如圖2所示。

2.3 余熱鍋爐運(yùn)行中存在的問題

2.3.1 熱效率低，存在安全隱患

鍋爐爐殼長期承受燃燒室內(nèi)火焰或高溫?zé)煔饬鞯妮椛浜蜎_刷，在某些情況下，還可能有熔渣附在爐墻內(nèi)壁上，所以爐墻內(nèi)壁的溫度是很高的。絕熱式爐殼因?yàn)楸夭牧系慕^熱性能和施工工藝方面的問題，往往會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，局部鋼架、外護(hù)板處溫度甚至高達(dá)200℃，造成熱量損失，且易燙傷現(xiàn)場作業(yè)人員。

2.3.2 環(huán)保效果差，不易改進(jìn)

目前國內(nèi)余熱鍋爐運(yùn)行時普遍存在密封性能差的問題。絕熱式爐殼散發(fā)熱量使周圍空氣形成熱空氣對流加熱鍋爐外護(hù)板造成鍋爐整體外部溫度升高，增加了熱損失，同時，密封性能差造成煙氣逸出，攜帶灰塵顆粒散播影響環(huán)境、運(yùn)行安全和現(xiàn)場作業(yè)人員職業(yè)衛(wèi)生健康。但是單純地增加耐火澆注料的厚度勢必會造成頂部爐殼鋼架承重增加，運(yùn)行中容易垮塌?；覊m中的金屬離子能與工業(yè)生產(chǎn)中的SO2/SO3反應(yīng)生產(chǎn)酸，酸腐蝕留下銹垢形成粘結(jié)性積灰。鍋爐爐頂是最薄弱的環(huán)節(jié)，密封不妥的余熱鍋爐長期運(yùn)行時爐頂積灰嚴(yán)重，可增加鍋爐本體荷重，給余熱鍋爐運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患。

3 余熱鍋爐頂部爐殼密封裝置設(shè)計(jì)改造

為解決常見余熱鍋爐頂部爐殼運(yùn)行中存在的問題，使余熱鍋爐的節(jié)能環(huán)保效果最優(yōu)化，本文介紹了一種有效可行的密封裝置。該裝置通過密封保護(hù)頂部爐殼，利用風(fēng)機(jī)帶走頂部爐墻的熱量，從而使其在不影響余熱鍋爐正常運(yùn)行的前提下，更節(jié)能、環(huán)保和安全。余熱鍋爐頂部爐殼密封裝置示意圖如圖3、圖4所示，通過在爐殼的掛磚梁上增加密封保護(hù)板，利用頂部爐殼本身作為風(fēng)道，周圍冷空氣作為冷卻介質(zhì)在流經(jīng)頂部爐殼時帶走其散熱，利用軸流風(fēng)機(jī)作抽風(fēng)動力，將此部分熱風(fēng)鼓入本身為負(fù)壓狀態(tài)的穩(wěn)壓站。根據(jù)現(xiàn)場的空間局限性，可以將軸流風(fēng)機(jī)加在熱風(fēng)段，即將軸流風(fēng)機(jī)加裝在密封保護(hù)裝置的出口，如圖3中的方案一，也可以將軸流風(fēng)機(jī)加在冷風(fēng)段，即加裝在密封保護(hù)裝置的進(jìn)口，如圖4中的方案二。方案一中，將軸流風(fēng)機(jī)加在熱風(fēng)段，實(shí)際密封裝置中為微負(fù)壓狀態(tài)，對密封裝置的密封要求低，現(xiàn)場環(huán)境易于得到改善。方案二中，將軸流風(fēng)機(jī)加在冷風(fēng)段，實(shí)際密封裝置中為微正壓狀態(tài)，密封裝置的密封不嚴(yán)實(shí)，現(xiàn)場環(huán)境衛(wèi)生不能得到有效改善。所以方案一是優(yōu)選方案。

從經(jīng)濟(jì)成本和安全運(yùn)行兩方面綜合考慮，密封保護(hù)裝置宜采用輕質(zhì)鋼板焊接，并采用微拱形結(jié)構(gòu)。輕質(zhì)鋼板物美價廉，易于制作成形和現(xiàn)場焊接，同時，密封保護(hù)裝置并沒有增加余熱鍋爐本體太大的荷重。采用拱形結(jié)構(gòu)，使余熱鍋爐頂部不易積灰。

4 密封保護(hù)裝置效果

經(jīng)過設(shè)計(jì)改造，在用的余熱鍋爐在節(jié)能、環(huán)保、安全方面都能得到改善。同時，也可以給鍋爐設(shè)計(jì)制作單位提供一些設(shè)計(jì)思路，有利于余熱鍋爐在工業(yè)生產(chǎn)各個行業(yè)的推廣。

4.1 實(shí)現(xiàn)三次節(jié)能

因?yàn)檫M(jìn)口煙溫溫度比較高，目前，國內(nèi)外對于余熱鍋爐密封裝置的研究主要集中在進(jìn)料方面，而對煙溫利用之后能源三次利用的密封和節(jié)能很少涉及。因?yàn)橛酂徨仩t產(chǎn)生的蒸汽溫度、流量受工況影響變化，用穩(wěn)壓站能實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度和流量的穩(wěn)定。余熱鍋爐收集的熱風(fēng)可以送到穩(wěn)壓站，提供了空氣的溫度和熱能，強(qiáng)化了燃燒和傳熱，達(dá)到了節(jié)能的目的。余熱鍋爐爐頂改造前、后相關(guān)性能指標(biāo)比較見表2。

表2 改造前、后相關(guān)性能指標(biāo)比較

4.2 改善現(xiàn)場環(huán)境衛(wèi)生和職業(yè)安全健康

余熱鍋爐的現(xiàn)場，給大家的印象往往是臟亂差，爐內(nèi)的高溫?zé)焿m往往含有硫等嚴(yán)重?fù)p害身體健康的物質(zhì)和成分。經(jīng)過改造，爐內(nèi)高溫有害煙氣不再溢出，現(xiàn)場環(huán)境衛(wèi)生得到改觀，現(xiàn)場作業(yè)人員不會因?yàn)楦邷責(zé)焿m而危害職業(yè)健康。

4.3 現(xiàn)場作業(yè)人員燙傷危險(xiǎn)得到解決

余熱鍋爐屬于高溫高壓類特種設(shè)備，其運(yùn)行的一個重大安全隱患就是燙傷。新的密封保護(hù)裝置給鍋爐新增了一個保護(hù)罩，通過實(shí)測，外殼溫度能降低10℃左右，保證了現(xiàn)場作業(yè)人員的人身安全，杜絕了現(xiàn)場作業(yè)人員的燙傷安全隱患。

4.4 解決了積灰影響鍋爐本體安全的隱患

余熱鍋爐頂部往往積灰嚴(yán)重，密封不妥的余熱鍋爐可增加鍋爐本體荷重?cái)?shù)噸甚至十幾噸，鋼梁承重負(fù)荷增加，如超出設(shè)計(jì)范圍，甚至帶來垮塌的風(fēng)險(xiǎn)[5]。改造后，增加的密封保護(hù)裝置為輕型，荷重沒有明顯增加，頂部的積灰現(xiàn)象得到改善，鋼梁的承重負(fù)荷得到改觀，能保證在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)消除余熱鍋爐鋼結(jié)構(gòu)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

余熱鍋爐常見爐殼設(shè)計(jì)外護(hù)板直接通過空氣自然冷卻，實(shí)際運(yùn)行中其效果不能滿足我們對余熱鍋爐本身經(jīng)濟(jì)性、密封性以及安全性等方面的要求。新型的頂部爐殼密封保護(hù)裝置彌補(bǔ)了其不足，將頂部爐殼密封并使用軸流風(fēng)機(jī)吸收周圍冷空氣強(qiáng)制冷卻爐殼，不僅減少了爐殼散熱損失、保護(hù)了爐殼本身安全，也完全避免了運(yùn)行現(xiàn)場作業(yè)人員在此處作業(yè)時的燙傷危險(xiǎn)，并且提高了爐墻密封性，降低了鍋爐泄漏風(fēng)險(xiǎn)和維保人員的清掃工作量。實(shí)現(xiàn)了熱效率的提高，消除了安全隱患，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的。