“双纵锅筒＋对流管束”烟道式余热锅炉的设计探讨

何上俊

（佛山市科能锅炉制造有限公司，广东佛山528216）

“双纵锅筒＋对流管束”烟道式余热锅炉的设计探讨

何上俊

（佛山市科能锅炉制造有限公司，广东佛山528216）

介绍了“双纵锅筒＋对流管束”烟道式余热锅炉的结构特点，着重分析了热力计算，提出了不同于JB/T 7603-94《烟道式余热锅炉设计导则》的烟气侧放热量的计算式，说明了锅炉的运行特点。

烟道式余热锅炉；结构；热力计算；运行

1 前言

许多冶金工业的生产工艺过程中，需要经过退火处理，热处理炉所排放的烟气温度很高，携带的热量巨大，有必要将此热量回收利用，而余热锅炉在烟气余热回收领域中得到广泛应用。余热锅炉主要有三种结构形式，即烟道式、管壳式、烟道与管壳组合式余热锅炉。笔者曾根据以天然气为燃料的退火炉所排放的烟气，设计了小系列的烟道式余热锅炉。在设计过程中，热力计算采用了JB/T 7603-94《烟道式余热锅炉设计导则》及《层状燃烧及流化床燃烧工业锅炉热力计算方法》。本文以QC25/750-2-1.0型烟道式余热锅炉为例，介绍“双纵锅筒＋对流管束”烟道式余热锅炉（配钢管省煤器）的设计及运行，着重介绍了热力计算，提出了不同于JB/T 7603-94《烟道式余热锅炉设计导则》的烟气侧放热量的计算式。

2 锅炉基本参数

额定蒸发量D：2 t/h

额定工作压力P:1.0 MPa

额定蒸汽温度tj:(饱和)184℃

给水温度tgs:20℃

余热烟气流量V0:25000 m3/h

余热烟气温度υy:759℃

冷空气温度tl.a:30℃

排热温度tpy:181℃

排烟处过量空气系数α:1.07

排污率:5%

余热利用率η:72.35%

结构形式:双纵锅筒＋对流管束＋省煤器

3 结构特点

烟道式余热锅炉由锅炉本体、钢管省煤器、烟道系统组成，锅炉本体如图1所示，钢管省煤器如图2所示。

锅炉本体由锅炉受压主体、钢架、炉墙和保温、烟气进出口、平台和扶梯组成。锅炉受压主体由上锅筒、下锅筒、对流管束组成。

上锅筒包括前有孔封头及人孔装置、后无孔封头、锅筒筒体、进水装置、表面排污装置、汽水分离装置、相关管座（主汽阀管座、安全阀管座、放空阀管座、压力表管座、水位表汽水连管管座）。封头采用椭球型结构。

下锅筒包括前有孔封头及人孔装置、后无孔封头、锅筒筒体、定期排污装置。

图1 锅炉本体

图2 钢管省煤器

对流管束布置在上锅筒与下锅筒之间。基于两方面的考虑，①本余热锅炉所回收的是退火炉燃烧天然气所产生的烟气，不存在积灰，一般情况下无需吹灰，②在流速、管径相同时，烟气横向冲刷错列管束的对流放热系数最高，故此，对流管束采用错列布置。

钢架由锅炉底座、锅炉支架组成。

炉墙由里到外依次为耐火砖、珍珠岩保温层、轻质砖。对流管束内有二幅耐火砖墙，将烟气分为3个流程。上、下锅筒的非管排区由珍珠岩保温层进行保温。

烟气进出口分别开在前后炉墙上，由钢板制成，与锅炉钢架焊接固定，外置一个由角钢制成的长方形法兰，以便与烟道相连接。

锅炉扶梯采用爬梯形式，炉顶设置一个平台以便操作。

钢管省煤器由进口集箱、蛇形管、出口集箱、管夹装置、外壳组成。

整个余热锅炉的烟道系统包括主烟道和旁路烟道。

主烟道从退火炉排烟口开始，经膨胀节、主挡板、余热锅炉、钢管省煤器、引风机至烟囱，烟道外包保温。

旁路烟道从旁路烟道口（位于主挡板前的主烟道上）开始，经旁路挡板直接至烟囱，烟道外包保温。

锅炉本体的结构简单，制造及装配工艺也简单，所耗工时较短。传热系数高，整体尺寸较小，钢材耗量较少。漏风少，余热利用率高。锅炉本体整装出厂，安装方便、快捷。

4 热力计算

热力计算依据JB/T 7603-94《烟道式余热锅炉设计导则》（以下简称《导则》）及《层状燃烧及流化床燃烧工业锅炉热力计算方法》（以下简称《方法》）进行计算。

4.1 锅炉规范

锅炉规范请参看锅炉基本参数。

4.2 客户提供的余热烟气数据及三原子气体容积百分比计算，见表1。

表1 余热烟气数据及三原子气体容积百分比计算

4.3 余热烟气特性计算

按照《导则》6.1.2.1式6-1，总的烟气量取进入余热锅炉的烟气量、余热锅炉漏风量、吹灰介质的容积、辅助燃烧装置产生的烟气量之和，但因为本余热锅炉所回收的是退火炉燃烧天然气所产生的烟气，不存在积灰，不用吹灰，故不必计入吹灰介质的容积；又因为本余热锅炉不设置辅助燃烧装置，故也不必计入辅助燃烧装置产生的烟气量。故此，本余热锅炉总的烟气量等于进入余热锅炉的烟气量与余热锅炉漏风量两项之和。

余热锅炉漏风量为漏风系数与进入余热锅炉的烟气量的乘积。

受热面出口烟气量等于入口烟气量加上漏风量，受热面平均烟气量取入口烟气量和出口烟气量的算术平均值。

表2 余热烟气特性表

4.4 每标准立方米烟气的焓的计算

按照《导则》6.1.2.2式6-2，余热锅炉总的烟气的焓取烟气的焓、烟尘的焓、冷空气的焓之和，对于本余热锅炉，烟气不含尘，故总的烟气的焓取烟气的焓、冷空气的焓两项之和。

烟气的焓按《导则》式6-3计算，对于本余热锅炉，烟气的焓等于烟气中各组成气体CO2、H2O、SO2、N2、O2及空气的焓的和。

烟气中各组成气体的焓按《导则》式6-4计算，为某气体的容积、烟温、该烟温下某气体的定压比热三者的乘积。需要指出的是，在计算空气的焓时，空气容积取Va=1 m3，因为烟气的焓是按每标准立方米烟气计算的，而余热锅炉漏风量为漏风系数与进入余热锅炉的烟气量的乘积。

1 m3冷空气的焓取空气在30℃时的空气焓，Ⅰl.a=38.94 kJ/m3。

焓温表可参照下表3格式制作。

4.5 烟风关系

烟风关系如图3，显示了本余热锅炉的热力计算中余热烟气和漏风的温度、流量、焓值以及烟气放热量、工质吸热量之间的关系。

注：本图部分数据取自下文4.8、4.9的计算。

4.6 锅炉热平衡计算

（1）锅炉入炉热量按《导则》式6-7进行计算：参看上图3，锅炉入炉热量包括余热烟气和漏风带入的热量，余热烟气带入的热量等于进入余热锅炉的烟气量与750℃时的烟气焓的乘积，而漏风带入的热量等于进入对流管束及钢管省煤器的漏风量的总和乘以冷风焓。

（2）锅炉各项热损失及余热利用率的计算：锅炉热损失包括排烟热损失q2及散热损失q5。

（3）余热锅炉蒸发量的计算：《导则》6.1.5提供了式6-15计算蒸发量，需要指出的是，若要考虑蒸汽湿度的因素，则公式应变为（本文按此式计算）：

式中，D：锅炉蒸发量kg/h

Q′：进入余热锅炉的热量kJ/h

η：余热利用率%

W：蒸汽湿度,一般取3%

ρsw：排污率,一般取5% iss：饱和蒸汽焓kJ/kg isw：饱和水焓kJ/kg ifw：给水焓kJ/kg

4.7 对流受热面烟气侧放热量的计算式

表3 每标准立方米烟气的焓温表

图3 烟风关系图

（1）《导则》6.1.8.1提供了式6-35计算烟气侧放热量，在实际运用时，通过计算和比较，本文根据烟风关系图（上图3），另提出一个烟气侧放热量的计算式：

Q=ψ(V′I′＋Vl.aIl.a-V″I″)

式中：Q--烟气侧放热量,kJ/h

ψ--保热系数

V′--受热面入口处烟气量,m3/h

I′--受热面入口处烟气焓,kJ/m3

Vl.a--受热面漏风量.m3/h

Il.a--冷风焓,kJ/m3

V″--受热面出口处烟气量,m3/h

I″--受热面出口处烟气焓,kJ/m3

（2）数据比较：如表4列举了分别按《导则》式6-35及本文计算式来计算烟气侧放热量所得数据的比较(注：本表部分烟温数据取自下文4.8、4.9的计算)。

（3）分析：从图3可看出，由于存在漏风，受热面的入口处、出口处的烟气量是不同的，出口处烟气量等于入口处烟气量与漏风量之和。《导则》式6-35明显是将漏风的因素忽略了，因此计算结果偏差较大。而本文提出的计算式则明确了烟气侧放热量就等于带进受热面的热量（即烟气带入热量与漏风带入热量之和）与带离受热面的热量（烟气带离热量）之差值，再考虑散热损失的因素。所以，运用本文提出的计算式计算烟气侧放热量，其计算误差很小。

4.8 对流管束热力计算

（1）对应于对流管束，其烟气侧放热量为：

Q=ψ(VyIy＋Vl.adlIl.a-VydlIydl)

（2）烟气在对流管束内分三流程，烟气流通截面积按《方法》式8-21计算。

（3）按《方法》式8-14计算烟气流速时，分子BcalVg改为Vpdl（对流管束平均烟气量，其计算公式请看本文表3或图3）。

4.9 钢管省煤器热力计算

（1）烟气侧放热量为

Q=ψ(VydlIydl＋Vl.asmIl.a-VysmIysm)

（2）计算烟气流速时，分子BcalVg改为Vpsm（钢管省煤器平均烟气量，其计算公式请看本文表3或图3）。

（3）按《方法》附录A5.8，钢管省煤器管内水速不应低于0.3 m/s。

4.10 误差校核

表4 按《导则》式6-35及本文提出的计算式计算烟气侧放热量的误差比较

按要求进行热力计算误差校核。

5 烟气流动特点

从退火炉出来的高温烟气有两路途径可供选择：一路走主烟道：从退火炉排烟口经膨胀节、主挡板，到达余热锅炉进烟口，进入余热锅炉对流管束第Ⅰ回程，然后折回对流管束第Ⅱ回程，再折回对流管束第Ⅲ回程，从余热锅炉出烟口出来，经烟道进入钢管省煤器，最后由引风机抽引至烟囱排入大气。烟气在整个流动过程中，先横向冲刷错列的对流管束，再横向冲刷顺列的省煤器蛇形管，产生的阻力由引风机克服。另一路走旁路烟道：从旁路烟道口（位于主挡板前的主烟道上）开始，经旁路挡板直接至烟囱，然后排入大气。

6 运行特点

“双纵锅筒＋对流管束”烟道式余热锅炉（配钢管省煤器）运行的关键在于对“主烟道挡板”及“旁路烟道挡板”的控制。该项控制有“手动”及“自动”两种选择，一般情况下，在锅炉启动或停炉时，选择“手动”，而在锅炉正常运行调节时，选择“自动”控制。

选择“自动”控制的信号源取自锅炉蒸汽压力。首先设定一个蒸汽压力值以及蒸汽压力波动范围，使“主烟道挡板”及“旁路烟道挡板”的动作（开大或关小）始终围绕着蒸汽压力设定值，确保蒸汽压力在设定的波动范围内上下波动。

运行过程中，司炉人员要认真填写运行记录，每小时记录一次锅炉运行各参数：余热烟气温度、余热烟气流量、排烟温度；给水温度、给水流量；汽包蒸汽压力、蒸汽流量；锅水碱度、溶解固形物；排污量；档板位置、执行电机电流等。

QC25/750-2-1.0型烟道式余热锅炉已使用多年，退火炉满负荷时，锅炉的实际蒸发量约1900～2000 kg/h，排烟温度约180℃左右，与热力计算结果基本相符。同系列其它型号的烟道式余热锅炉的运行使用皆取得较满意的结果。

7 结论

（1）进行“双纵锅筒＋对流管束”烟道式余热锅炉（配钢管省煤器）的热力计算时，①绘制“烟风关系图”对计算有很大帮助，②采用本文提出的烟气侧放热量的计算式Q=ψ(V′I′＋Vl.aIl.a-V″I″)比《导则》式6-35能得到更准确的计算结果。

（2）锅炉运行的关键在于对“主烟道挡板”及“旁路烟道挡板”的控制。

“双纵锅筒＋对流管束”烟道式余热锅炉（配钢管省煤器）系列产品在多年的实际使用中，其运行数据与热力计算结果基本相符。

[1]北京钢铁设计研究总院.JB/T 7603-94《烟道式余热锅炉设计导则》[S].1995.

[2]《工业锅炉设计计算方法》编委会.工业锅炉设计计算方法[M].北京：中国标准出版社，2005.

A Discussion on the Design of Flue Type Waste Heat Boiler with“Double Longitudinal Drum+Convection Tube Bundle”

He Shangjun
（Foshan Keneng Boiler Manufacturing Co.,Ltd.,FoShan,Guangdong 528216,China）

The structural characteristics of the flue type waste heat boiler with“double longitudinal drum＋convection tube bundle”are introduced,the thermodynamic calculation is emphatically analyzed,a calculation formula of heat release on the flue gas side different from the JB/T 7603-94 Flue Type Waste Heat Boiler Design Guideline is put forward and operation characteristics of the boiler are described.

flue type waste heat boiler;structure;thermodynamic calculation;operation

TK229

B

1006-6764（2015）05-0033-06

2015-01-15

何上俊（1966-），男,1989年毕业于哈尔滨工业大学动力工程系热能工程专业，主要从事锅炉及压力容器的设计开发工作。