低压余热锅炉汽包内部分离元件的选型和设计

乔豪杰， 鲁宜武 ，张 艳 ，宫 卿

(兖矿鲁南化工有限公司醋酸车间，山东 滕州 277500)

低压余热锅炉汽包内部分离元件的选型和设计

乔豪杰， 鲁宜武 ，张 艳 ，宫 卿

(兖矿鲁南化工有限公司醋酸车间，山东 滕州 277500)

依据汽包的实际工况，通过对一次和二次分离元件的选型和设计计算，最终完成缝隙挡板和匀汽孔板的结构设计。对汽包内部分离元件的选型和设计有一定的借鉴意义。

汽包；缝隙挡板；匀汽孔板

余热锅炉的产品为蒸汽，但在锅炉中蒸汽和水是混合在一起的，因此需要有一个使蒸汽和水分离的过程，还需要设置内部汽液分离装置，以防汽水混合物进入汽包内的位置不当，致使局部蒸发强度超过了允许值，蒸汽夹带大量水分。

1 汽包参数

汽包蒸发量12t/h，输出蒸汽压力0.5MPa，内径D汽包为2000mm，筒体长度L汽包为6000mm。

蒸汽引出管1根，汽包上升管根数 30根，以0°、15°和30°方向上沿汽包长度三排均匀引入，其同排相邻管道之间的中心距为500mm。

汽包下降管8根，以纵向中心线偏移15°，双列对称排列，管间距为500mm。

2 一次分离元件

2.1 一次分离元件的选型

一次分离元件的作用，就是把大量的水分分离出来，并保证在消除动能的过程中不得把水滴碰的过碎。分离出的水分能顺利的流入水室，不形成二次携带。常用的一次分离元件有水下孔板、旋风分离器、金属丝网、进口挡板和缝隙挡板等。

水下孔板适用于适用于中压锅炉，汽水混合物由水位下引入，由于水下孔板下部会形成很厚的气垫，易造成下降管带气，当汽水混合物沿锅筒长度和宽度均匀引入锅筒时不采用。

旋风分离器适用于气水混合物速度较高且动能较大的锅炉，中压锅炉在4～5m/s，高压锅炉在3～4m/s以上，装置旋风分离器会使阻力增加。

金属丝网分离器，用于中压锅炉，当水质条件较好，气水混合物引入管速度较低，且沿汽包长度均匀分布的情况。金属丝网分离器的优点是阻力小、制造安装和检修方便，但对锅水浓度敏感，而且水室含气较多，容易引起水位膨胀。

缝隙挡板，以中压锅炉为宜，其引入位置为靠近正常水位线上下30°，沿锅筒长度均匀引入。

弹回挡板，适用于入口速度较低的情况，其中中压低于3m/s，高压为2～2.5m/s。否则会把水滴碰的太碎而造成二次携带，在中低压锅炉上单独使用，对高压锅炉只能作为预分离元件使用。

由于汽包属于低压余热锅炉汽包，参照文献[1]中附录C常用的几种锅内装置组合方案，选用缝隙挡板做为一次分离元件。

2.2 缝隙挡板设计

汽包的正常水位在综合考虑提高蒸汽品质和保证水循环安全，防止降水管入口处发生抽空和带汽现象，取汽包中心线以下100mm；

汽包上升管同排相邻管道之间的中心距为500mm。缝隙挡板的长度L2与上升管相匹配，因此L2取5m。

根据文献[2]，下挡板的下缘应没入正常水位下150m～200mm。本汽包取200mm。上挡板下缘与正常水位的距离不小于150mm，本汽包取用500mm。参照文献[2]中，缝隙挡板下挡板与汽包内壁的最小距离b＇的计算式为1式：

(1)

式中O2为流经缝隙挡板的蒸汽量，为汽包的蒸汽量，即12t/h。K2为锅炉的循环倍率，其数值按照表1选取200。v′为饱和水的比体积，查询文献[3]，饱和水在0.5MPa时的比体积为1.09×10-3m3/kg。u′为挡板水流速，根据文献[1]中的介绍，对低压汽包，水流速度为0.5～1.0m/s，本文取0.5m/s。

把各值代入得：

表1 锅炉的循环倍率

锅炉型式P/MPaD/(t/h)循环倍率/K低压锅炉<1．5≤15200～150低压锅炉1．5～3．0≤15100～50双锅筒锅炉1．5～3．030～20065～45

缝隙挡板的宽度b按照2式计算：

(2)

式中v为饱和蒸汽的比体积，查询文献[3]，其值为0.3749m3/kg。u"为缝隙挡板间的蒸汽通流速度；参考文献[2]：汽包压力为0.5MPa时，蒸汽通流速度推荐为2.5～3.7m/s，本文取2.5m/s。

把各值代入2式得缝隙挡板间的宽度b2为：

组成缝隙的两导向板的重叠长度为L2′为缝隙挡板距离的2倍，即200mm。缝隙挡板两端设计加挡板，以防汽水混合物由两端短路。

2.3 缝隙挡板设计结论

综合以上各计算，最终得到的缝隙挡板结构图如图1所示：

图1 缝隙挡板结构示意图

3 二次分离元件

3.1 二次分离元件的选型

由一次分离元件分离出来的蒸汽仍含有一定的湿分，由于受到汽包内部结构的影响，沿汽包长度和宽度上，蒸汽分布负荷是不均匀的，往往出现局部蒸汽负荷过大、流速过高的现象，致使蒸汽携带过多的湿分。因此还应设置一些分离元件，使蒸汽引出汽包之前进行二次分离。常用的二次分离元件有波形板分离器、匀汽孔板、集汽管(包括缝隙式集汽管和抽气孔板)和蜗壳式分离器。

波形分离器由多块波形板相间排列组成。湿蒸汽在波形板组成的曲折通道中通过时，水滴受离心力的作用，被甩到波形板上，并沿波形板留到下沿，当水滴集成一定大小后，靠重力落下，使汽水分离。一般用于装有过热器且对蒸汽品质要求较高的锅炉，

匀汽孔板是利用孔板的阻力，使蒸汽沿汽包长度、宽度均与上升，防止局部地区蒸汽符合集中，因此能有效地利用蒸汽空间，有利于重力分离。匀汽孔板适用于各种容量和参数的锅炉，可以单独使用，也可以与波形分离器配合使用。是使用比较广泛的分离元件。 小锅炉的汽包直径较小，为了便于安装采用集汽管代替均汽板。集汽管有抽取式和缝隙式两种。单独使用蒸汽效果较差，常与蜗壳式分离器配合使用。

蜗壳式分离器是由集汽管和外面的蜗壳组成。湿蒸汽切向进入蜗壳，靠离心力的作用使汽水分开，起到细分离的作用。该型分离器适用于对气质要求较高的低压小容量的蒸汽锅炉。

ERICA程序是欧盟提出的电离辐射对生态环境风险评价的框架程序，其来自于2004—2007年的欧盟“电离污染环境风险：评估和管理”(ERICA)项目。

根据各种二次分离元件的特性，结合一次分离装置为缝隙挡板，本汽包选用匀汽孔板作为二次分离元件。

3.2 匀汽孔板的设计

根据文献[1]中的介绍：匀汽孔板的总长度应不小于汽包直段长度的三分之二，以增加蒸汽空间的利用程度。本汽包匀汽孔板长度L3取4m。蒸汽穿孔的平均流速过高则阻力太大，过低则不能起到均匀蒸汽负荷的作用其匀汽孔板中穿孔气速u3"和板前气速u2"的推荐值见表2。

表2 穿孔速度及板前速度推荐值表

汽包匀汽孔板的穿孔平均气速u3"取25m/s，最高汽速u2＇为30m/s。参考文献[1]，匀汽孔板的开孔的小孔孔径d一般取8～12mm，但不应小于5mm。本汽包的匀汽孔板开孔孔径取8mm。

匀汽孔板的弓形高度h7根据汽包内部结构，参照文献[1]中的匀汽孔板上部流通面积换算曲线，取100mm。匀汽孔板弓形截面积A7、匀汽孔板上部弓形截面宽度b7、匀汽孔板上部所对应的圆心角θ7和匀汽孔板的弓形高度h7之间的关系如图2所示：

图2 匀汽孔板上部A7与b7、θ7和h7关系

根据图2计算，得其θ7值为51.68°，其弓形截面宽度b7为871mm：

其弓形截面面积A7计算式为3：

(3)

代入求得弓形截面面积A7为：

匀汽孔板上最大纵向速度u＇7按照4式计算：

(4)

式中n1为汽包蒸气引出管管数。本余热锅炉汽包引出管管数为1。

把各值代入9-18式得：

根据匀汽孔板结构，一侧匀汽孔板的长度L3′长度为2m，其每排孔孔数np取取11，则每排孔的总截面积A值为：

匀汽孔板的二侧开孔总数∑n为：

按每一侧排孔45，则实际布孔总数∑n′为：

实际匀汽孔板的穿孔蒸汽速度u3"值为：

修正前的初缝宽度b3值为：

查K10曲线图得其值为0.91。

修正后的初缝宽度b3′值为：

修正后的终缝宽度bL′：

因此其放大系数C′为：

其始端孔节距s1为：

L3′/4处的孔节距按式4-3计算：

(5)

把各值代入式中求得：

同样2L3′/4处的孔节距值为0.0433m，3L6′/4处的孔节距为0.0443m。

终端孔节距SL3'为0.0469m。

3.3 匀汽孔板设计结论

匀汽孔板的si数值表见表3，其结构图参照图3：

表3 si的数值

实际布置时，可根据∑si数值与L3＇之差值，对各孔间距进行调整，使得∑si≈L3＇=2m。

图3 匀汽孔板示意图

[1] 全国锅炉标准化技术委员会. JB/T 9618-1999工业锅炉锅筒内部装置设计导则[S]. 北京: 机械工业出版社, 2000.

[2] 李守恒, 杨厉丹, 王振文, 等. 电站锅炉汽水分离装置的原理和设计[M]. 北京: 水利电力出版社, 1986: 47-141.

[3] 刘光启, 马连湘, 刘 杰. 化学化工物性数据手册(无机卷)[M].北京: 化学工业出版社 工业装备与信息工程出版中心, 2002: 3-32.

(本文文献格式：乔豪杰， 鲁宜武，张 艳，等.低压余热锅炉汽包内部分离元件的选型和设计[J].山东化工，2017，46(14)：82-85.)

2017-05-14

乔豪杰(1981—)，河南襄城人，工程师，工程硕士，从事醋酸车间设备管理工作。

TK229

A

1008-021X(2017)14-0082-04

生产与应用