直接利用兰炭显热发电锅炉技术的研究

白林波

（江西四冶钢结构有限责任公司）

直接利用兰炭显热发电锅炉技术的研究

白林波

（江西四冶钢结构有限责任公司）

本文详细地介绍了一种利用高温兰炭颗粒流与膜式受热面直接进行热交换，产生较高温度和较高压力的蒸汽进行发电的一种余热锅炉的研发设计过程；同时介绍了通过实验方法确定的兰炭表观导热系数以及通过流体分析软件模拟计算确定的余热锅炉各节点兰炭温度和各受热面平均传热系数。

兰炭显热；直接利用；余热锅炉；兰炭表观导热系数

1 兰炭及兰炭显热利用方法

兰炭又称半焦、焦粉，是利用神府煤田盛产的优质侏罗精煤块烧制而成的，作为一种新型的炭素材料，以其固定炭高、比电阻高、化学活性高、含灰份低、铝低、硫低、磷低的特性，逐步取代冶金焦而广泛运用于电石、铁合金、硅铁、碳化硅等产品的生产，成为一种不可替代的炭素材料。兰炭结构为块状，粒度一般在40mm以下，颜色呈浅黑色。

兰炭的生产多以低温干馏为主，低温干馏是指在隔绝空气或者非氧化气氛下将煤加热，最终得到焦油、煤气和兰炭的工艺过程。干馏温度一般在600℃左右，低温干馏生产的兰炭温度大约为500～600℃，需要将该温度下的兰炭冷却至250℃以下。传统冷却兰炭的方法有：水激冷法和干熄焦法。水激冷法是指将冷水喷淋到兰炭上，迅速降低兰炭的温度。该方法的优点是冷却速度快，缺点是需要消耗大量的冷水并产生蒸汽污染环境，并且生产的兰炭含水量较高（可达20%以上），兰炭利用的时候需要再次干燥而耗费巨大的能量。干熄焦法是将兰炭投入干熄焦炉，通入低温的惰性气体，冷却兰炭。该方法的优点是：惰性气体作为中间载体用于冷却高温兰炭，惰性气体被加热至较高温度并被用作余热锅炉的热源；该方法的缺点是：余热利用系统采用惰性气体作为热载体，在传输过程中热损失较大，并且干熄焦余热利用系统比较复杂，风机等设备的电耗较高，系统运行和维护费用较高。

针对兰炭显热利用中存在的以上问题，采用兰炭颗粒流与锅炉膜式壁直接进行热交换的方法将是一种更为有效的热利用方法。该方法原理为：兰炭颗粒缓慢流过锅炉膜式壁，兰炭蕴含的热量通过热传导将自身的热量传递给换热管壁，进而传递给管内的工质水或蒸汽，产生较高温度和较高压力的蒸汽进行发电。该方法具有显著的优点，既能达到熄焦的目的，又能高效传热，比较有效地利用了兰炭显热。

基于以上理念，郑州某锅炉制造厂家为曹妃甸某兰炭生产企业研发设计了一台直接利用兰炭余热产生中温中压蒸汽用来发电的锅炉。

2 直接利用兰炭显热发电锅炉设计依据

1）进口固体颗粒流量：140t/h。

2）进口固体颗粒直径：50目～30mm。

3）进口固体颗粒温度：550～600℃。

4）额定蒸发量：20t/h。

5）额定蒸汽压力：3.82MPa。

6）额定蒸汽温度：400℃。

7）给水温度：104℃。

8）排污率：2%。

9）出口固体颗粒温度：小于215℃。

10）锅炉效率：大于55%。

3 余热锅炉结构简介

锅炉采用单锅筒横置式的自然循环水管锅炉，高温固体颗粒从上部进料口往下进料，依次经过过热器、对流管束、省煤器、软水加热器后落入物料回收设备，如下图所示。

图 余热锅炉结构

锅筒规格为φ1400×42，材料为Q245R（GB713）。

过热器采用φ32×4的锅炉管，材料采用12Cr1MoVG（GB5310），可耐580℃的管壁温度，而物料进口温度仅为550～600℃，管子的安全性可以充分保证。过热器管束采用顺列布置，横向间隔90mm，纵向间隔100mm，做成膜式结构。锅筒饱和蒸汽经过饱和蒸汽连接管接入过热器进口集箱，经过热器管束过热后由过热器出口集箱上的主蒸汽出口闸阀接入用户发电设备。过热器出口集箱上设有喷水减温器，可以保证蒸汽参数。过热器进口集箱为φ159×10，材料采用20（GB3087），出口集箱φ159×10，材料采用15CrMoG（GB5310），可耐热550℃的管壁温度，从而保证安全。

对流管束两级布置，两级均采用φ42×4的锅炉管，材料采用20（GB3087），横向冲刷顺列布置，横向间隔100mm，纵向间隔160mm，省煤器蛇形管采用膜式结构，从而大大提高受热面积，锅水经锅筒下部集中下降管分别接入每一级对流管束下集箱，受热后，汽水混合物经导汽管进入锅筒。经水动力计算，对流管束循环倍率5.1倍，循环流量102.7t/h，重位压差可以克服流动阻力，水循环安全可靠。

省煤器采用φ32×4的锅炉管，材料采用20（GB3087），横向冲刷顺列布置，横向间隔90mm，纵向间隔100mm，蛇形管采用膜式结构，有效提高受热面积，除氧器来水经过给水母管接入省煤器进口集箱。给水经省煤器管束加热后经省煤器出口集箱通过给水连接管引入锅筒。

软水加热器采用φ32×4的锅炉管，材料采用20（GB3087），横向冲刷顺列布置，横向间隔90mm，纵向间隔100mm，蛇形管采用膜式结构，有效提高受热面积，除盐水经过软水加热器加热后进入除氧器。

4 关键技术的解决

（1）进料均匀性问题

由于系统结构所限，余热锅炉进料口直径只有500mm，而受热面截面尺寸为6000mm×6000mm，下落高度只有2.2m，为保证进料均匀，在2.2m的高度上设置多层挡板，采用落料层层分流的方式来保证进料均匀。同时配有料位检测装置监控料位。

（2）出料均匀性问题

只有保证进出料均匀，才能保证兰炭颗粒在受热面中均匀流动，不留死角，所以在锅炉底部均匀布置了16台出料机，出料机料仓的斜角大于兰炭的自然堆积角，保证出料均匀畅通无死区，出料速度通过控制出料机的电机频率来保证。

（3）锅炉密封性问题

由于兰炭颗粒中含有煤气，压力3000～5000Pa，所以在使用过程中绝对不能漏气。该锅炉采用的是管箱结构，外侧板设计时考虑了密封和膨胀，锅炉运行前必须做气密性实验。

（4）兰炭表观导热系数和各受热面传热特性的确定问题

我公司委托西安交通大学锅炉研究所通过实验研究确定兰炭表观导热系数和该锅炉各受热面的传热特性。

根据西安交通大学锅炉研究所研究报告《测量兰炭表观导热系数实验报告及余热锅炉换热数值模拟计算》，100～500℃范围内兰炭表观导热系数见表1。

根据锅炉设计结构，由于兰炭颗粒流速很低，假定兰炭颗粒在计算单元内静止不动，不计算颗粒的流动，只计算热传导，通过流体分析软件GAMBIT建模分析计算，确定余热锅炉各节点兰炭温度和各受热面平均传热系数见表2。

另外实验还对横向间距、纵向节距、鳍片厚度、管径对受热面换热性能的影响做了研究，得出下面结论：

随着横向节距的减小、纵向节距的减小、鳍片厚度的增大、管径的增大均有利于兰炭的换热，增强兰炭的冷却效果。

减小横向间距和纵向节距可以增强换热效果，但是横向间距和纵向节距不能无限小。在设计余热锅炉时，要在保证兰炭能够正常流动的前提下，尽可能地减小横向间距，纵向节距由公司弯管工艺确定，尽可能小。

较厚的鳍片有利于余热锅炉的换热，但是鳍片过厚会使锅炉的耗钢量变得很大，投资较大，因此要在成本增加不大的情况下，选用较厚的鳍片。

受热面管径的尺寸越大，换热效果越好，但管径尺寸对换热效果的影响较小，因此在设计时，应主要考虑管内工质的流动阻力较小并且管外通道足以保证兰炭颗粒流的正常流动即可。

表1 兰炭表观导热系数

表2 余热锅炉各节点兰炭温度和各受热面的平均传热系数

5 结束语

解决了以上关键问题后，我公司于2014年成功地研发了该锅炉产品，经过制造、安装、调试，产品性能达到了设计要求。该产品的成功研发为固体颗粒显热直接利用提供了一种全新的经验。

[1]白林波. 造气炉三废的处理与综合利用[J]. 节能，2006（11）:47-49.

[2]刘银河，等. 测量兰炭表观导热系数实验报告及余热锅炉换热数值模拟计算[R]. 2014.