产过热蒸汽的对流废热锅炉方案参考

于洪喜

（中核核电运行管理有限公司运行五处 浙江嘉兴 314000）

1 背景及目的

中国能源结构中，煤电占主导地位，预计到21 世纪中期，煤电仍将占中国总发电量的50%左右［1］。随着国家对环保的要求不断提升和国内外锅炉技术的发展，传统煤电技术的弊端越来越突显，主要表现在排放污染高、零碳目标难实现、机组效率难提升、尾气脱碳成本高等。IGCC系统是新一代煤电技术，最大的优点就是相对清洁，易于达到国家环保目标的要求。该系统先将固态煤进行气化，并经过净化后进入联合循环装置进行发电，其特点是环保效果好、发电的效率相对高、煤渣和循环水可再利用以便节约资源、尾气中脱碳成本低等，解决了传统煤电的很多弊端。IGCC系统既能实现煤基多联产，又能像天然气一样高效、清洁发电，是国际能源领域战略必争的核心技术，对中国能源资源的可持续发展具有重要的战略意义［2］。

由于受限于技术水平等因素的制约，我国在IGCC对流废热锅炉型式，特别是产过热蒸汽锅炉型式选取方面，至今还没有一个比较成熟的方案可以作为指导。因此，本文用现在已经掌握的及能够查阅到的知识来对产过热蒸汽对流废热锅炉的可行性进行了分析。在确认可行的前提下，对其结构型式及材料进行了设计选取，并给出了热力计算方法用以验证设计出的锅炉的可应用性，从而提供了一种可行的IGCC系统产过热蒸汽废热锅炉设计的参考方法［3］。

2 IGCC 工艺流程及废热锅炉在IGCC 电站中的应用

IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）的中文名是整体煤气化联合循环，包括煤气化、净化、燃气—蒸汽的联合循环，具有热效率高、环保等优势。IGCC 的工艺过程为：原料煤经气化转化为煤气，经净化除去NOX、硫化物、粉尘等，送入燃气轮机燃烧，产生的高温燃气驱动燃气透平做功，乏汽送入余热炉与工艺水换热，余热锅炉产生的过热蒸汽驱动蒸汽机做功。主要设备包括气化炉、煤气净化设备、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机［4］。IGCC多联产项目由多个单元相互集成为一个整体，系统依赖度高，对装置稳定性、可靠性要求高［5］。

在IGCC 发电工艺中，一般需要配备废热锅炉，基本作用是把气化炉出来的高温工艺气温度降到后续工段所要求的水平，从而简化工艺流程。另外，可以将含尘量降低到相当的水平以满足变换工艺的需要，同时，使大量余热得以充分回收，有效提高电厂的热利用率。本文在对IGCC整体上有了一定的了解的前提下，针对废热锅炉易积灰、磨损的问题，给出了锅炉主体的布置建议，布置过程中，始终遵循在保证传热的前提下尽量减少积灰、磨损的原则。

3 废热锅炉的选型及布置

由于废热锅炉压力较高，且要达到产过热蒸汽的目的，故一般选择管壳式废热锅炉作为选型参考。其中，螺旋上升管式和蛇形管式结构相对简单，易于布置，且两种管子的热膨胀性好，热偏差相对较小，故作为优先考虑的对象。采用螺旋上升管结构时，欲达到产过热蒸汽效果，在竖直方向上的空间要求会较大，从而为稳妥起见，采用蛇形管式废热锅炉，主要受热面选用蛇形管，蛇形管外围用膜式壁围成腔体。

3.1 烟气流通方式

该系统烟气含灰分较高，如果使用火管废热锅炉，将容易造成积灰，会影响锅炉正常运行。况且，在现存的IGCC 电站中，火管式已经不再使用。所以，将选择水管式废热锅炉作为设计方向。

3.2 汽水循环方式

自然循环废热锅炉与强制循环废热锅炉比较，有很多优点。自然循环废热锅炉系统简单、投资较小且检修容易。更为重要的是，自然循环废热锅炉不需加装循环泵，可有效降低能耗，这一点更为适合高效、环保的IGCC电站。综合各个因素考虑，选择自然循环作为蛇形管型对流废热锅炉的汽水循环方式。

3.3 锅炉外形布置

本方案中的对流废热锅炉如图1 所示，采用立式放置，外壳选用筒形壳体，烟气由上到下冲刷锅炉受热面。这样布置的好处是：受热面容易布置成逆流形式；锅炉出口在底层，风机、除尘器等都可以布置在地面，便于设备布置；有利于尾部烟气吹灰尘；连接管道长度较短，消耗的金属量小，占地面积小，安装起吊方便。

图1 典型IGCC系统双废锅的布置型式

3.4 锅炉炉体布置

锅炉炉体布置可分为壳体布置、炉膛布置、集箱布置和受热面布置这几个部分。下文分别对这几个部分的布置作简要介绍。

由于废锅采用立式布置，整体很高，因此实际施工中，建议将壳体分为5 段，采用法兰连接，密封采用椭圆形金属垫片，壳体顶部采用球形封头。

锅炉炉膛直接与烟气接触，烟气在炉膛内纵向冲刷膜式壁，横向冲刷蛇形管省煤器和蛇形管过热器，其中的部分飞灰沉降在下部灰斗，在充分地被冷却后，烟气从布置在炉体下方的排烟口引出。炉膛整体由膜式壁包覆，在烟气入口处附近，膜式壁内不布置受热面，从而能形成一个空洞，这样做的目的是不致使入口处局部过热，且采用方形布置，则施工难度相应降低。废热锅炉中的烟气含灰量很大，而且粉尘较细。在炉膛下部布置一个灰斗，烟气中的部分飞灰及从炉顶和受热面上滑落的积灰沉降在这里，这样做的目的是降低烟气中灰分的含量，净化排烟。在炉膛的下部布置排烟口，将烟气于此引出。

锅炉集箱是锅炉膜式壁、过热器、再热器等管子汇集处，是锅炉重要的受热受压部件。集箱可以布置在壳体内侧的氮气层内，也可以布置在壳体外侧。集箱布置在壳体外侧的好处是可以使氮气层厚度减小，降低壳体外径，从而减小锅炉体积；缺点是需要在壳体上开设大量管孔，造成壳体的强度降低，需要增加附加壁厚来提高壳体强度，这样就会增大金属的耗用量。集箱布置在氮气层的好处是大量减少了壳体的管孔数，降低了金属消耗量；缺点是壳体体积增大，增加了设备的占用空间。本设计中选择了集箱内置的布置方法，这样选择的原因是减少了壳体的开孔数量，同时，管路布置在氮气层可以起到保温的作用，降低了工质在运输途中热量的消耗，提高了锅炉效率。集箱的具体布置分为6个部分，共12个竖集箱：下部5个竖集箱和进水管相连接，进水通过该集箱中的4 个竖集箱分配到膜式壁和通过另一个竖集箱分配到蛇形管省煤器之中。中部3 个竖集箱所起作用各不相同，其中一个负责收集蛇形管省煤器的饱和水并输送到气包中；另一个与汽包上部相连，为蛇形管过热器输送饱和蒸汽；还有一个竖集箱负责收集过热器产生的过热蒸汽。下部环形集箱与下部竖集箱连接，负责为膜式壁提供入水。上部环形集箱收集膜式壁中加热后的饱和水输送入气包，起到类似于省煤器的作用。由于本锅炉集箱布置在氮气层里，不直接受热，所以其选材范围较为广泛，可以选用SA-335P91，这种材料强度高、价格低廉。

4 热力计算标准的选择

世界各国的热力计算方法标准不统一，目前标准有很多。当前的计算方法基本都是基于半经验形式，精确程度往往影响到各个部位工质温度的设计准确度，每种方法的选用取决于各制造厂家的经验数据。多年以来，中国锅炉设计所用的方法一般选用的是前苏联两个联合标准方法（1957年和1973年）。改革开放以来，我国也引进了不少欧美机组，与此同时，也随之引进了一些欧美的计算方法。

我国学者有人将苏联方法与欧美方法进行了比较，证实CE标准的计算精度要求较高，但是CE标准所选取的漏风量偏小，而我国锅炉建设后的实际漏风一般偏大，同时，在传热计算中，传热系数没有考虑沾污系数、沾污壁温的概念。而实际燃煤锅炉加热面表面的积灰是不可能避免的，特别是我国所产燃煤中，灰含量一般相对较高。CE公司计算的时候，将炉膛分为上下两段进行计算，并选用不同方法，下炉膛所采用的方法，其适用性于我国来说并不适用，由于煤炭质量的问题，并不能完全套用CE 公司的标准。另外，苏联的两种热力计算方法来说也不尽相同，在锅炉热力设计时，需要计算对流换热和辐射换热，两种方法的计算过程也不尽相同。本文主要是针对国内IGCC 电站进行废热锅炉的结构设计，故而结合国内煤质及机械制造工艺，选取苏联1973年热力计算标准中给出的A.M古尔维奇零维模型作为本设计蛇形管型废热锅炉的热力计算方法。该方法计算过程简单、实用性强，更适用于本设计中这种结构相对简单的废热锅炉的设计。

废热锅炉热力计算的目的在于，根据锅炉的给定初始工作条件，如辐射废热锅炉出来的烟气的成分组成、热力性质、流量、进出口温度、进出口压力、给水温度和出口蒸汽参数等进行计算，以最终选定废热锅炉的形式与结构，并最终确定换热面积及换热元件的布置和尺寸等。热力计算是废热锅炉结构设计的基础，是为其他计算等提供了必要的数据和条件，所以热力计算是废热锅炉设计中非常重要的组成部分。无论是采用立式，还是卧式废热锅炉，都需要根据经济、技术比较分析等来确定［6］。

对于废热锅炉做热力计算，按下列步骤进行。

（1）物性计算。根据烟气的组成和参数（温度、压力），进行与混合气体有关的物性计算。制成表格，这样能使后续的计算方便省时，易于检查错误。

（2）热平衡计算。根据烟气的进出口条件，计算求出换热量，然后确定废热锅炉的水蒸气蒸发量，即产蒸汽量。

（3）选型。根据热气体和蒸汽的温度、压力及热气体的物理、化学性质，选择废热锅炉的形式、结构和材料。

（4）传热计算。初步布置换热面，排列管程，画废热锅炉简图。然后，根据结构计算传热系数K，再根据传热基本方程式估算传热面积的大小，求平均温差。然后再调整结构，直到实际传热量与设计传热量的相对误差小于±2%。