锅炉设计中应注意的问题及对策

2022-11-10周健

经济技术协作信息 2022年28期

周健

（安徽海螺川崎节能设备制造有限公司）

一、引言

锅炉作为工业生产中的特种设备，由于其结构特点必须承受不同程度压力和各种应力，因此在设计过程中有着更高的要求。因为锅炉及相关部件必须在高温高压下长时间运行，各部件必须依靠管道进行能量传递才能满足锅炉操作要求，所以管道设计中需对结构布局和材料强度进行详细计算分析。所以在设计工业锅炉时，需要综合考虑各种因素，最终做出优秀的设计方案，为工业经济的发展做出贡献。

二、工业锅炉设备的特点

工业锅炉作为工业生产活动的专用设备，因此具有一定的特点。分析工业锅炉特点，优化设计方案，提高工业锅炉设计水平，可以保障工业生产安全稳定运行。

1.恶劣的工作环境

工业锅炉是一种具有独特运行特点的特种设备，主要体现在三个方面。首先，锅炉的工作环境相对较差，对内部结构影响较大。工业锅炉主要为工业生产供电，但无论清洁度还是温湿度因素，运行环境都比较差。一般来说，工业锅炉所处的环境比较恶劣，因此锅炉内部零件的损耗较大，相关的工作部件也容易变形或损坏。由于锅炉内部结构比较复杂，连接性强，会引起整个锅炉设备的运行问题，为工业生产的稳定运行造成阻碍。为此，在设计工业锅炉的过程中，需要考虑运行环境的影响，对内部结构进行合理的设计，以降低发生安全事故的可能性。

2.明显的破坏性和危险性

锅炉除了具有相对恶劣的工作环境的运行特点外，还具有明显的破坏性和危险性。分析锅炉的内部结构是一种能量转换装置，可以看出运行结构比较复杂。但是，由于锅炉在进行能量转换时需要承受外部高温和内部压力。但是，工业锅炉受运行参数、水质以及日常维护等多种因素的影响，锅炉内部可能会出现腐蚀、磨损或裂纹。在后续运行中受压力波动的影响，锅炉会出现爆管性运行问题。这会损坏锅炉设备，使其极具破坏性并危及附近员工的生命。因此，在设计工业锅炉时，设计者必须分析这些因素，并确保零件的合理设计，以避免出现安全问题。

3.设计结构比较复杂

在设计工业锅炉时，要注意其结构的复杂性。工业锅炉为工业生产提供动能，整体结构设计明显复杂，零部件数量较多。但是，这些部件是相互关联的，只有实现了合理的内部结构设计，才能获得内部结构的科学特性。特别是在管排布置时，必须科学地设计配管，使工业锅炉可靠运行，为工业生产提供更多动力。因此，在设计工业锅炉时，要根据工业生产的具体特点有针对性地进行设计，保证锅炉的运行效率。可以说，随着工业生产的发展，锅炉设备的功能也逐渐受到人们的关注。

图1 锅炉内部结构

三、工业锅炉设计中需要注意的问题

1.辅助设备与锅炉不配套

工业锅炉的辅助设备主要是指辅助机，是实现机械化燃料连续供给、均匀配风、连续供热、连续清除煤渣和高效去除污染物的关键。但目前仍存在与锅炉配套不足、辅助机产品质量不稳定等问题。锅炉的优良性能是节能减排的基础，实现机械化连续燃烧是稳定供煤、稳定燃烧、稳定排渣所必需的。另外，必须改进燃料和空气分配，必须保证空气分配的均匀性，使燃料完全燃烧，减少有害气体的产生。

2.自动控制水平较低

锅炉运行自控装置的运行水平比较低，目前工业锅炉一般没有配备传感装置，在实际的调节过程中，操作人员无法对锅炉的燃烧条件和负荷变化进行调节和控制。某些数据无法及时整合，实际变化会调整锅炉的运行工况，限制锅炉和电机的运行效率，造成更严重的浪费。

3.高热高污染问题

工业锅炉容量较小，热效率较低。近年来，我国不断提高热电联产项目水平，但总体而言，小容量锅炉的比例仍然较高，但大部分锅炉运行负荷较低，导致燃烧不完全，热损失增加，这是严重影响运行效率。工业锅炉使用的煤大部分没有经过预处理，因此无法保证粒度和热值。工业锅炉一般为分层燃烧，但缺乏适应性，当煤种发生变化时，锅炉的运行特性也会发生变化，影响锅炉的效率。工业锅炉排烟温度较高，污染较大，企业使用的有机热载体锅炉一般采用分层燃烧，排烟温度可达300℃以上，排放大量二氧化氮和二氧化碳，造成严重的环境污染，并产生大量的热损失。

4.能源浪费情况比较严重

我国目前能源浪费的状况比较严重，我国能源结构的主体是煤炭，其主要产品是燃煤工业锅炉，这也是我国产生烟尘型污染的主要原因。目前，我国工业燃煤锅炉的比例很高，工业锅炉主要用于工业发电和建筑供暖领域，每年耗煤4 亿吨。见年来，我国也出现能源短缺，在寻找新能源的过程中，必须对工业锅炉进行重新设计，不断提高燃烧效率，降低原材料消耗。

5.排污设计

锅炉内部结构比较复杂，结合力强，如果不能及时进行排污设计，会影响锅炉运行效率。在审查锅炉设计质量时，首先要对排污口进行科学设计，确定排污口的位置。如果排污口没有放置在最低位置，锅炉内的所有杂质将无法有效排出，影响整个系统的运行。同时，如果底部集箱不设置排污口，顶部的排污口没有进行科学规划，会对最终的排污效果产生负面影响。因此，在设计锅炉排污时，要注意排污口的合理设计，规划排污系统，保证排污效果。

6.除渣机运行过程中故障较多

长期以来，由于对除渣机重视不够，对除渣机的工作环境了解不够深入，除渣机的设计制造存在一些不足，导致除渣机的功能不够完善，精度和效率达不到预期标准。同时，维护成本仍然较高，除渣机运行中仍存在诸多问题，导致除渣机运行故障率较高。除渣机运行中存在以下问题：除渣机速度快，螺旋除渣机直径和铲式除渣机宽度不够；除渣机运行过程中，渣底板和上链支架设置不当，会造成严重磨损；除渣机驱动器过载能力小，未安装电气或机械过载保护装置；除渣机并且除渣机内存在大量温度过高的热渣，导致除渣机温度较高。

7.防焦箱前炉壁破损变形

在锅炉制造设计的相关规定中，已经规定了锅炉防焦箱与炉壁之间的间隙，通常需要保持在10 mm 左右，如果有备件，可以用保温棉网填充。锅炉砌筑施工及验收中，也规定了锅炉防焦箱与炉墙的距离，需要保持在0 ～10 mm 之间，即焦炉与炉墙的距离为10-12mm，合格。但理论上考虑到反焦箱在最高温度下的膨胀，安装时需要将反焦箱与炉墙的间隙控制在20mm，这样可以有效保证反焦箱的正常运行，不会对挡墙带来不利影响。但在实际设计和使用过程中，设计间隙往往小于2mm，不可避免地导致炉壁开裂的问题。

图2 锅炉排污余热回收工艺

四、提高锅炉设计的质量的具体措施

1.优化配套系统

工业锅炉在实际运行中，不同系统必须相互配合，才能达到高的能源利用率，在系统结构优化的基础上改进相关资源的配置，保持更好的相关支撑系统。结合工业锅炉的型号和特点，可以有效控制相关的配置工具。只有不断加强水质管理，才能使锅炉内的燃料充分燃烧，提高能源利用效率。在发展过程中，工业锅炉节能设计不是单一的形式，而是逐渐呈现多种形式，从而可以根据不同的锅炉型号和规格进行系统节能设计，因此需要配套的系统，还需要进行必要的节能转换，缩小两者之间的差距，以达到最佳配合。在工业锅炉系统节能改造过程中，中小企业的工业锅炉差异最大，在具体运行管理方面，要根据实际需要进行调整和改进，科学调整必须在认识差异的基础上进行，这样才能保证能源的有效利用，不能采取单一的节能措施。否则，节能效果会很差。

2.提供技术支持材料

工作人员要做好市场调查，选择经济实惠的金属材料，需要员工进行市场调研，还要充分考虑锅炉制造过程中的腐蚀和磨损。如果水质不达标，不仅会影响使用受热面上有管道破裂问题，也容易出现腐蚀，因此必须做好材料的选择和验收。在设计锅炉时，需要维护一套相关资料，包括图纸和设备设计、运行、安装和维护等相关资料。制造商必须将这些资料交付给用户，并确保这些资料及时更新。锅炉设计和制造蓝图、手册等必须由制造商直接提供给买方，如有设计变更，需明确通知卖家，并明确注明变更内容。

3.合理设置水位与防爆装置

工业锅炉要进行科学设计，除了强度的科学设计外，还要合理设置水位和防爆装置。具体来说，在设计水位时，应根据具体的工作环境进行检查。在锅炉设计过程中，经常会出现水位计接口设置不够科学的问题，具体表现为最低水位低于或高于最高火界，影响锅炉运行的稳定性。锅炉运行比较危险，会引起各种问题，需要防爆设置。工业生产中以燃油锅炉和燃气锅炉为主，容量值不断增加，仅使用防爆门进行防爆设置，不能满足防护需要，不能满足生产安全操作要求。作为工业生产的锅炉，通常是比较大的，但是如果防爆门的面积小或者距离太远，就达不到防爆的目的。在防爆设计的情况下，可以通过自动防火装置进行防爆工作，并且可以通过在有爆炸危险的位置安装防爆门来保障工作人员的生命安全。

4.改造燃烧系统，应用清洁燃烧技术

采用煤气化无铅燃烧技术改造锅炉燃烧系统，该技术的关键是最终实现燃烧过程中使用的固体煤气完全燃烧的目标。采用该技术可有效防止煤炭燃烧时产生灰分，提高燃烧效率。过去在锅炉周围安装除尘装置，但效果不大。使用该技术可以有效减少废气中的粉尘总量，这对空气和环境保护非常重要。因此，要推广煤气化无铅燃烧技术，必须对锅炉结构进行改造。目前，在火力发电过程中，下饲式炉排、振动炉排、角管式锅炉等各种先进的锅炉燃烧技术已得到广泛应用，以节约煤炭，减少有害气体排放，减少空气污染。

5.提高能源的使用效率

提高能源利用效率意味着提高锅炉的设计和运行效率，而不是简单地增加钢材消耗以实现更多的辐射和对流换热面。对于燃煤锅炉，改善炉膛空气分布，提高燃煤率，有效降低炉渣含碳量，巧妙配置炉膛燃烧动力场，使锅炉在宽煤种的范围内均可保证较好的燃烧。链式燃煤锅炉常用的方法有采用分层给煤技术、双人字拱的节能炉拱、炉内一次二次风的合理布置等。对于燃气锅炉，由于燃烧气体的灰分含量较高，一般严格控制烟气流量，防止对流换热面磨损，影响其使用寿命。用于烟气对流段增加烟气流量，增加对流换热系数。另一方面，以天然气为燃料的锅炉烟气中水蒸气的体积含量通常在15%至19%之间，这远高于燃煤锅炉烟气中不到6%的水蒸气含量。目前，锅炉热效率是以低热值计算的，虽然标称热效率高，但由于高热值和低热值的差异，需要提高实际能源利用率。为充分利用能量，降低废气温度，回收废气物理热能，当换热器壁温低于废气露点温度时，烟气中的水蒸汽将被冷凝，释放潜热，10%的高低位发热量差就能被有效利用。

6.工业锅炉的环保措施

进行工业锅炉的炉膛设计时，其中最重要的是炉膛容积的设计，其大小既要保证燃料完全燃烧，又要符合燃料燃烧标准。还必须设计有良好的传热效果，才能有效地将热量传给坯料。在设计炉膛时，必须考虑燃烧方式、燃料种类、燃烧器布置、热负荷等几个因素。这取决于燃烧释放的热量不同，热量越高，产生的气体越少。这是由于充分燃烧的因素。但是，如果不同燃料燃烧产生的热量是恒定的，则废气的体积明显不同。因此，可以根据完全燃烧来设计炉子的高度，并根据该值和其他特性计算出炉子的最终高度。但在最终确定炉高时，除考虑完全燃烧的特点外，还要根据炉膛本身是否能容纳燃烧装置，如果燃气换热炉正常，则流量正常，应充分考虑耐高温、耐磨、温度变化快、不发生氧化反应等特点，对炉底耐温变要求较高，必须承受重量和受因氧化、冲击、摩擦和旋转引起的温度变化。