0、前言
    榆林6萬t/a甲醇裝置是本公司開發(fā)設計所繼成功開發(fā)3萬t/a甲醇裝置后又一較大規(guī)模的工程。6t/a甲醇裝置中所用工藝蒸汽的壓力、溫度都較3萬t/a甲醇裝置高，因此廢熱鍋爐在結(jié)構、尺寸上作了較大修改。本文敘述了廢熱鍋爐的設計思路，以及幾個關鍵問題的解決措施，副產(chǎn)蒸汽，節(jié)約能量。
1、廢熱鍋爐結(jié)構型式的確定
    廢熱鍋爐主要是高溫介質(zhì)與冷卻介質(zhì)（一般是水）間接換熱，使冷卻介質(zhì)在設備內(nèi)沸騰汽化，以回收高溫介質(zhì)中的熱能。
    3萬t/a甲醇裝置中廢熱鍋爐采用的是管殼式結(jié)構，即高溫轉(zhuǎn)化氣流過換熱管內(nèi)，管外是鍋爐水，熱量通過換熱管壁傳導。該結(jié)構有以下特點：結(jié)構緊湊，與其他型式的廢熱鍋爐相比，其單位換熱面積的金屬耗量較少，適應的介質(zhì)和操作條件較為廣泛等。該廢熱鍋爐直徑∮1200mm，換熱管長7000mm，為了補償熱膨脹，采用外填料函密封型式，即在廢熱鍋爐出口端浮動管板與殼體間用填料來密封殼程內(nèi)的水蒸汽。此結(jié)構用于殼程壓力較低(≤2.0MPa)的情況。
    在開車過程中發(fā)現(xiàn)填料函處容易泄漏。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這是由于密封面較大（直徑∮1200mm），壓填料時不容易使填料均勻受壓，因此容易泄漏；另一方面，由于管系傳來的力和力矩直接作用在填料函上，使得填料受力不均，也易造成泄漏。后來通過改選填料材質(zhì)等措施保證了密封。
    6萬t/a甲醇裝置中的廢熱鍋爐同樣采用管殼式結(jié)構。由于殼程壓力提高（達2.5MPa），并且設備直徑增大為∮1600mm，采用外填料函不能達到密封要求，因此需采用另外的方式。
    固定管板式密封效果好，但通過計算需要3個膨脹節(jié)才能補償熱膨脹，而且膨脹節(jié)壁厚比設備簡體壁厚小很多，使得簡體削薄部分達不到強度要求，因此不能采用固定管板式結(jié)構。為了補償膨脹量還可以采用以下結(jié)構：浮頭式、U型管式以及填料函式，這3種結(jié)構都可使換熱管自由伸縮，無須補償殼程的膨脹。但由于浮頭式和U形管式結(jié)構的廢熱鍋爐高溫氣體進出需在同一端，在該工程中布置不允許，因而未采用。
該廢熱鍋爐采用浮頭與填料函聯(lián)合使用的結(jié)構。此結(jié)構能減少外管系傳來的力和力矩對填料函的影響，而且由于密封面尺寸（直徑移498mm）減少，密封壓力可以升至2.8MPa，從而滿足設備操作要求。
富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐、生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
2、廢熱鍋爐的結(jié)構特點
    該廢熱鍋爐采用的結(jié)構是臥式列管式浮動管板型式。下面分別敘述各部分結(jié)構特點。
    (1)進氣端（高溫端）采用60°錐度的錐形封頭，目的是使進氣氣流平滑，并能均勻地分布于各換熱管。封頭內(nèi)襯150mm厚的隔熱層，隔熱層上再加上OCr25Ni20材質(zhì)的保護板，以使耐火襯里免受氣流直接沖刷。封頭外加冷卻水夾套，防止殼體過熱損壞。
    (2)高溫端管板襯150mm厚的隔熱層，外加OCr25Ni20材質(zhì)的保護板。管板與管箱法蘭采用卵形空腔式密封焊結(jié)構，既保證高溫下的密封效果，又能拆卸管箱，便于檢修。管板與換熱管采用焊接和貼脹結(jié)合的連接方式，以保證高溫下連接與密封的可靠性。高溫端換熱管內(nèi)壁襯有高鋁纖維，外包OCr25Ni20的保護楔管，以保護換熱管。
    (3)殼程殼體上有6根上升管，6根下降管，1根排污管。下降管（即進水管）入口處，于鍋爐殼體內(nèi)壁焊有導流板，以免冷卻水直接沖刷換熱管，并使進水分布均勻。
    (4)低溫端管板采用浮動式，管板底部設有兩塊夾角30。的支撐塊。與該管板連接的是球形封頭，由于該封頭既要承受管程1.6MPa的高溫轉(zhuǎn)化氣，又要考慮可能承受殼程內(nèi)水及水蒸氣造成的外壓，采用球形封頭可減薄壁厚。球形封頭端部連接內(nèi)徑0492mm的出氣管。
    (5)鍋爐出氣端為帶法蘭的橢圓封頭，封頭端部設置填料座，與球封上的出氣管一起形成填料函，用填料密封鍋爐內(nèi)蒸汽。
    (6)換熱管為移38mm×3mm的20G管，呈正三角形排列，管間距62mm。
    (7)鍋爐由鞍座支承，高溫端為帶長圓地腳螺栓孔的鞍座，低溫端為滾動支座支承，以利鍋爐充分膨脹。
3、該鍋爐設計中遇到的幾個問題
3.1  轉(zhuǎn)化氣進口端的膨脹如何協(xié)調(diào)
    從轉(zhuǎn)化爐出來的溫度高達863℃的轉(zhuǎn)化氣直接進入廢鍋。為了承受高溫和避免氣流沖刷，鍋爐進口管箱采取了保護措施，但也帶來了一個問題：純鋁鋁酸鈣混凝土土的耐火層、OCr25Ni20的保護板以及16Mng的管箱殼體，由于材質(zhì)不同，有不同的膨脹系數(shù)和膨脹量，若它們之間的膨脹協(xié)調(diào)考慮不當，在開車升溫后就可能造成襯里被壓潰、保護襯板鼓包等后果，失去保護能力，從而危及管板及鍋爐殼體，使其過熱而損壞，因此必須盡量消除膨脹差。在保護襯板的錐形部分加一波形膨脹節(jié)，受熱后膨脹節(jié)壓縮變形，從而補償襯板的熱膨脹。在耐火襯里兩部分的分型面上有1～2mm的膨脹疑，施工時耐火襯里錨固釘上纏0.8mm厚的膠帶或刷0.8mm厚的瀝青。耐火襯里與鍋爐殼體間墊2～4mm的牛皮紙。這些措施使得膨脹量不同的幾種材質(zhì)之間留下膨脹空間。
3.2管板計算
    鍋爐管板高溫端為固定式結(jié)構，低溫端為浮動式結(jié)構，由于管板的K值大于1，己超出現(xiàn)行換熱器國家標準范圍，沒有相應計算方式，因此參考美國TEMA標準計算管板，浮頭端部分屬于TEMA中T型后端頭蓋型式。管板厚度計算按以下步騾進行。
    (1)按彎曲強度計算管板厚度T
    丁一管板的有效厚度；F-系數(shù)，對于有支承的管板（固定管板和浮動管板），在一側(cè)或兩側(cè)的元件與管板成為一整體時，F(xiàn)由RCB - 7.132中H曲線來確定，F(xiàn)=1.0;G-T型換熱器為壓力作用在管板上的直徑，G=1600mm;n-系數(shù)，對于換熱器三角形或轉(zhuǎn)角三角形排列。
    (2)浮動管板同樣由彎曲強度公式計算。由于浮動管板沒有隔熱層，設計溫度比固定管板高，因此許用拉伸應力S低，計算厚度丁- 93.9mm。
    根據(jù)管板計算厚度，考慮管板雙面腐蝕以及結(jié)構要求，確定管板名義厚度。
3.3  如何保證填料函的密封效果
    出氣管與鍋爐封頭上的填料座（凸緣）一道形成雙填料函結(jié)構(見圖3)，第一段填料密封鍋爐殼程2.5MPa的水蒸氣，第二段填料密封管程1.6MPa的轉(zhuǎn)化氣。受熱后出氣管將在填料函內(nèi)滑動，這要求出氣管外圓面必須與填料腔內(nèi)圓面平行和同軸。平行的要求是為了兩密封面相對滑動時不會被卡住，同軸的要求是為了密封腔中的填料在圓周方向受力均勻，便于壓緊填料保證密封。
    由于鍋爐是臥置的，浮動管板和管束會在重力作用下塌落，重量通過出氣管作用在填料上，不易保證密封，因此必須把浮動管板支撐起來。在浮動管板底部呈30°夾角安裝兩塊支撐塊，支撐塊既起到支撐浮動管板和管束的作用，又能使浮動管板在支撐塊上滑動。設置了支撐塊，浮動管板和管束就不會塌落，就可以通過加工浮動管板和出氣管外圓以及填料腔的內(nèi)圓來滿足平行度和同軸度的要求。
    通過以下加工程序來達到浮動管板和出氣管外圓以及填料腔的內(nèi)圓的平行度和同軸度要求：①浮動管板和內(nèi)封頭組焊后加工浮動管板和出氣管外圓，保證兩圓的軸線同軸度允差為0.5mm，強調(diào)組焊后加工是由于構件組焊后往往會變形，達不到同軸度要求。②凸緣（填料座）、外封頭及出氣管進行預組裝，用填料（或用與填料尺寸相同的環(huán)）來決定凸緣位置，以保證凸緣與填料接觸的內(nèi)圓與出氣管外圓兩軸線的同軸度在允差范圍內(nèi)。通過這兩個步驟，能滿足填料密封與膨脹滑動的要求。
    填料函中的兩段填料所承受的溫度和壓力是不一樣的。第一段填料密封2.5MPa，228℃的飽和水蒸汽，第二段填料密封1.6MPa，463℃的轉(zhuǎn)化氣。經(jīng)過計算，結(jié)合使用經(jīng)驗，第一段填料用4圈12mm×12mm碳素纖維編織填料，第二段填料用3圈12mm×12mm碳素纖維編織填料，該種填料高溫性能好，燒蝕小。
4  結(jié)語
    利用上述方法設計的這臺廢熱鍋爐于1995年投入運行，至今運行情況良好，說明鍋爐結(jié)構合理，選材恰當，密封有效，達到了預期目的。