1、鍋爐簡(jiǎn)介
蘇州精細(xì)化工集團(tuán)有限公司300 kt/a硫磺制酸裝置廢熱鍋爐是南化集團(tuán)設(shè)計(jì)院配套設(shè)計(jì)的新型強(qiáng)制循環(huán)廢熱鍋爐，自1999年開車以來已連續(xù)安全運(yùn)行3年，從未發(fā)生事故，保證了硫酸裝置的長周期安全運(yùn)行。
1.1鍋爐結(jié)構(gòu)
廢熱鍋爐為橫向沖刷襯磚水管鍋爐，生產(chǎn)4.2 MPa的中壓飽和蒸汽48000kg/h，共有4組蒸發(fā)受熱面，均懸吊于鍋爐水平煙道內(nèi)。鍋爐采用強(qiáng)制循環(huán)，汽包布置在鍋爐側(cè)面的混凝土平臺(tái)上，汽包中心標(biāo)高為10.4 m。熱水循環(huán)泵布置在汽包下方±0.0m平面。熱水循環(huán)泵的流量為450m3/h( 355t/h)，揚(yáng)程為0.398 MPa，電機(jī)功率110kW。
1.2鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)
經(jīng)省煤器加熱后的水直接送入鍋爐汽包，與爐水混合后由底部的+426 mm×14 mm下降總管引出到熱水循環(huán)泵，加壓后由1根+273 mm×10mm的熱水總管順序流經(jīng)4組蒸發(fā)受熱面的進(jìn)口集箱。每組受熱面產(chǎn)生的汽水混合物由各自獨(dú)立的上升管送入汽包，經(jīng)汽水分離后飽和蒸汽由汽包頂部引出，水繼續(xù)循環(huán)，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
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
2、水動(dòng)力計(jì)算原始數(shù)據(jù)
蒸發(fā)管束、上升管和下降管原始數(shù)據(jù)分別見表1、2和3。
3、汽水阻力計(jì)算及水動(dòng)力特性曲線的繪制
強(qiáng)制循環(huán)鍋爐由于循環(huán)水量基本不變，所以循環(huán)倍率近似與負(fù)荷成反比，如果在額定負(fù)荷下循環(huán)可靠的話，則在低負(fù)荷下也是可靠的，所以只需要進(jìn)行額定負(fù)荷下的水動(dòng)力計(jì)算。計(jì)算步驟如下：
a．假設(shè)三個(gè)總循環(huán)流量，求出下降管所對(duì)應(yīng)的阻力。
b．對(duì)應(yīng)于每個(gè)總流量假設(shè)每組蒸發(fā)管束和旁通管的流量，分別計(jì)算蒸發(fā)管束和上升管的阻力，見表5和表6。
c．按串聯(lián)回路流量相同阻力相加，并聯(lián)回路阻力相同流量相加的原則得出鍋爐總的流量一阻力曲線，見圖2中曲線1。
d．繪出熱水循環(huán)泵的流量一壓力曲線，見圖2中曲線2。曲線1與曲線2的交點(diǎn)即鍋爐的工作點(diǎn)。在該點(diǎn)處，流量為352 743 kg/h，壓力為0. 396 MPa。
e．根據(jù)此結(jié)果反算出4組管束流量，并計(jì)算出相應(yīng)的特性數(shù)據(jù)，見表7。
4、水循環(huán)安全性分析
有了蒸發(fā)管束工作特性數(shù)據(jù)，就可以對(duì)每組管束的安全性進(jìn)行分析，鍋爐水循環(huán)的安全性一般從以下幾個(gè)方面加以分析：
a．爐內(nèi)傳熱惡化的分析。正常運(yùn)行時(shí)鍋爐受熱面沸騰傳熱的放熱系數(shù)很大，傳熱良好，管壁溫度接近于飽和水溫度；但是一旦傳熱惡化，管壁對(duì)管內(nèi)介質(zhì)的放熱系數(shù)急劇減小，管壁溫度急劇上升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆管事故，因此對(duì)鍋爐而言防止傳熱惡化是非常重要的。傳熱惡化有兩種類型。第一類發(fā)生在受熱面熱負(fù)荷極高的區(qū)域或含汽率較低的區(qū)域。極高的熱負(fù)荷使管內(nèi)瞬間產(chǎn)生大量的蒸汽，在管內(nèi)壁形成連續(xù)的蒸汽膜，使管壁得不到冷卻，溫度急劇上升直到爆管。對(duì)于10.0MPa以下的鍋爐，臨界熱負(fù)荷為3 MW/m2，而硫酸廢熱鍋爐對(duì)流蒸發(fā)受熱面熱負(fù)荷一般小于0.1M W／m2，遠(yuǎn)小于第一類傳熱惡化的臨界熱負(fù)荷，所以其對(duì)流受熱面不會(huì)發(fā)生第一類傳熱惡化。第二類傳熱惡化發(fā)生在熱負(fù)荷較低但含汽率較高的區(qū)域。由于含汽率較高，水膜很薄，管子中心汽流很容易將水膜撕破，或因蒸發(fā)使水膜部分或全部消失，此時(shí)管壁因與蒸汽接觸而得不到水的冷卻，溫度升高。盡管出現(xiàn)這類傳熱惡化時(shí)壁溫的上升速度比第一類傳熱惡化時(shí)慢，但嚴(yán)重時(shí)也會(huì)發(fā)生爆管。判斷沸騰受熱面是否會(huì)發(fā)生第二類傳熱惡化的關(guān)鍵是看其含汽率是否超過了臨界含汽率。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算出本鍋爐4組蒸發(fā)管束的臨界含汽率均大于0.7，而本鍋爐實(shí)際含汽率均小于0.7(見表7)，故也不會(huì)發(fā)生第二類傳熱惡化。
b． 管間脈動(dòng)的分析。在強(qiáng)制循環(huán)鍋爐中，如果吸熱量或水流量的變化使蒸發(fā)受熱面管子的出口汽水混合物流量與進(jìn)口水流量不一致且呈周期性波動(dòng)，而且進(jìn)口流量與出口流量的波動(dòng)相位差180°，就有可能會(huì)發(fā)生管間脈動(dòng)。管間脈動(dòng)的產(chǎn)生以及其振幅和周期與很多因素有關(guān)，其中最主要的是加熱水段與汽水段的阻力之比、工質(zhì)的質(zhì)量流速和壓力、入口欠焓。但在蒸發(fā)管結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況一定的條件下，存在著一個(gè)臨界流速，如實(shí)際流速大于此值，則不會(huì)發(fā)生脈動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算，本鍋爐每組管束的臨界流速為0.35m/s，由于本鍋爐4組管束的實(shí)際流速均大于此值，故不會(huì)發(fā)生管間脈動(dòng)。
c．水力特性單值性的分析。鍋爐蒸發(fā)管束由于同時(shí)受加熱水段、蒸發(fā)區(qū)段和重位壓差的影響，有可能出現(xiàn)水力特性的多值性，即一個(gè)壓差下有幾個(gè)流量值與之相對(duì)應(yīng)。這樣在同一蒸發(fā)區(qū)內(nèi)并聯(lián)工作的蒸發(fā)管就會(huì)產(chǎn)生流量偏差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆管。垂直上升、下降管產(chǎn)生多值性的原因有兩方面。一方面是由于蒸發(fā)管入口水具有一定的欠焓，使管子內(nèi)同時(shí)存在加熱水段和蒸發(fā)區(qū)段。隨著流量或熱負(fù)荷的變化，加熱水段和蒸發(fā)區(qū)段有不同的流量一摩擦阻力變化規(guī)律（由單向流體和雙向流體阻力計(jì)算公式可知），其兩者相加的結(jié)果是摩擦阻力與流量的關(guān)系曲線呈三次曲線。當(dāng)水入口欠焓小于42pkj/kg(p為工作壓力，MPa)時(shí)，即使管子入口不設(shè)節(jié)流圈，此三次方程也沒有極值點(diǎn)，即一個(gè)流量對(duì)應(yīng)于一個(gè)壓降。此欠焓可以稱為臨界欠焓。對(duì)于工作壓力為4.0MPa的中壓鍋爐，可計(jì)算出臨界欠焓為168 kj/kg，而本鍋爐入口欠焓約為20 kj/kg，遠(yuǎn)小于臨界欠焓，所以摩擦阻力是單值的。另一方面，對(duì)于進(jìn)出口集箱都在上面的蒸發(fā)管束，由于下降管內(nèi)的介質(zhì)平均密度比上升管大，所以也存在重位壓差，而重位壓差值隨開始蒸發(fā)點(diǎn)高度的變化即流量的變化有可能呈現(xiàn)多值性。但是當(dāng)管子上下行程數(shù)增加時(shí)，重位阻力在總阻力中所占的份額越來越小，而摩擦阻力所占的份額越來越大，此時(shí)越接近水平管束。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，入口集箱在上面的管束，上下行程數(shù)大于10時(shí)，只要摩擦阻力是單值的，則總阻力也是單值的。本鍋爐所有管束上下行程數(shù)均大于10，故考慮了重位壓差后水力特性仍然是單值的。
鍋爐水循環(huán)的安全性還包括不產(chǎn)生循環(huán)停滯或倒流及循環(huán)泵入口不汽化等，但這些安全性都較易做到，這里不作專門分析。
總之，通過以上分析可以看出，本廢熱鍋爐與水循環(huán)安全有關(guān)的主要指標(biāo)均有較大的富裕度，故是安全可靠的。
5、與國外設(shè)計(jì)鍋爐的對(duì)比
表8列出了本鍋爐與國內(nèi)外設(shè)計(jì)的幾臺(tái)規(guī)模相當(dāng)?shù)膹?qiáng)制循環(huán)水管鍋爐的特性數(shù)據(jù)比較。從表中數(shù)據(jù)可見，我院設(shè)計(jì)的強(qiáng)制循環(huán)水管鍋爐的噸汽耗電量?jī)H為德國設(shè)計(jì)的41.4%~52. 4%，為日本設(shè)計(jì)的60.4%。這充分說明我院在強(qiáng)制循環(huán)水管鍋爐水動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)方面已超過國外水平。
6、對(duì)強(qiáng)制循環(huán)廢熱鍋爐水動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議
在確保鍋爐水循環(huán)安全可靠的前提下最大限度地降低熱水循環(huán)泵的動(dòng)力消耗是強(qiáng)制循環(huán)廢熱
鍋爐水動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終目的。筆者通過多年的研究，將如何進(jìn)行鍋爐水動(dòng)力的優(yōu)化設(shè)計(jì)總結(jié)如下。
6.1 合理確定每組蒸發(fā)管束的長度
為了降低鍋爐的整體循環(huán)阻力，應(yīng)該使各組管束的流動(dòng)阻力（除節(jié)流圈外）基本相近。為此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)蒸發(fā)管束由前向后管子長度應(yīng)逐漸加長（見表1蒸發(fā)管束原始數(shù)據(jù)）。這是因?yàn)樵谙嗤牧魉傧虑懊娴墓苁鴵Q熱強(qiáng)度大，含汽率高，單位長度的流動(dòng)阻力大；另一方面產(chǎn)生管間脈動(dòng)的臨界流速與換熱強(qiáng)度和管子長度的乘積成正比，管束前短后長有利于使每組管束的臨界流速相近�？傊�，蒸發(fā)管束由前向后逐漸加長，有利于平衡各蒸發(fā)管束的阻力，從而有利于降低鍋爐總的循環(huán)阻力，降低循環(huán)泵的動(dòng)力消耗。但是前面管束也不能太短，否則上下行程數(shù)將太少，這樣一方面重位壓差的絕對(duì)值（是負(fù)值）就有可能接近甚至大于流動(dòng)阻力，兩者之和接近零或?yàn)樨?fù)值，就會(huì)發(fā)生停滯和倒流。另一方面要保證水力特性的單值性就要有較高的管子入口水流速度，或者管子入口所設(shè)節(jié)流圈有較高的節(jié)流度。
6.2合理確定管內(nèi)水流速度
對(duì)強(qiáng)制循環(huán)廢熱鍋爐而言，蒸發(fā)管內(nèi)水流速度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。流速太低，管壁金屬得不到很好的冷卻，同時(shí)也容易發(fā)生管間脈動(dòng)、管內(nèi)停滯或倒流和汽水分層，出現(xiàn)水力特性的多值性；流速太高，鍋爐的整體阻力大，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。筆者通過對(duì)多臺(tái)硫酸裝置強(qiáng)制循環(huán)廢熱鍋爐的水動(dòng)力分析認(rèn)為：只要保證管內(nèi)水流速度不低于0.7m/s。即使管子入口不設(shè)節(jié)流圈，一般也不會(huì)發(fā)生管間脈動(dòng)、管內(nèi)停滯或倒流和汽水分層，不會(huì)出現(xiàn)水力特性的多值性。另外水循環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使蒸發(fā)管內(nèi)水流速度前大后�。ㄒ姳�7）。這是因?yàn)榍懊娴墓苁鴵Q熱強(qiáng)度大，如果水流速度小，其含汽率就高，不利于防止第二類傳熱惡化的發(fā)生。管內(nèi)水流速度前大后小也有利于平衡各組管束的阻力。
6.3選擇合理的循環(huán)倍率
鍋爐的循環(huán)倍率決定了鍋爐的經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行的安全可靠性。循環(huán)倍率越高，鍋爐的運(yùn)行越安全可靠；但熱水循環(huán)泵的耗電量也越高，鍋爐汽包、管子直徑相應(yīng)也越大，鍋爐的制造和運(yùn)行越不經(jīng)濟(jì)。反之循環(huán)倍率太低，有可能會(huì)發(fā)生第二類傳熱惡化，使鍋爐運(yùn)行不安全。從表8可以看出我院設(shè)計(jì)的鍋爐的循環(huán)倍率比國外設(shè)計(jì)的小得多，這也是我院設(shè)計(jì)的鍋爐噸汽耗電量小的最主要原因。那么循環(huán)倍率到底取多大才能保證鍋爐的安全運(yùn)行呢？筆者認(rèn)為鍋爐總的循環(huán)倍率應(yīng)不小于6~8。
7、結(jié)束語
鍋爐水動(dòng)力的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)問題，不能單純追求某一個(gè)指標(biāo)的優(yōu)化，鍋爐設(shè)計(jì)工作者只有將水動(dòng)力和鍋爐整個(gè)系統(tǒng)一起進(jìn)行優(yōu)化才能設(shè)計(jì)出一臺(tái)好的鍋爐。
相關(guān)生物質(zhì)鍋爐顆粒機(jī)產(chǎn)品：
1、
生物質(zhì)蒸鍋
2、
秸稈壓塊機(jī)
3、
木屑顆粒機(jī)
