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活性炭工藝廢氣余熱鍋爐研發(fā)設計

文檔作者：趙春山濮凌文檔來源： 1．江蘇雙良鍋爐有限公司 2．上海交通大學		點擊數：	更新時間： 2021年05月12日
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14 工業(yè)鍋爐 2012年第4期(總第134期)
文章編號：1004—8774(2012)04—14—04
活性炭工藝廢氣余熱鍋爐研發(fā)設計
趙春山 ，濮凌
(1．江蘇雙良鍋爐有限公司，江蘇江陰214444；2．上海交通大學，上海200240)
摘要：介紹了一種針對活性炭生產過程中活化爐及碳化爐尾部排出高溫煙氣而設計的
一種特殊結構余熱鍋爐。
關鍵詞：活性炭；蒸發(fā)器；水平煙道式；余熱鍋爐
中圖分類號：TK229．92 9 文獻標識碼：A
第一作者：趙春山，
Research and Developm ent of W aste Heat Recovery 畢業(yè)于西安交通大
Boiler Used for Activated Carbon Production 學鍋爐專業(yè)，主要從
事鍋爐產品的設計
． 開發(fā)。
ZHA0 Chun—shan ．PU Ling
(1．Jiangsu Shuangliang Boiler Co．Ltd，Jiangyin 214444，China；
2．Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)
Abstract：One kind of special stmcture boiler which was designed for recovering the waste heat of high temperature
exhausted fluegas at the tail of activation furnace and carbonized furnace is introduced．
Key words：activated carbon；evaporator；horizontal flue type；waste heat recovery boiler
O 概述
當前，國家正在全面推行節(jié)能減排工作，其中一
個重要措施就是大力推廣工業(yè)過程的余熱余能利用
技術以減少能耗?；钚蕴可a過程中活化爐及碳化
爐尾部排出大量高溫工藝廢氣，通過布置余熱鍋爐
回收高溫廢氣中的熱量，將廢熱轉化為中溫中壓的
蒸汽進行發(fā)電，不僅可以節(jié)能降耗，還可以減少熱污
染，給企業(yè)帶來額外的經濟效益。我們根據用戶要
求，在進行廣泛的市場和技術調研的基礎上，為某公
司成功開發(fā)了適用于年生產2萬噸活性炭項目的余
熱鍋爐?，F就該鍋爐設計的一些要點和結構作一簡
單介紹。
l 有關設計參數的選取
1．1 廢氣成分
某公司2萬噸／年活性炭生產項目有2套活化
爐生產線，1套碳化爐生產線，由于這兩種廢氣的成
分大致相同，溫度也很相近，故3臺余熱鍋爐使用同
一個煙氣參數進行計算，只是煙氣量不同而已。煙
氣參數(容積比)見表1。
收稿日期：2012-03，22
表1 煙氣參數(容積比)表
1．2 蒸汽參數的選取
由于碳化爐及活化爐在運行過程中本身就會產
生大量的蒸汽，不再需要外來蒸汽，所以余熱鍋爐產
生的蒸汽用于發(fā)電是明智之選。綜合考慮，將鍋爐
的蒸汽參數設定在3．82 MPa、450 oC。
2 鍋爐結構介紹
本鍋爐屬自然循環(huán)型余熱鍋爐(如圖1)，煙氣
依次經過進口煙道、鍋爐本體和出口煙道后接入系
統(tǒng)除塵設備。鍋爐受熱面整體布置采用水平煙道
式，所有受熱面采用懸掛結構，重量支撐在鍋爐鋼架
上，整個鍋爐向下膨脹，爐墻采用護板保溫結構，即
最內側為耐火材料，在耐火材料與護板之間裝有輕
質保溫材料，這種結構具有散熱少，熱膨脹量小，外
觀美觀，安裝工作量小等特點。
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· 研究與開發(fā)· 活性炭工藝廢氣余熱鍋爐研發(fā)設計 15
1一進口煙道2一燃盡室3一蒸發(fā)器I 4一高溫過熱器5一低溫過熱器
6一蒸發(fā)器Ⅱ 7一蒸發(fā)器Ⅲ 8一卸灰閥9一省煤器10一出口煙道11一鍋筒
圖1 Q 43／11o0—20—3．82／450鍋爐簡圖
2．1 進口煙道
由于進口煙氣管道為垂直布置，而余熱鍋爐系
統(tǒng)為水平布置，所以煙氣在進口煙道中會存在一個
90。的轉彎，如果煙氣的流速太快的話，轉彎的沖擊
力會很大，引起整個煙道的震動，同時煙道截面的大
小還要兼顧后續(xù)受熱面的截面尺寸，多方考慮，最終
確定進口煙道的凈截面尺寸(高×寬)為2．06 m×
1．75 m。經過計算進口煙道的平均煙氣流速為
12．76 m／s。進口煙氣溫度在1 100℃ ，一般鋼材都
無法承受這么高的溫度，需在煙道內布置耐火保溫
材料，經計算150 mm耐火混凝土外加230 mm的硅
酸鋁纖維保溫，此煙道外表面的溫度在45℃左右，
滿足國家標準要求? 。
2．2 燃盡室
炯氣從活性炭系統(tǒng)煙道進人鍋爐系統(tǒng)后，煙氣
流動存在一定的慣性，會導致煙氣速度不均，由于煙
氣中含有一定數量的飛灰，若飛灰進入尾部的受熱
面，會造成受熱面的局部磨損及積灰，影響受熱面的
傳熱與運行安全。故在所有受熱面的最前端布置燃
盡室，主要目的有兩個：
(1)讓煙氣在燃盡室內得到有效的緩沖，使得
煙氣流速基本上達到均勻，減少磨損；
(2)讓煙氣中的飛灰得到一定程度的沉降，避
免飛灰進入后面布置相對密集的對流受熱面，給后
面的清灰?guī)砺闊﹍2 J。
若要使煙氣中的飛灰沉積下來，必須具有較大
的流速差，進口煙道中的煙氣流速為12．76 rn／s，綜
合考慮，將燃盡室的截面面積確定為4．78 ITI ，此時
的平均煙氣流速為7．75 m／s，兩者有5．01 m／s的速
度差，約占進口速度的39．2％ ，利于飛灰的沉降。
余熱鍋爐運行時整體的密封性會直接影響鍋爐
運行效率與安全，為了保證鍋爐的密封性及外表面
的溫度合適，燃盡室采用膜式水冷壁結構，并選用材
質為2O鋼的節(jié)距為90 mm的4,51 mm X4 mm管子膜
式壁水冷壁，以保證壁溫不超過材料允許使用范圍。
2．3 蒸發(fā)器l
由于燃盡室的出口煙氣溫度為1 057℃ ，若直
接沖刷高溫過熱器，由于煙氣不均勻會導致過熱器
局部的壁溫過高，影響過熱器的運行安全。在過熱
器前布置蒸發(fā)器I，將進入過熱器的高溫煙氣降至
合適的溫度，可以有效控制過熱器管的壁溫使其在
材料允許的范圍內。蒸發(fā)器I(管組)由2組管屏
組成(每組管屏由上下聯箱(+273 mm×14 mm)及
多組4,51 mm×4 mm的光管錯列布置焊接而成，錯
列布置保證沖刷均勻，無死角)，如圖2所示，每排
管的中心夾角為64。，這樣有利于焊接觀察，縱向節(jié)
距為120 mm或160 mm可以保證彎曲起點至集箱
簡體的焊縫距離符合JB／T 1611管子制造標準，橫
向節(jié)距為55 mm，此時的最小減弱系數為0．514，對
應的集箱簡體設計計算壁厚為12．39 mm，小于取用
壁厚14 mm，滿足制造與使用要求。
圖2 蒸發(fā)管屏管子布置示意圖
2．4 高低溫過熱器及減溫器(如圖3)
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16 工業(yè)鍋爐 2012年第4期(總第134期)
蟈氳虛回． 煙氣走向
一
圖3 高低溫過熱器結構示意圖
高低溫兩級過熱器與減溫器串聯布置，高溫過熱 的直段部分布置鰭片。
管采用12CrlMoVG，低溫過熱器采用20G。蒸汽的走 如圖4所示，鰭片的厚度為1．2 mm，螺距為
向采用逆流布置，故高溫過熱器壁溫最高處在A點， 5 mm，鰭片高為10 mm。由于煙氣溫度與蒸發(fā)器
低溫過熱器壁溫最高處在B點。高溫過熱器布置在 I、Ⅱ相比降低不少，故與蒸發(fā)器I、Ⅱ采用相同的
蒸發(fā)器I的后側，由熱力計算可得高溫過熱器的進口 橫向縱向節(jié)距，這樣蒸發(fā)器Ⅲ平均煙氣流速為13．6
煙氣溫度為897℃ ，而A點的蒸汽溫度為450℃ ，通 m／s，不易在受熱面上形成積灰。
過壁溫計算A點的管壁溫度為535．7℃ ，低于
12Crl MoVG的允許工作溫度。低溫過熱器的進口溫
度為797．7℃ ，B點的蒸汽溫度為361．7℃ ，壁溫計算
得出B點管壁溫度為420．1℃ ，低于20G的允許工作
溫度。高低過熱器中間有減溫器，用以調節(jié)和控制蒸
汽溫度。減溫方式為噴水減溫，減溫器由笛形管和內
襯混合管組成，保證減溫器工作時，水和蒸汽在該區(qū)
段內充分混合，保護減溫器集箱使其免受疲勞損壞。
過熱器采用順列布置，橫向22排。通過計算，高低溫
過熱器煙氣流速分別為16．8 rn／s、15．3 m／s，蒸汽流
速分別為26．5 m／s、22．8 m／s，都在國家標準允許的
范圍內。同時過熱器集汽集箱上設置了安全閥、壓
力表、溫度計與其他測量儀表，供鍋爐運行時監(jiān)督和
控制用 。在其上還布置有疏水管路和啟動排氣
管路，供鍋爐啟動時用。過熱器通過其頂部的吊掛
裝置懸掛在頂部的鋼性梁上，使得整體受熱面在受
熱的情況下可以自由向下膨脹。
2．5 蒸發(fā)器Ⅱ
蒸發(fā)器Ⅱ由6組管屏組成，每片管屏的結構與
蒸發(fā)器I中的管屏一致，為了檢查與檢修的方便，將
6組成管屏再分成2組，每組由3組管屏組成，在這
兩組之問布置檢修人孔。
2．6 蒸發(fā)器Ⅲ
由于蒸發(fā)器Ⅱ出口的煙氣溫度為499℃ 屬于低
溫區(qū)，煙氣當中的飛灰經過前面幾級受熱面的沉降
已經相對干凈，鰭片管不但可以提高煙氣的流速，加
強沖刷效果，同時可以節(jié)約很大的受熱面布置空間，
降低鍋爐制造成本，故蒸發(fā)器Ⅲ采用鰭片管，因彎頭
部分的鰭片制作工藝比較復雜，所以只在蒸發(fā)管束
圖4 鰭片示意圖
2．7 省煤器
省煤器同樣采用鰭片管，由+32 mm×4 mm螺
旋翅式蛇形管組成，鰭片的厚度為1．2 mm，螺距為
5 mm，鰭片高為10 mm，如圖5。
圖5 螺旋翅式蛇形管刁 意圖
由于蛇形管無法整根采用鰭片管，只能在蛇形
管的直段部分設置鰭片，在鰭片管設置彎頭和直段，
這樣蛇形管在拼接時可以減少一半的焊接管口和探
傷工作量，節(jié)約制作成本。由于蛇形管的彎頭數量
較多，阻力較大，需要較高的水流速才能將管內的氣
泡排出，單流程的水流速0．35 m／s，不利于氣泡的
排出，在省煤器進出口集箱加隔板，將省煤器管內水
流速提高到0．75 m／s。蛇形管每一排通過管夾吊
掛在頂部的支撐梁上，管夾底部通過一根梁將所有
的蛇形管固定好，避免了省煤器管震動引起的損壞。
2．8 卸灰閥及檢查門
煙氣中含有一定的灰塵，這對鍋爐的整體密封
性提出了一定的要求。針對這種情況，我們在該余
熱鍋爐系統(tǒng)中采用密封性較好的雙閘板卸灰閥及螺
紋盤緊壓式檢查門，如圖6所示。鍋爐在運行過程
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中，煙氣中的灰由于煙速的變化及與管間的碰撞而
沉降到鍋爐的底部，如不及時將積灰排出爐外，會對
鍋爐的運行帶來不利的影響，雙閘板卸灰閥可以實
現在不停爐的情況下將灰清除，而且對煙氣不會造
成任何影響，螺紋盤緊壓式檢查門采用螺紋緊固，平
面密封槽，密封效果好。
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螺紋盤式檢查門 雙l嗣板卸灰閥
圖6 檢查門、卸灰閥結構示意圖
2．9 鍋筒及內部裝置 多孔板分離器二級汽水分離裝置。鍋筒內部還設置
鍋筒布置于爐頂，鍋筒內徑為 1 400 mm。為 了給水分配管、加藥管和連續(xù)排污管，在鍋筒上還設
保證鍋爐正常運行時獲得良好的蒸汽品質，同時又 有水位計、平衡容器、電接點液位計、壓力表和安全
能適應鍋爐快速啟動及負荷變化的需要，本鍋爐在 閥等裝置，以供鍋爐運行時監(jiān)督、控制用。鍋筒上還
鍋筒內的水空間設置了大包夾層，使鍋筒的筒壁在 設置了充氮保護管座。
鍋爐快速啟動時能夠均衡地升溫，有效地控制鍋筒 3 熱力計算
的上下壁溫差，使其保持在允許的范圍內。為保證 本鍋爐各部分的熱力計算結果見表2
。
蒸汽品質，在鍋筒內還設置了旋風分離器和波形板、
表2 熱力計算結果表
4 鍋爐運行情況與節(jié)能效益
該鍋爐自2011年2月投運以來，情況良好，沒
有發(fā)現積灰、腐蝕、磨損等現象，經測試基本達到鍋
爐設計要求。實踐證明整個鍋爐系統(tǒng)設計比較合
理，有較好的使用價值。
在原有活性炭制作系統(tǒng)中，活化爐和碳化爐排
出的高溫煙氣，首先經過高溫除塵器，將煙氣當中的
灰塵收集起來，由于煙氣溫度較高，除塵器的體積會
很大，經過除塵器后高溫煙氣，正常采用水噴淋的方
法進行物理降溫，降溫后的煙氣通過引風機排人大
氣。煙氣中含有大量的水分，容易引起風機的震動
及功率的增長，浪費了大量的熱能及電能，同時對周
圍環(huán)境造成很大的污染。現活化爐及碳化爐排出的
高溫煙氣首先進入余熱鍋爐，經過余熱鍋爐的充分
換熱，將煙氣中的熱量轉化為中溫中壓的蒸汽，用來
帶動汽輪機發(fā)電，給企業(yè)帶來可觀的經濟效益。余
熱鍋爐的出口煙氣溫度在180℃左右，煙氣體積縮小
很多，除塵器的體積可以大大降低，同時引風機的功
率及故障率也大幅減少，節(jié)約了運行成本，無形中降
低了活性炭的生產成本，提高企業(yè)市場競爭力。隧
參考文獻
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教育出版社，2000．
[3]李之光，范柏樟．工業(yè)鍋爐手冊[M]．天津：天津科學技
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