国内外辐射对流废锅技术发展状况Word文件下载.docx

国内外辐射对流废锅技术发展状况Word文件下载.docx

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Describesthewasteheatboilerinthedevelopmentofthekeytechnicaldifficultiesfromwhole.Fromthedetails,adetailedintroductiontothegas-steamcombinedcycleHRSGdevelopmentoftechnologystatus.ThestatusquoofHRSGisdiscussed,includingthearrangementofheatingsurfaces,flowcharacteristicsoffluegas,theoptimizationofthermodynamicparameters,start-upandvariableloadoperation.Identifiedthekeyroleofwasteheatboilerinenergy-savingandenvironmental-protecting.Andthecomprehensiveprospectinusinganddevelopmentinthefuture.

KeyWords:

WasteHeatBoiler;

HRSG;

combinedgas-steamcycle;

KeyTechnologies

废热锅炉用来控制工艺气的温度，同时又回收生产过程的余热生产蒸汽，有完整的水循环系统，这有别于一般的换热器。

由于废热锅炉高温、高压及介质的特殊性，使其成为整个生产装置中的事故多发设备，因此对废热锅炉关键技术的研究显得尤为重要。

例如，对废锅的受热面的材料、积灰、腐蚀等的研究。

尤其燃气-蒸汽联合循环中余热锅炉，由于在燃气-蒸汽联合循环中余热锅炉起承上启下的作用，它的结构、性能以及参数都极大的影响到系统中其它设备乃至整个系统的性能。

所以对燃气蒸汽中余热锅炉的研究也显得尤其重要。

其中，受热面布置、烟气流动特性、热力参数优化、快速启停和变工况运行等都是需要重点考虑的问题。

1．废热锅炉技术发展综合概述

1.1废热锅炉简介

废热锅炉（英文wasteheatboiler）又称余热锅炉，是指那些利用工业过程中的余热来生产蒸汽的锅炉。

余热锅炉英文名HRSG，即HeatRecoverySteamGenerator的简称，直译成中文为热回收蒸汽发生器。

是燃气－蒸汽联合循环发电的主设备之一。

和常规锅炉不同，余热锅炉中不发生燃烧过程，也没有燃烧相关的设备，从本质上讲，它只是一个燃气—水/蒸汽的换热器。

其与燃气轮机配合，燃气轮机的排气（温度约在500～600℃）进入余热锅炉，加热受热面中的水，水吸热变为高温高压的蒸汽再进入蒸汽轮机，完成联合循环。

1.2余热锅炉分类

根据应用场合，分为电站废热锅炉和化工废热锅炉。

电站废热锅炉是IGCC电站系统气化岛中的关键设备，与化工用废热锅炉有很大不同。

采用废热锅炉对IGCC煤气化后的合成气显热进行有效回收能够提IGCC电站机组的发电效率；

电站废锅可分为辐射式和对流式。

另外，将辐射废锅和对流废锅结合为一个整体进行设计，称为辐射对流一体废锅，这可以大大降低投资成本，但国内技术尚不成熟。

化工废热锅炉利用生产过程中的高温物流作为热源来生产蒸汽的换热器，它既是工艺流程中高温物流的冷却器,又是利用余热提供蒸汽的动力装置。

根据结构形式，废热锅炉可分为管壳式和烟道式。

管壳式废热锅炉的结构与管壳式换热器无多大区别,并同样有固定管板式、浮头式及U型管式等。

烟道式废热锅炉的结构与普通锅炉相似,由耐火砖砌成炉膛,炉膛内装设管束，高温气体通过炉膛，将管束内流动的炉膛内流动的水加热气化。

根据高温气体通过管内还是管外，废热锅炉分为火管废热锅炉和水管废热锅炉。

根据进入锅炉的介质特性，余热锅炉可以分为以下几种主要型式：

a.经过余热锅炉的废烟气不需要进一步处理的，如铜冶炼炉拥精炼炉、平炉、玻璃熔炉、燃气轮机、加热炉等后置的余热锅炉；

b．经过余热锅炉的废烟气需要进一步处理的，其目的是把气温冷却到能适合下一道工艺的要求，如黄铁矿及闪速炼锌燃烧设备、IGCC合成气脱硫前经过的辐射锅炉、残余酸热裂解设备等后置的余热锅炉；

c．经过余热锅炉的废烟气要进一步处理，而且它的冷却应在给定时间内完成的，这时，余热锅炉的作用是保证上一道工艺的稳定性和防止进一步化学反应，如用于乙烯工艺设备裂解气冷却塔的余热锅炉；

d.固体显热利用，如用于回收赤热的烧结矿、高炉和转炉炉渣、炽热红焦、高温压延钢材等余热的余热锅炉；

e.城市垃圾及淤泥处理，用于焚烧城市垃圾和城市下水淤泥的余热锅炉。

1.3目前发展中废热锅炉结构的关键技术难点

1.3.1辐射式废热锅炉受热面形式

辐射式废热锅炉按照受热面布置方式可分为单面水冷壁、双面水冷壁和部分双面水冷壁3种型式，如下图所示：

图1辐射废热锅炉受热面3种不同的布置方式

同单面水冷壁布置方式相比,在满足相同容量显热回收要求的前提下,双面水冷壁结构体积更小、换热效率更高,同目前国际上辐射式废热锅炉发展趋势相适应,但其结构比较复杂,运行可靠性没有前者高。

采用部分双面水冷壁布置方式,在减小辐射式废热锅炉体积、提高换热效率的前提下,可以减小双面水冷壁布置比例和维护工作量,提高系统运行可靠性。

有效减小辐射式废热锅炉体积、增大吸热量,可使其应用于更大容量的机组,并使辐射式废热锅炉出口烟气温度进一步降低,K,Na等碱金属盐的沉积过程尽可能在辐射式废热锅炉中完成,以避免目前对流式废热锅炉存在的受热面积灰堵塞问题。

辐射式废热锅炉受热面形式应按照材料、制造、安装和检修条件进行选择,在满足工艺生产和安全运行的前提下,还应考虑加工制造的可能性,现场及加工机具、制造设备能力、材料来源、现有技术力量等因素。

1.3.2辐射式废热锅炉的入口形式

气化炉出口与辐射式废热锅炉入口由喉部进行连接,熔融渣从气化炉向辐射式废热锅炉流动的过程中会保持流动的温度,当熔融渣流动到辐射式废热锅炉入口处时由于流通面积扩大而容易被合成气夹带喷溅到辐射式废热锅炉中,所以,在设计中要保证熔融渣从离开喉部的壁面并在到达辐射锅炉水冷壁表面时能够被充分冷却,使渣固化失去黏结性,从而保证受热面不沾污,因此,对合成气通过喉部气速的选择是设计关键。

目前世界上应用较多的德士古辐射式废热锅炉入口形式如下图所示,气化炉与辐射式废热锅炉外壳体采用法兰连接,高温合成气出气化炉后进入一个相对较长的狭小通道,以此提高进入辐射式废热锅炉的流速,通道内壁为耐火砖,在进入辐射式废热锅炉的一端采用水冷壁弯管受热面,由于合成气具有3MPa压力,因此,需要在入口连接段的外壳与受热面之间注入高压氮气以平衡内部高压并起到密封作用。

图2德士古辐射式废热锅炉入口形式

1.3.3辐射式废热锅炉的排渣形式

合成气经过辐射式废热锅炉受热面换热以后流向对流式废热锅炉,其渣以熔融状态流入辐射式废热锅炉底部,经过底部水槽急剧冷却后又会出现具有很高硬度的固态溶渣,因此,在底部存在液相、气相和固相的混合区。

灰渣在混合区域内随水排入锁渣罐,因不同煤质的灰渣粘温特性直接决定辐射式废热锅炉的操作温度,并影响排渣及灰水中固态渣的含量等,从而影响排渣装置的稳定运行,因而辐射式废热锅炉出口形式必须根据设计煤种进行选择,流通截面尽量较大,且制造材料要有足够耐磨能力,从而保证排渣系统可靠运行。

同时,在渣口附近必须有吹扫装置进行防结渣沉淀扰动,在底部混合段也可以采用带压氮气进行不断吹扫。

1.3.4对流式废热锅炉受热面的积灰、磨损及腐蚀

对流式废热锅炉布置型式主要来源于化工行业,主要有火管式和水管式2种形式。

火管式对流式废热锅炉优点具有传热效率高、体积小、造价低等优势,其缺点是系统吹灰困难,容易造成积灰;

水管式对流式废热锅炉优点具有吹灰和受热面布置容易的特点,其缺点是设备体积庞大,传热效率和性价比不如火管式对流式废热锅炉。

气化后的煤气进入辐射式废热锅炉后含灰量很大,且有大量煤渣,其绝大部分呈液态形式,合成气从辐射式废热锅炉进入对流式废热锅炉后虽然含灰量大大降低,但也存在较细粉尘颗粒,而且其硬度高、易粘结,因此容易引起对流式废热锅炉受热面积灰和磨损。

气流速度和浓度是影响积灰和磨损的重要因素。

磨损量不但与速度成n次方关系（n值大小与灰的性质、浓度及粒度有关,一般在速度为9～40m/s时,n=3～3.5）而且与浓度、灰粒撞击几率等有关,气流速度提高会促使这些因素加强,从而使磨损加强,因此,设计中选用恰当烟气流速并保证速度场均匀性十分重要。

同时,在对流式废热锅炉中还要合理布置吹灰器、采用难积灰和堵灰的受热面结构、选用合适管材和对管子进行防磨表面处理等方式来解决积灰和磨损问题。

从气化炉中出来的合成气中的K,Na等碱金属盐以气态形式进入辐射式废热锅炉,因其结晶温度在600℃～700℃,故在辐射式废热锅炉内不会沉积,但在对流式废热锅炉里却容易沉积,可能的解决办法是避开此温度区,如在辐射式废热锅炉和对流式废热锅炉连接管道上采用水冷套管或在对流式废热锅炉的入口段采用空腔膜式水冷壁来降低气体温度,使其在进入对流受热面时的温度低于600℃。

根据以往经验,K,Na盐若不在管壁上结晶,即在气体中结晶变成固体灰粒,只要流速适当就容易被带走。

同时,对流受热面应采用纵向冲刷,尽可能避免受热面积灰。

1.3.5废热锅炉的材料问题（针对的是对流，辐射锅炉）

废热锅炉运行条件相当恶劣,其中受热面部分始终接触高温、高压且具有腐蚀性的合成气,对废热锅炉主体材料、受热面材料、外壳材料、耐火材料和内衬材料等都提出了严格要求。

煤中含有氯和硫等成分,在气化过程中生成的HCl和S在高温条件下会使受热面发生严重腐蚀。

同时,还原性气氛易导致非合金材料的氧化稳定保护层遭到侵蚀,对于含氯较高的气化进料尤其明显。

这就要求其受热面材质在还原气氛中具备足够抗煤灰腐蚀、抗高温磨蚀能力。

现有IGCC示范装置中废热锅炉受热面管材大多采用超低碳耐热不锈钢,且必须进行大面积表面处理。

对于辐射式废热锅炉外壳,为了减轻其质量并适应工况,一般采用高强耐热的Cr-Mo钢。

归纳起来,这些防腐措施主要有5点：

a．合理选择各部分（受热面、壳体等）耐蚀材料。

例如,用铁素体合金钢、铁素奥氏体钢、奥氏体铬镍钢、特殊奥氏体铬高合金镍钢等作为受热面材等。

b．采用堆焊技术,适当减少焊缝。

c．根据不同腐蚀和磨损程度对废热锅炉受热面的不同材料作相应表面处理。

在受热面表面加覆盖层的表面处理方法主要有等离子热喷涂、涂铬、电流渗铬和预氧化等。

d．运行中控制金属表面温度。

e．采用可换结构（如底部渣水系统中的易磨损件等）。

2.燃气－蒸汽联合循环废锅（余热锅炉）关键技术发展概述

2.1燃气－蒸汽联合循环中余热锅炉简介

作为燃气－蒸汽联合循环电站的三大主要设备之一，余热锅炉（HRSG）处于燃气轮机和蒸汽轮机之间，是系统整体优化和各主要子系统匹配的一个关键所在，起着承上启下的作用。

它的结构、性能以及参数都极大的影响到系统中其它设备乃至整个系统的性能。

因此，为全面提高燃气－蒸汽联合循环的技术水平，实现系统的优化设计，深入研究余热锅炉就显得尤为重要。

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