余热回收设计方案.docx
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余热回收设计方案
恒昌焦化
焦炉烟气余热回收项目
设计方案
唐山德业环保设备有限公司
二〇一二年三月
一、焦化工艺概述：
备煤车间送来的配合煤装入煤塔，装煤车按作业计划从煤塔取煤，经计量后装入炭化室内。
煤料在炭化室内经过一个结焦周期的高温干馏制成焦炭并产生荒煤气。
炭化室内的焦炭成熟后，用推焦车推出，经拦焦车导入熄焦车内，并由电机车牵引熄焦车到熄焦塔内进行喷水熄焦。
熄焦后的焦炭卸至凉焦台上，冷却一定时间后送往筛焦工段，经筛分按级别贮存待运。
煤在炭化室干馏过程中产生的荒煤气汇集到炭化室顶部空间，经过上升管、桥管进入集气管。
约800℃左右的荒煤气在桥管内被氨水喷洒冷却至84℃左右。
荒煤气中的焦油等同时被冷凝下来。
煤气和冷凝下来的焦油等同氨水一起经过吸煤气管送入煤气净化车间。
焦炉加热用的焦炉煤气，由外部管道架空引入。
焦炉煤气经预热后送到焦炉地下室，通过下喷管把煤气送入燃烧室立火道底部与由废气交换开闭器进入的空气汇合燃烧。
燃烧后的废气经过立火道顶部跨越孔进入下降气流的立火道，再经蓄热室，又格子赚把废气的部分显热回收后，经过小烟道、废气交换开闭器、分烟道、总烟道、烟囱排入大气。
对于其中经总烟道进入烟囱热烟气的仍有较大的余热回收价值。
二、余热回收工艺流程图
技术方案如下：
该系统由热管蒸气发生器、软水预热器、汽包、上升管、下降管、外连管路和控制仪表等组成，并且互相独立。
主要技术特点：
1、地下烟道开孔技术：
如何实现地下主烟道在焦炉正常行产情况下在线开孔，是本项目成功实施的第一关键。
我公司根据多次地下烟道的开孔经验，成功总结出一套行之有效施工方案。
地下烟道路截面尺寸如上图所示。
开孔及布筋图
支模示意图
支撑系统图
2、防止地下烟道、余热回收设备、引风机间环流形成的技术。
由于地下烟道翻板阀与地下烟道周围的150-200的环隙，在风机工作的过程中，风机出口压头大于风机进口压头，且进口压头低于烟囱吸力，因此在设备烟气进口处与风机出口处间地下烟道有环流存在。
经验告诉我们在这种情况下，增大风机功率是没有作用的，因为随风机功率的增加，其环量也在增加，其结局是或影响焦炉总烟道负压度从而影响焦炉的正常生产，或影响余热回收的正常产汽量，这也是一般设备制造厂家在焦炉余热回收上失败的原因之一。
我们公司科学严谨的技术分析，在工艺设计上采取安全保障措施，从根本上避免了这一情况的发生。
3、地下双烟道吸力不平衡调节技术。
由于在实际生产过程中，两个地下烟吸力往往是不一致的，而风机的进口吸力是一样的，如何调整两个地下烟道吸是本项工程的另一关键技术。
三、余热回收工艺
1、烟气工艺流程
在地下主烟道翻板阀前开孔，将主烟道路热烟气从地下主烟道路引出，经余热回收系统换热降温后，将热烟气降至约170℃，经锅炉引风机再排入主烟道翻阀后的地下烟道，经烟囱排空。
2、水汽系统工艺流程
外来20℃的一次水经过软化水处理系统，到软化水箱，由软化水箱经水泵进入除氧器,经除氧器除氧后。
再由给水泵补入软水预热器，然后进入锅炉汽包，汽包水和蒸汽发生器内水自然循环,在汽包内蒸汽与水分离产生0.5MPa饱和蒸汽。
①水系统的供水量每小时20吨，供水压力～1.5MPa，水源由软水总管供给软化水处理系统，然后经软化水箱进入除氧器，除氧器提供补水管，将处理后的水补给软水预热器。
②系统软化水采用全自动软水器，他可将软水器运行及再生的每一个步骤实现自动控制并采用流量感应器来启动再生。
③从软化水箱到除氧器和软水预热器的给水系统均配两台电动给水泵（均为一开一备），水泵扬程除满足系统压力外，还要克服水柱爬升高度及沿程阻力，型号为DG型锅炉给水泵。
④软水预热器、蒸汽发生器、汽包、软化水系统、除氧器均设有排污出水口，可定期清除内部残留污物及水垢。
系统水箱设有给水取样；蒸汽聚集器设有水取样点，对换热器水进行取样。
四．余热回收系统主要设备
1余热锅炉系统
锅炉本体范围内的主要系统如下：
（1）蒸汽及水加热系统：
蒸汽输出；
汽水取样系统：
加药系统
给水系统
排污系统
（2）疏放水系统
锅炉本体范围内的各设备、管道的最低点设置疏、放水点，确保各下降管、省煤器、蒸发器等的进出口联箱疏、放水的畅通。
（3）排污系统
在汽包的盐段设连续排污，在水系统的下联箱设定期排污，排去适量的锅炉污水以确保蒸汽品质。
在锅炉本体下部配置1台定期排污扩容器，排污降温池布置在锅炉本体下部，且预留好排污降温池位置。
（4）汽水取样系统--锅炉本体汽水取样，取样系统包括：
给水取样：
PH值、电导率、O2
炉水取样：
PH值、磷酸根、电导率
2余热锅炉系统设计：
（1）锅炉烟气进口至出口，烟气阻力小于800Pa。
（2）系统正常排污量不超过锅炉给水流量的1%。
（3）锅炉疏放水系统能在一个小时内，将整台锅炉的水以重力放空。
（4）管道、阀门、排污扩容器及附件的设计压力和设计温度的确定符合标准规范有关确定。
（5）负责提供锅炉与其它设备之间的接口设计，并提供锅炉接口清单表。
（7）锅炉设有水压试验接口，提供试验方法和详细说明（包括试验用水的水质和水温）。
（9）锅炉的取样点、监视点、加药点、排污点、放气点及停炉放水点全部带有根部阀，如为法兰连接配带反向法兰、垫片及紧固件。
（10）供测量烟道及余热锅炉本体各段温度的测量元件。
（11）在符合设计条件及系统正常投运时，保证达到以下运行性能：
①锅炉在设计工况参数下能达到额定值。
并保证长期安全运行，所有附件及配供的测控设备均能正常投运。
②主蒸汽额定汽温偏差为±5℃，在可能运行的条件工况下，各段受热面的金属壁温都在允许范围之内。
③锅炉从启动到最大连续负荷范围内，水循环安全可靠。
④锅炉适用于露天布置，并采取适当防雨，避雷的措施。
⑤锅炉设计在定压运行下有良好的对负荷变动的适应性，在变负荷运行时，锅炉应有足够的安全可靠性，以适应系统或控制装置在运行中产生的偏差。
⑥锅炉设计中有有效的停炉保护措施，并提供有关设备及系统
3余热锅炉汽水系统工艺及设备布置
余热锅炉包括：
蒸发器、省煤器、共三组受热面以及汽包、除氧器。
3、锅炉整体布置
余热锅炉采取卧式布置。
热管换热器分成热管联箱、热管支架等组件。
水处理间布置中压锅炉给水泵、软水泵，软水箱、汽水取样分析装置和锅炉锅内磷酸盐加药装置。
（3）中压汽包及内部装置
中压汽包直段长度约为6000mm，两端相配椭球形封头，并设有人孔装置。
筒体和封头的材料均为16MnR。
该汽包通过两个支座（一个活动支座，一个固定支座）搁置在钢架梁上，汽包的中心线标高为12m。
由省煤器来的水从汽包前部进入分配管。
汽包内的汽水分离元件为均汽孔板和丝网捕沫器，布置在汽包顶部。
汽包正常水位在汽包中心线以下100mm处，正常水位范围为±75mm。
汽包内设有磷酸盐加药管、连续排污管、紧急放水管、再循环管。
底部为集中下降管。
在汽包上还设有双色水位计、压力表和安全阀（2个）等装置，以供锅炉运行时监督、控制用。
（4）汽包及内部装置
汽包直段长度约为6000mm，两端相配椭球形封头，并设有人孔装置。
筒体和封头的材料均为16MnR。
该汽包也通过两个支座（一个活动支座，一个固定支座）搁置在钢架梁上，汽包的中心线标高为14m。
为保证锅炉正常运行时获得良好的蒸汽品质，该汽在其内部也设置了均汽孔板和丝网捕沫装置。
在汽包内部也设有给水分配管、加药管和排污管，同时在该汽包上还设有水位计、压力表和安全阀（2个）等装置，供锅炉运行时监督、控制用。
五、锅炉本体的设备性能
（1）蒸汽发生器的性能
蒸汽发生器的原理为：
热流体的热量由热管传给水套管内的水（水由下降管输入），并使其汽化，所产汽、水混合物经蒸汽上升管到达汽包，经集中分离以后再经蒸汽主控阀输出。
这样由于热管不断将热量输入水套管内的水，并通过外部汽——水管道的上升及下降完成基本的汽——水循环，达到将热流体降温，并转化为蒸汽的目的。
、
焦炉设计参数（单台，共两台）：
（2）热管省煤器的性能
原理为：
热流体的热量由翅片热管传给管内的水，水吸收热量，使热流体降温，达到预期的效果。
六、钢架、平台扶梯
本体钢架采用全钢结构，按七度地震烈度设防。
钢架采用大型H型钢制成。
本体钢架采用桁架式结构，本体钢架将支撑整台锅炉正常运行时所产生的允许载荷以及风载、地震等载荷，并将其平稳地传递至地面基础，确保锅炉在允许载荷范围内长期安全可靠的运行。
锅炉外围采用紧身封闭式结构。
本锅炉在运行操作及检修所需的各部位均布置了平台，检修平台采用不透孔的花钢板结构，其余平台、步道及扶梯均采用适栅格结构，步道宽度为1000mm，扶梯宽度为800mm，斜度为45°，平台的允许载荷为2kPa（200kgf/m2），同时承载面积按不超过20%平台总面积计。
七.设备的主要特点
提到设备的特点，就要先介绍一下热管技术和特点：
1、热管
（1）、工作原理
热管是一种独立、密封的管子，内部抽成真空后，充入工质，工质以蒸发——冷凝的循环过程将热量从管的一端传到管子的另一端。
由于蒸发——冷凝过程，内部工质多处于饱和状态，因此热管几乎是在等温下传递热量，具有“热超导体”之称。
（2）、特点
①、极高的传热性能随管内工质的不同，传热系数达107W/m2.℃,是普通碳钢的数万倍。
②、低温差下高传输热量能力一根直径12.7mm，长1000mm的紫铜棒，两端温差100℃时传输30W的热量；而一根直径、长度的热管传输100W的热量，两端温差只需几度；
③、换热两流体均走管外，可以翅片化以强化传热；
④、单管作业性由热管组成的换热设备单根热管损坏对设备的换热影响不大，即使部分热管损坏也不会影响的政正常运行；
⑤、热源分汇在设计可以随意调整热管冷却段和蒸汽段的换热长度，以控制热管的壁温，因此可以使热管换热器避开露点。
这样就可避开露点腐蚀、不易积灰；
⑥、热管与换热器单支点焊接，避免由热帐冷缩造成的应力。
2、根据热管的这些特点，从而决定了热管余热锅炉的特点；
（1）、传热系数高。
废气和水及水蒸气的换热均在热管的外表面进行，而且废气热管外侧为翅片，这样换热面积增大，传热得到强化，因而使换热系数得到了很大的提高。
（2）、彻底解决泄漏问题：
由于热管是单管作业，冷热流体完全隔开，有效防止水汽系统的泄漏。
在运行时，废气的大量冲刷，即使管子一端被腐蚀传，只能使该热管失效，而管子另一端是完好的，不会造成冷侧的气水泄漏到热侧，确保了系统的安全运行，彻底解决了设备泄漏问题。
（3）、减轻露点腐蚀：
热管余热锅炉每一根管子的壁温是一个值，这就使相当一批热管在酸露点以上工作，当壁温比酸露点高1℃以上时，就可以避免露点腐蚀。
通过调节热管冷热段受热表面的比例来调整管壁温度，避开最大腐蚀区。
（4）、减轻积灰、堵灰及解决灰堵问题：
热管余热锅炉避开了露点，管壁不结露，就大大减少了灰的附着力，而且热管余热锅炉从设计上更科学合理，使其本身就具有一定的自吹灰能力。
（5）、单根或多根热管的损坏不影响设备整体使用。
（6）、采用了新型镍基钎焊管技术：
表面增加了硬度，而且光滑，大大减少了积灰、磨损和腐蚀，延长了设备的使用寿命。
3、采用热管余热锅炉安全可靠：
由于热管余热锅炉解决管子的磨损、腐蚀，设备的积灰、灰堵，延长了设备使用寿命，所以选用此设备安全可靠。
八、电气部分：
工程电气、热工自动化设计范围包括锅炉、及其辅助设备和系统的启停、联锁及所有热工过程工艺参数的监控、调节、保护等。
380V电源由买方提供。
（1）电气、照明、通讯
我方提供余热利用系统内电气、照明、通讯设备的选型、供货、安装、调试。
所有电气设备均选用国内知名品牌的产品。
如果调试、试运行需要双方配合，买卖双方必须进行协调、相互合作。
（2）自动控制、仪表
我方为本工程提供自动化仪表的选型、供货、安装、校验、调试、试运行。
自动化仪表均选用国内知名品牌的产品。
重要的过程应设置视频显示，诸如汽包水位。
上位机放置在控制室内。
5.2电气技术方案
（1）电气主接线
380V电源由买方提供。
（2）主要设备选择
继电器选用欧姆龙产品并带指示灯。
（3）低压厂用电接线
低压厂用电电压采用380/220V，动力与照明合并供电。
（4）自动装置
水泵就地设操作箱。
（5）接地装置设计原则
为保证人身和设备安全，所有电力设备外壳都应可靠接地。
本工程的接地装置采用水平接地体为主、垂直接地体为辅的复合接地网。
总的接地电阻要求小于2000/I（I=流经接地装置的入地短路电流）。
（6）照明和检修网络
①正常照明供电电压为交流380/220V。
照明系统控制开关按区域分点进PLC模块，由上位机画面控制。
电气室设应急照明，维持一个小时。
②照明、检修网络供电方式
本工程采用照明、检修与动力合并的供电方式。
事故照明采用应急灯。
5.3电气主要设备控制方式
（1）给水泵
系统采用两台给水泵。
一用一备变频起动方式运行。
电压为380V交流电源。
由卖方统一配置开关柜。
具备必要的保护连锁功能和故障报警及响应功能。
远程控制方式及运行信息全部由中控室PLC系统完成。
（2）除氧器上水泵
系统采用两台除氧器上水水泵。
一用一备变频起动方式运行。
电压为380V交流电源。
由卖方统一配置开关柜。
具备必要的保护连锁功能和故障报警及响应功能。
远程控制方式及运行信息全部由中控室PLC完成。
（3）其它低压电气
（4）电气控制柜选用GGD交流配电柜体,电器元件选用西门子或施耐德等品牌。
由我方自行完成电气配套及设计。
PLC柜统一配套。
磷酸盐加药装置、汽水取样缝隙装置、吹灰装置等的电源均接至热工电源柜。
照明电源、检修电源等均由我方自行统一考虑。
热控技术方案
（1）概述
本热控系统是为实现余热锅炉监测、控制、保护而专门设计配套的。
整个余热锅炉内各控制回路、各类热工参数以及阀门等的控制与检测全部由PLC来完成。
各类一次仪表及执行机构的信号完全满足PLC的要求。
PLC系统配置
a）本工程PLC系统共一个工作站，锅炉控制柜布置低压配电间。
工控机要求用知名品牌产品，同时配置一台激光A4打印机用于打印生产报表。
工作站既能完成系统程序编程又能实现系统操作工作。
b）控制系统采用西门子S7-300系列产品，控制器选用CPU315-2DP（带PROFIBUS通讯口）产品，在保证与工控机通讯的同时，可实现与用户总控室得的连续通讯。
控制模块、电源等相关设备均选用同系列产品。
c）编程软件采用Step75.3版本的系统软件，画面组态软件采用SIEMENSWINCC6.0完全版本。
d）现场变送器、测温元件、各辅机阀门挡板的状态信息以及PLC输出指令全部采用硬接线完成，可实现PLC远控。
考虑到可能发生的PLC故障，设置紧停装置。
主要仪表选型
a.压力、差压变送器选用国内知名品牌产品；
b.测温热电偶、热电阻等选用国内知名品牌产品；
c.流量计、孔板选用国内知名品牌产品；
d.电动阀、电动执行机构选用国内知名品牌产品。
（2）热工自动化主要功能
数据采集（DAS）
DAS将按照所要求的采样速度，模／数转换精度及扫描周期，对生产过程的各种信息量（模拟量、开关量、脉冲量）进行采集、处理、运算、巡检及储存等，并以文字、图表、曲线等形式组态成各种画面，通过LCD屏幕显示出来，向工作站及时提供机组运行状态的信息。
具体功能有：
a）数据采集并处理：
包括正确性判断、数字滤波、非线性修正、工程单位变换、参数补偿、限值比较、越限时间累计及二次参数计算等。
b）LCD各种画面，图表显示：
包括模拟图、曲线图、条形图（棒状图）、趋势图、成组参数显示及目录与一览表等。
c）记录与报表：
包括系统事件记录、趋势记录、报警记录、事件顺序记录、事件追忆记录、定时制表、请求制表、及历史数据的存储和检索。
d）报警管理：
包括报警确认、多种报警、可变的报警设定值、报警组报警优先级、报警总貌显示及报警闭锁。
e）操作指导：
机组启停过程中，通过LCD画面和文字显示，显示启动条件，操作流程。
当操作过程中程序中断或报警，将显示报警原因，闭锁程序，防止误操作。
模拟量控制（MCS）
MCS主要包括如下系统：
余热锅炉中压锅筒水位调节系统
除氧器水位调节系统
其他单项控制系统
顺序控制（SCS）
SCS控制对象包括机炉辅机的电动机、电动门、电磁阀和执行器等。
本工程仅按子组级控制、单项控制方式考虑。
各子组级控制的启、停能独立进行。
运行人员能在LCD键盘上选择自动程序控制或手动操作方式。
在程序自动执行过程中，出现任何故障或运行人员发出中断指令，可使正在运行的程序中断并回到安全状态，同时LCD上显示程序中断的故障原因。
当选择手动操作方式时，SCS系统设置的许可条件，可预防运行人员误操作。
设备的联锁、保护指令具有最高优先级，手动指令则比自动指令优先，被控设备的“启动”、“停止”或“开”、“关”指令互相闭锁，且使被控设备向安全方向动作。
SCS的保护和闭锁功能始终有效，不允许运行人员手动切除。
（3）自动控制回路
锅筒水位控制：
测量元件采用变送器将锅筒的水位转换成电信号，传至PLC控制模块，经运算输出电信号至变频器，控制锅筒水位在给定范围内。
锅筒水位控制回路采用三冲量调节方式，即控制模块采用锅炉主蒸汽流量、锅炉水位、锅炉给水流量三个信号进行运算。
能够很好的消除虚假水位的影响，其中对锅炉水位信号进行压力补偿，对主蒸汽流量信号进行温度、压力补偿。
（4）远方控制
通过工控机操作界面可以实现以下阀门的开关操作以及设备的启、停操作：
汽包给水泵的启、停、互备投入；
除氧器给水泵的启、停、互备投入；
现场电动调节阀、电磁阀的启、停及调节。
其他电气设备。
（5）热工测量
为使余热利用系统可靠运行，对过程中各种参数进行必要的测量，除了配备必要的就地现场直读仪表外，还配备了远传测量手段，所有重要参数均能够在PLC画面上实现显示，远传仪表的信号采用标准信号、分度号，与PLC相配套。
主要监测项目见下表：
热工监测项目一览表
序号
参数名称
指示
报警
信号类型
备注
1
烟道烟气温度
∨
热电偶K
或Pt100
共6点
2
除氧器水温
∨
∨
Pt100
共1点
3
给水温度
∨
Pt100
共1点
4
省煤器出水温度
∨
Pt100
共1点
5
锅筒给水压力
∨
∨
4～20mA
共1点
6
炉锅筒压力
∨
∨
4～20mA
共1点
7
软水箱水位
∨
∨
4～20mA
共1点
8
除氧器水位
∨
∨
4～20mA
共1点
9
汽包水位
∨
∨
4～20mA
共1点
10
锅炉给水流量
∨
4～20mA
共1点
11
出口蒸汽流量
∨
4～20mA
共1点
12
磷酸盐溶液箱水位
∨
4～20mA
共1点
余热锅炉热工参数指示、报警
无论操作员控制台上显示器显示的是何种画面，当重要参数达到或超过报警值时，应在显示器上立即以声光信号对该参数进行报警。
九、技术经济指标
130万/年吨焦化余热回收
1、原始工艺参数：
烟气量：
270000Nm3/h
烟气温度：
290℃
全年工作天数360天
2、余热回收系统参数：
热管换热器出口烟气温度≤170℃
热管换热器进出口压损～0.8kPa
除氧器工作压力0.15MPa
汽包工作压力0.8MPa
蒸汽流量15～18t/h
十、设备清单
130万吨/年余热回收设备一览表
序号
名称
数量
单位
型号/材质
备注
1
换热器部分
1
套
20#
唐山德业
2
中间烟道
1
套
Q235A
唐山德业
4
汽包
1
台
Q345R
唐山德业
5
循环管束
1
套
20#
唐山德业
6
水管路
1
套
20#
唐山德业
7
除氧器
1
套
国内名牌
8
加药系统
1
套
国内名牌
10
连排扩容器
1
台
国内名牌
11
连排水加热器
1
台
国内名牌
12
取样装置
2
套
国内名牌
14
软化水装置及水箱
1
台
唐山德业
15
消音器
1
台
304
国内名牌
16
各种阀门
1
套
国内名牌
17
仪表和控制系统
1
套
详见清单
18
软水泵
2
台
国内名牌
19
锅炉给水泵
2
台
DG25-30X4
国内名牌
20
钢架平台扶梯
1
套
唐山德业
21
引风机
1
台
Y4-73-11№25D
国内名牌
22
配套电机
1
台
YJTFKK5002-8/475KW10kvIP54
国内名牌
23
高压变频器
1
台
500KW
国内名牌
24
地下烟道插板阀
2
套
手/电一体
国内名牌
25
烟道阀
3
个
国内名牌
26
膨胀节
3
个
国内名牌
27
设备烟气接口
1
组
Q235A
唐山德业
28
管道路支架
13
个
Q235A
唐山德业
29
钢制烟道插板阀
3
个
Q235A
唐山德业
30
连接烟气管道
1
组
Q235A
唐山德业
31
烟道保温
2000
M2
硅酸铝纤维毡+采钢
32
汽包罩
33
安装、吊装费
34
压力容器监检费
35
设计费
36
运费
37
设备调试费
38
地下烟道开孔费
5
个
注：
不含基建费用及外管网。
附电仪清单
1、仪表清单
序号
位号
参数名称
信号
类型
型号
数量
品牌
1
PI-101
1号给水泵出口压力
现场
Y1500~4.0MPa
1
国内名牌
2
PI-102
2号给水泵出口压力
现场
Y1500~4.0MPa
1
国内名牌
3
PI-103
汽包压力1
现场
Y1500~2.5MPa
1
国内名牌
4
PI-104
汽包压力2
现场
Y1500~2.5MPa
1
国内名牌
5
PI-105
除氧器进水压力
现场
Y1500~1.0MPa
1
国内名牌
6
PT-101
汽包蒸汽压力变送器
1AI
0~2.5MPa
1
国内名牌
7
TI-101
设备入口烟气温度
现场
WSS5010～400℃
1
国内名牌
8
TI-102
设备出口烟气温度
现场
WSS5010～400℃
1
国内名牌
9
TI-103
省煤器出水温度
现场
WSS5010～400℃
1
国内名牌
10
TE-101
省煤器出口水温
RTD
WZP-220
1
国内名牌
11
TE-102
汽包蒸汽温度
RTD
WZP-220
1
国内名牌
12
TE-103
设备进口烟气温度
RTD
WZP-220
1
国内名牌
13
TE-104
省煤器进口烟温
RTD
WZP-220
1
国内名
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