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6万t/a甲醇装置中转化气废热锅炉的设计
发布时间：2013-05-12 08:01 来源：未知
0、前言
榆林6万t/a甲醇装置是本公司开发设计所继成功开发3万t/a甲醇装置后又一较大规模的工程。6t/a甲醇装置中所用工艺蒸汽的压力、温度都较3万t/a甲醇装置高，因此废热锅炉在结构、尺寸上作了较大修改。本文叙述了废热锅炉的设计思路，以及几个关键问题的解决措施，副产蒸汽，节约能量。
1、废热锅炉结构型式的确定
废热锅炉主要是高温介质与冷却介质（一般是水）间接换热，使冷却介质在设备内沸腾汽化，以回收高温介质中的热能。
3万t/a甲醇装置中废热锅炉采用的是管壳式结构，即高温转化气流过换热管内，管外是锅炉水，热量通过换热管壁传导。该结构有以下特点：结构紧凑，与其他型式的废热锅炉相比，其单位换热面积的金属耗量较少，适应的介质和操作条件较为广泛等。该废热锅炉直径∮1200mm，换热管长7000mm，为了补偿热膨胀，采用外填料函密封型式，即在废热锅炉出口端浮动管板与壳体间用填料来密封壳程内的水蒸汽。此结构用于壳程压力较低(≤2.0MPa)的情况。
在开车过程中发现填料函处容易泄漏。经分析发现这是由于密封面较大（直径∮1200mm），压填料时不容易使填料均匀受压，因此容易泄漏；另一方面，由于管系传来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。后来通过改选填料材质等措施保证了密封。
6万t/a甲醇装置中的废热锅炉同样采用管壳式结构。由于壳程压力提高（达2.5MPa），并且设备直径增大为∮1600mm，采用外填料函不能达到密封要求，因此需采用另外的方式。
固定管板式密封效果好，但通过计算需要3个膨胀节才能补偿热膨胀，而且膨胀节壁厚比设备简体壁厚小很多，使得简体削薄部分达不到强度要求，因此不能采用固定管板式结构。为了补偿膨胀量还可以采用以下结构：浮头式、U型管式以及填料函式，这3种结构都可使换热管自由伸缩，无须补偿壳程的膨胀。但由于浮头式和U形管式结构的废热锅炉高温气体进出需在同一端，在该工程中布置不允许，因而未采用。
该废热锅炉采用浮头与填料函联合使用的结构。此结构能减少外管系传来的力和力矩对填料函的影响，而且由于密封面尺寸（直径移498mm）减少，密封压力可以升至2.8MPa，从而满足设备操作要求。
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2、废热锅炉的结构特点
该废热锅炉采用的结构是卧式列管式浮动管板型式。下面分别叙述各部分结构特点。
(1)进气端（高温端）采用60°锥度的锥形封头，目的是使进气气流平滑，并能均匀地分布于各换热管。封头内衬150mm厚的隔热层，隔热层上再加上OCr25Ni20材质的保护板，以使耐火衬里免受气流直接冲刷。封头外加冷却水夹套，防止壳体过热损坏。
(2)高温端管板衬150mm厚的隔热层，外加OCr25Ni20材质的保护板。管板与管箱法兰采用卵形空腔式密封焊结构，既保证高温下的密封效果，又能拆卸管箱，便于检修。管板与换热管采用焊接和贴胀结合的连接方式，以保证高温下连接与密封的可靠性。高温端换热管内壁衬有高铝纤维，外包OCr25Ni20的保护楔管，以保护换热管。
(3)壳程壳体上有6根上升管，6根下降管，1根排污管。下降管（即进水管）入口处，于锅炉壳体内壁焊有导流板，以免冷却水直接冲刷换热管，并使进水分布均匀。
(4)低温端管板采用浮动式，管板底部设有两块夹角30。的支撑块。与该管板连接的是球形封头，由于该封头既要承受管程1.6MPa的高温转化气，又要考虑可能承受壳程内水及水蒸气造成的外压，采用球形封头可减薄壁厚。球形封头端部连接内径0492mm的出气管。
(5)锅炉出气端为带法兰的椭圆封头，封头端部设置填料座，与球封上的出气管一起形成填料函，用填料密封锅炉内蒸汽。
(6)换热管为移38mm×3mm的20G管，呈正三角形排列，管间距62mm。
(7)锅炉由鞍座支承，高温端为带长圆地脚螺栓孔的鞍座，低温端为滚动支座支承，以利锅炉充分膨胀。
3、该锅炉设计中遇到的几个问题
3.1 转化气进口端的膨胀如何协调
从转化炉出来的温度高达863℃的转化气直接进入废锅。为了承受高温和避免气流冲刷，锅炉进口管箱采取了保护措施，但也带来了一个问题：纯铝铝酸钙混凝土土的耐火层、OCr25Ni20的保护板以及16Mng的管箱壳体，由于材质不同，有不同的膨胀系数和膨胀量，若它们之间的膨胀协调考虑不当，在开车升温后就可能造成衬里被压溃、保护衬板鼓包等后果，失去保护能力，从而危及管板及锅炉壳体，使其过热而损坏，因此必须尽量消除膨胀差。在保护衬板的锥形部分加一波形膨胀节，受热后膨胀节压缩变形，从而补偿衬板的热膨胀。在耐火衬里两部分的分型面上有1～2mm的膨胀疑，施工时耐火衬里锚固钉上缠0.8mm厚的胶带或刷0.8mm厚的沥青。耐火衬里与锅炉壳体间垫2～4mm的牛皮纸。这些措施使得膨胀量不同的几种材质之间留下膨胀空间。
3.2管板计算
锅炉管板高温端为固定式结构，低温端为浮动式结构，由于管板的K值大于1，己超出现行换热器国家标准范围，没有相应计算方式，因此参考美国TEMA标准计算管板，浮头端部分属于TEMA中T型后端头盖型式。管板厚度计算按以下步骡进行。
(1)按弯曲强度计算管板厚度T
丁一管板的有效厚度；F-系数，对于有支承的管板（固定管板和浮动管板），在一侧或两侧的元件与管板成为一整体时，F由RCB - 7.132中H曲线来确定，F=1.0;G-T型换热器为压力作用在管板上的直径，G=1600mm;n-系数，对于换热器三角形或转角三角形排列。
(2)浮动管板同样由弯曲强度公式计算。由于浮动管板没有隔热层，设计温度比固定管板高，因此许用拉伸应力S低，计算厚度丁- 93.9mm。
根据管板计算厚度，考虑管板双面腐蚀以及结构要求，确定管板名义厚度。
3.3 如何保证填料函的密封效果
出气管与锅炉封头上的填料座（凸缘）一道形成双填料函结构(见图3)，第一段填料密封锅炉壳程2.5MPa的水蒸气，第二段填料密封管程1.6MPa的转化气。受热后出气管将在填料函内滑动，这要求出气管外圆面必须与填料腔内圆面平行和同轴。平行的要求是为了两密封面相对滑动时不会被卡住，同轴的要求是为了密封腔中的填料在圆周方向受力均匀，便于压紧填料保证密封。
由于锅炉是卧置的，浮动管板和管束会在重力作用下塌落，重量通过出气管作用在填料上，不易保证密封，因此必须把浮动管板支撑起来。在浮动管板底部呈30°夹角安装两块支撑块，支撑块既起到支撑浮动管板和管束的作用，又能使浮动管板在支撑块上滑动。设置了支撑块，浮动管板和管束就不会塌落，就可以通过加工浮动管板和出气管外圆以及填料腔的内圆来满足平行度和同轴度的要求。
通过以下加工程序来达到浮动管板和出气管外圆以及填料腔的内圆的平行度和同轴度要求：①浮动管板和内封头组焊后加工浮动管板和出气管外圆，保证两圆的轴线同轴度允差为0.5mm，强调组焊后加工是由于构件组焊后往往会变形，达不到同轴度要求。②凸缘（填料座）、外封头及出气管进行预组装，用填料（或用与填料尺寸相同的环）来决定凸缘位置，以保证凸缘与填料接触的内圆与出气管外圆两轴线的同轴度在允差范围内。通过这两个步骤，能满足填料密封与膨胀滑动的要求。
填料函中的两段填料所承受的温度和压力是不一样的。第一段填料密封2.5MPa，228℃的饱和水蒸汽，第二段填料密封1.6MPa，463℃的转化气。经过计算，结合使用经验，第一段填料用4圈12mm×12mm碳素纤维编织填料，第二段填料用3圈12mm×12mm碳素纤维编织填料，该种填料高温性能好，烧蚀小。
4 结语
利用上述方法设计的这台废热锅炉于1995年投入运行，至今运行情况良好，说明锅炉结构合理，选材恰当，密封有效，达到了预期目的。
