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35t/h中温中压碳黑尾气锅炉的开发与设计
发布时间：2013-07-19 08:27 来源：未知
前言
随着世界经济的逐渐复苏，循环经济、低碳经济时代的到来，节能减排，提高效益，改善环境已越来越成为人们的共识。我国汽车工业的飞速发展，带动了汽车轮胎添加剂的碳黑生产的快速发展。人们在综合利用产量巨大、并通常作为废气对空排放掉的碳黑生产过程中的副产品一碳黑尾气做了很多工作，而把碳黑尾气用作锅炉的燃料，变废为宝，既节约大量能源，又解决尾气排放造成的环境污染问题，日益成为人们的一种选择。但是，碳黑尾气所具有的可燃成份较少、湿含量高、发热值很低、着火温度较高、理论燃烧温度较低、燃烧时火焰短、火焰中心温度低、化学反应速度慢、不易回火、但易脱火，尾气成份也相对复杂，除含有苯、奈等易结晶物质外，还含腐蚀性较强的S02气体及产出量不稳定等特点，这些，都是在开发、设计西北某化工公司一台35t/h碳黑尾气锅炉时必须考虑和解决的问题。
1、锅炉主要技术规范
1.1锅炉主要参数
1.2锅炉设计燃料特性
锅炉设计燃料为碳黑尾气，其元素分析和工业分析值如下：
2、锅炉设计方案的选择和确定
2.1锅炉设计方案的选择
根据业主对锅炉参数的要求及本公司锅炉设计程序的规定，在详细分析了碳黑尾气特性的基础上，参考、吸取本公司丰富的低热值燃气锅炉的设计经验，我们分别提出了两种锅炉总体布置设计方案进行客观、科学的比较。
图1所示的总体布置设计方案一，主要由于担心燃烧低热值的碳黑尾气时，炉膛蒸发受热面不足，采用了双锅筒的结构型式，用对流管束来增加蒸发受热面，以保证锅炉出力。
这样，就带来几个问题：①锅筒在炉膛后、尾部受热面前，无论采用集中下降管还是分散下降管，势必增加锅筒的长度，也就是增加了锅筒的重量；②上、下锅筒和密集对流管束的布置，一方面增加了锅炉本体的重量，增加了锅炉钢架的负荷，无形中增加了设备的投资费用；另一方面管束间的节距教小，管子数量多，如采用焊接，不仅要考虑焊接变形，还要考虑无损探伤问题且焊接工作量大、技术难度高；如采用胀接，管端需现场退火，并经多次胀接才能水压合格，使用寿命也短；③锅炉投入运行后，如发现问题，对流管束的检修位置小，检修困难，一般只能采用堵管的方法来处理，富通新能源销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的木屑生物质颗粒燃料。
图2所示的总体布置设计方案二．主要为单锅筒、集中下降管的结构型式，是考虑到业主要求提供的锅炉为中温中压参数，相比低参数锅炉，过热和预热所占比例增加，分别达到18.44%、23,13%．汽化热（即蒸发比例）所占比例则下降到58.43%．而在炉膛中设置的膜式水冷壁可吸收很多热，它所吸收的热基本上已能满足汽化热的要求，因此，除了在炉膛出口设置有几排凝渣管外，和低参数锅炉相比，不需要更多的对流受热面。而且，为充分利用中温中压参数锅炉水的汽化潜热大的特点，方案还采用了沸腾式省煤器；上级省煤器中，水的流速≥1 m/s，沸腾度（即已汽化部分的百分数）≤20%，不仅能充分消除可能由于给水受热后水中气体的溶解度下降，引起水中未除氧或未除尽氧气析出，附在管内壁腐蚀管壁或蒸汽停留在管壁上发生汽水分层恶化传热引起管壁过热现象，还可增加蒸发受热面的吸热量，有效地保证了锅炉出力。
经过反复论证、比较、综合评估上述两种锅炉总体布置设计方案，我们选择了总体布置设计方案二，认为该设计方案既能保证锅炉参数、性能，结构又相对简单、金属重量轻、施工、维修方便，具有较高的性价比。
3、锅炉结构布置特点
3.1整体布置介绍
锅炉为单锅筒、自然循环水管锅炉，锅筒中心标高18 200 mm。锅炉整体按前吊后支，“兀”型布置；炉膛为4370 mm×4370 mm正方形全膜式水冷壁结构，分上、下两部分，下部为绝热式燃烧、稳燃的燃烧器区域，膜式水冷壁外设有刚性梁，把整个水冷壁组成刚性吊筐式结构；锅炉构架采用焊接钢结构，平台为栅格结构；锅筒、水冷系统、过热器全部悬吊于锅炉顶板上；水循环回路采用集中下降管与分配管供水；由∮42×3.5 mm、材料为12CrlMoVC/CB5310钢管组成的第二级（高温）过热器与由∮38×3.5 mm、材料为20/CB3087钢管组
成的第一级（低温）过热器设置在凝渣管后的水平烟道中；尾部竖井从上到下按顺序采用积木式结构，布置有由∮32×4 mm、材料为20/CB3087钢管组成的上级（高温）省煤器、由∮40×1.5 mm、材料为Q235-A钢管组成的上级（高温）空气预热器、由∮32x4 mm、材料为20/CB3087钢管组成的下级（低温）省煤器和由∮40×1.5 mm、材料分别为Q235-A、09CrCuSb钢管组成的下级（低温）空气预热器，而下级（低温）空气预热器下部支承在尾部钢架上，以便检修。
3.2燃烧系统
从业主提供的碳黑尾气成份可以看出，其可燃成份只有20.46%．湿含量高、低位发热值仅有2 568.64t/Nm3，实际的着火温度约在680C左右，理论燃烧温度小于1100℃，且燃烧时火焰短，火焰中心温度低，化学反应速度慢，不易回火，易脱火，因而，着火和稳燃是解决碳黑尾气燃烧的关键环节。
本锅炉的燃烧系统较好的解决了碳黑尾气的着火和稳燃问题。燃烧系统由四角布置的旋流式碳黑尾气燃烧器和设置在燃烧器区域炉膛中心的空心、锥形圆柱蓄热稳燃装置组成，见图3。
(1)进入旋流式碳黑尾气燃烧器中的热空气温度为350℃，较高的热风温度，有利于碳黑尾气的着火和稳燃。
(2)旋流式碳黑尾气燃烧器由具有丰富碳黑尾气燃烧器设计、制造经验的江苏某专业燃烧器制造公司设计与制造，在炉膛燃烧器区域呈正四角布置，形成切圆燃烧。其火焰假想切圆为大切圆，直径为蓄热稳燃装置的外圆。燃烧器正四角切园布置不仅可形成良好的空气动力场和均匀的温度场，且大切圆燃烧时，四角火焰的头部还可喷至另一火焰的根部，起相互支持的作用，火焰的高温部位更接近于水冷壁，传热更强烈。这样的设置有效地保证了燃烧碳黑尾气所需的温度场及燃烧T况，可使碳黑尾气更早的着火，火焰更稳定，燃烧更完全，还增加了水泠壁的吸热量。同时，每台碳黑尾气燃烧器的中间均布置有焦炉煤气点火管及自动高能电子点火装置和火焰检测装置，作为点火用，点火后即退出。
(3)在燃烧器区域炉膛中心，设置有空心、锥形圆柱蓄热稳燃装置。它由高强、高热震稳定性耐火异型砖砌筑而成、具有足够的体积、极高的稳定性。在点火初期，它吸收混合煤气产生的热量，温度升高；在燃烧器区域形成一高温温度场，该温度场强烈地加热了碳黑尾气混合气，使之燃烧速度加快，燃尽时间缩短；火焰与空心、锥形圆柱蓄热稳燃装置的相切，使该蓄热稳燃装置的热量能进一步加热未燃尽的混合气，使之燃烧得更彻底、干净。当碳黑尾气供应波动时，该蓄热稳燃装置的放热效应使燃烧器区域的高温温度场仍然维持在很高的水平，保证了碳黑尾气燃烧的稳定性。
本锅炉的燃烧系统在锅炉运行时，可通过等比例调节碳黑尾气燃烧器出力的方法来适应锅炉负荷的要求，且燃烧稳定；即最低稳燃负荷可达到50%的额定负荷，最高稳燃负荷可达到额定负荷的110%以上。
33锅炉的热平衡与热力计算概况
按照《锅炉机组热力计算一标准方法》 （前苏73版）．我们将锅炉的热平衡和锅炉的热力计算汇总列表如下：表l为锅炉热平衡计算汇总表，表2为锅炉热力计算汇总表。
通过对以上计算结果的分析，说明锅炉结构紧凑、布置合理；各对流受热面均采用了较高的烟气流速和传热系数，有效提高了锅炉受热面的传热量；在燃用低热值的碳黑尾气时，具有较高的燃烧效率和热效率，完全能满足业主的要求。
4、本锅炉的主要特点
(1)锅炉燃烧系统充分地吸取了本公司多年来在燃烧低热值的高炉煤气时的成功经验，采用了本公司200520096906号《燃气锅炉蓄热稳燃装置》专利技术，结构成熟、布置合理、运行可靠。
(2)在炉膛出口处设置了折焰角，不仅强化了炉内传热，有效地改善了炉内高温烟气的充满度和均匀性，而且折焰角处水冷壁转角采用的三通结构及汽水混合物进入鼻区集箱采用的带缩口直管深入鼻区集箱的结构，达到了合理的流量分配。
(3)炉膛采用的悬吊式拿膜式壁、敷管炉墙结构，不仅大大减轻了炉墙的重量，降低了炉墙外表面的温度，并使炉膛具有良好的传热特性和密封效果；同时，水平烟道转向室采用的混凝土护板炉墙结构，两级省煤器炉墙两侧采用的耐火砖护板炉墙结构，前后采用的耐火混凝土护板炉墙结构，均严密地对各对流受热面进行了密封，降低了各对流受热面的漏风系数，有效地提高了锅炉热效率。
(4)锅筒内部汽水分离装置中，一次分离装置采用了∮290mm的旋风分离器，二次分离装置则布置在锅筒顶部，为呈“V”型的钢丝网分离器和匀汽孔板，一、二次分离装置的合理组合，确保锅炉汽水品质符合CB/T12145《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》标准要求。
(5)在第一、二级过热器间设置的给水喷水减温装置，具有不易泄漏、调温能力大，反应灵敏，自动化程度高的显著特点
(6)下级（低温）空气预热器下部受热而采用了耐硫酸低温腐蚀的09CrCuSb钢，该钢种主要的参考指标(70℃50%H2S04溶液中浸泡24 h)，与碳钢、不锈钢耐腐蚀性能相比，耐硫酸低温腐蚀性能得到大大的提高。
(7)为克服一般机械式吹灰器难以清除附着在锅炉受热面上的碳黑等的缺点，锅炉在对流受热面间设置了能精确控制高压蒸汽突爆，产生的脉冲激波具有波长长、振幅大、衰减慢、绕射与反射能力强、没有死角等特点的汽爆式一蒸汽激波吹灰器，吹灰效果显著提高。
5、结束语
本文介绍的35t/h碳黑尾气锅炉，能高效、稳定地燃烧低热值的碳黑尾气，变废为宝，既节约能源，又改善r环境，且结构成熟，安装、运行、调节方便，性能安全可靠，具有良好的社会综合经济效益。
