摘要：余热锅炉是重要的换热设备，主要利用工业系统中排放烟气中的余热加热锅炉系统中的水，使其产生高温高压的水蒸气，或者输送到其他设备中进行利用，这大大提高了能源的利用率。由于余热锅炉的工作状态一般比较复杂，所以其设计布置也是一道难题。本文根据余热锅炉特点进行分析，对余热锅炉的设计进行研究，以提高余热锅炉的使用效率。余热锅炉在能源节约中具有不可估量的重大作用，能够回收工业产生的余热，提供给其他设备使用。
关键词：设计；余热锅炉；必须考虑；若干问题
引言
当前，能源问题已经受到了全世界的广泛关注，但低品位能源的回收和利用却没有得到重视。内燃机工作过程以及许多工业过程中都会产生大量的烟气余热，如钢铁、水泥、玻璃和石油化工等行业的生产过程。对烟气余热进行回收利用，不仅可以减小热污染，还可提高能源利用率，并有助于减少二氧化碳、氧化氮、氧化硫等排放，此举具有良好的经济效益和环境效益。水蒸气朗肯循环SRC（Steam Rankine Cycle）作为一种回收利用低品位能源的有效方法，已在现有的烟气回收设备中得到了大量的利用，并且已经成熟利用到实际系统中，如水泥窑余热发电系统和燃气—蒸汽联合循环系统等。当烟气热源的初温相对较低时，水作为循环工质存在不足之处。如水是典型的湿流体，吸热过程需较大过热度以提高膨胀终态干度，从而限制了蒸发温度的提升，影响循环热效率；吸热过程中潜热与显热之比过大，对于烟气余热的有限容量热源情形，液相段吸热量在总吸热量中占比过小，影响循环自热源的吸热量等。采用临界温度相对较低的有机工质作为循环工质，可一定程度上弥补上述不足，提高循环性能。
1余热锅炉的结构及特点
该余热锅炉为烟道式余热锅炉，双锅筒纵向布置，主要由锅炉本体、烟道调控装置、水处理装置、给水泵、阀门仪表、平台扶梯、炉墙保温及控制部分组成，如图1所示。锅炉本体制造及检验按TSGG0001-2012《锅炉安全技术监察规程》、GB/T16507.5-2013《水管锅炉第5部分：制造》、GB/T16507.6-2013《水管锅炉第6部分：检验、试验与验收》的规定进行。高温烟气直接冲刷对流受热面，后经烟囱排入大气。锅炉本体部分由Φ900mm×14的上、下锅筒与Φ51mm×3对流管束、下降管Φ133mm×6（54根）组成；锅炉炉墙为重型炉墙，里面由耐火砖砌筑，外部由红砖砌筑，起着支承锅炉和保温密封作用，以减少散热损失，确保运行工作人员所处的工作环境安全。选用可靠的控制装置及优质的阀门仪表可以确保锅炉运行安全可靠。
图1 烟道式余热锅炉
2余热锅炉的设计原则
2.1按照烟气特点完成余热锅炉选定
按照炉烟气的特性，并参考关于世界余热锅炉最新研究成果，锅炉主要类型选定应当遵循以下几个规律进行完整研究。
（1）完善配置应当按照各类条件可以划分为两个类型：一类是水平直接烟道构造，废气整体运动为水平方向；另一类是为多回程垂直冲击烟道构造。对于前者而言，一般烟气运动为直线型，可降低烟气运动及灰尘遍布差异性带来的不良后果，从而有效避免移动灰尘直接在一些死角与转角积压，甚至对一些位置产生过度摩擦损伤；对于后者而言，则是通过增加管屏间节间隙，导致灰尘无法聚集成堆，而且烟气运动方向是从下向上，则能够有效分散部分大颗粒灰尘，减少其浓度，而且占据区域不大，较为便捷。当然，在烟灰浓度过高的情况下，第一种类型则为首选。
（2）余热锅炉可以构建为内部中空，且设定辐射室，同步加大辐射受热范围，以便温度下降至结渣指定温度以下，表现为熔融状态，从而逐步成为固态颗粒落下，避免再次运动至对流受热位置出现结渣、堵集等问题。
（3）锅筒不直接受热，而将锅筒移至锅炉上部，从而便于受热面的有效管控。
（4）炉膛水冷壁内部应当选择膜式构造，因为其管径足够宽，内部核心距离小，能最大程度保证辐射传导效果，从而完整保护整体结构的封闭，便于炉渣清理。
2.2按照热源特征规定运作方法
因为进入余热锅炉的热源负荷存在不定性，这也是由于烟气含量及温度呈现出定期的波动导致。特别是一些进行间隙工作的锅炉，即如烟化炉等等，这些锅炉的烟气含量一直出现最小值至最大值的反复改变，就算是针对长期运作的锅炉，依然存在相应的间歇流程，诸如投料、清渣等等，这也容易产生温度及烟气含量变化的问题。此外，要避免余热锅炉低温条件下产生水循环障碍问题，最有效的处理方法是用强制循环，特别是针对受热不集中的状况下，强制循环往往可以达到一定效果，而且其还能保证出现不稳定问题时，锅炉组件的伸缩变化，进而避免锅炉部分位置温度过高。而且热源负荷不定性会导致蒸汽温度改变，所以需要采取几个余热锅炉并行运作方法，从而有效分散余热源运作周期。
3余热锅炉基本参数设计
3.1烟气及工质参数新型干法
水泥窑系统生产过程会产生2股废气余热，分别来自窑头冷却机和窑尾预热器，温度在300～400℃之间。窑头余热可全部回收，窑尾烟气余热经余热锅炉放热至一定温度后，再用于烘干物料。水泥窑窑尾烟气工况如下锅炉进口烟气温度t5为363℃、锅炉出口烟气温度t7为223℃、烟气流量qv为180068m3/h。根据此烟气工况，设计窑尾烟气余热锅炉，产生水或者有机工质饱和蒸汽。相关研究表明，在热源温度范围内，正烷烃、芳香烃及醇类工质循环性能良好。选取研究工质为甲醇、乙醇、甲苯、辛烷、庚烷、水。
工质侧设计参数如下：进口温度t1为30℃、预热段结束温度t2为217℃、蒸发温度t3为225℃、蒸发段出口温度t4为225℃、接近点温差Δtap为8℃。烟气的主要成分是氮气、氧气、二氧化碳和水，所占的体积分数分别为65．29%、5．52%、25．18%和4．01%。
3.2换热管参数
烟气与工质换热过程中，热阻主要在烟气侧，因此采用环形翅片管以减小烟气侧对流传热热阻。翅片的存在增加了烟气侧换热面积，使得换热器更加紧凑。同时，其改变烟气流动状态，增大扰动，减小边界层厚度，进而强化传热。环形翅片管的相关参数如下：换热管外径D0为38mm、换热管内径Di为31mm、翅片高度H为15mm、翅片厚度t为1mm、翅片间距Y为5mm。
总而言之，随着我国国民经济的发展、科学技术的进步和管理水平的提高，锅炉行业从设计制造到使用运行水平都发生了较大的变化。在设计余热锅炉时，人们应根据烟气的特性，了解锅炉的生产过程，减少余热锅炉工作时可能产生的安全隐患，从而节约能源，降低烟气温度，保护环境。
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论文作者:高伟莹
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/8/13
标签：余热论文; 锅炉论文; 烟气论文; 工质论文; 温度论文; 热源论文; 能源论文; 《基层建设》2018年第19期论文;