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0、前言
    榆林6萬(wàn)t/a甲醇裝置是本公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)所繼成功開(kāi)發(fā)3萬(wàn)t/a甲醇裝置后又一較大規(guī)模的工程。6t/a甲醇裝置中所用工藝蒸汽的壓力、溫度都較3萬(wàn)t/a甲醇裝置高，因此廢熱鍋爐在結(jié)構(gòu)、尺寸上作了較大修改。本文敘述了廢熱鍋爐的設(shè)計(jì)思路，以及幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的解決措施，副產(chǎn)蒸汽，節(jié)約能量。
1、廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)型式的確定
    廢熱鍋爐主要是高溫介質(zhì)與冷卻介質(zhì)（一般是水）間接換熱，使冷卻介質(zhì)在設(shè)備內(nèi)沸騰汽化，以回收高溫介質(zhì)中的熱能。
    3萬(wàn)t/a甲醇裝置中廢熱鍋爐采用的是管殼式結(jié)構(gòu)，即高溫轉(zhuǎn)化氣流過(guò)換熱管內(nèi)，管外是鍋爐水，熱量通過(guò)換熱管壁傳導(dǎo)。該結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，與其他型式的廢熱鍋爐相比，其單位換熱面積的金屬耗量較少，適應(yīng)的介質(zhì)和操作條件較為廣泛等。該廢熱鍋爐直徑∮1200mm，換熱管長(zhǎng)7000mm，為了補(bǔ)償熱膨脹，采用外填料函密封型式，即在廢熱鍋爐出口端浮動(dòng)管板與殼體間用填料來(lái)密封殼程內(nèi)的水蒸汽。此結(jié)構(gòu)用于殼程壓力較低(≤2.0MPa)的情況。
    在開(kāi)車過(guò)程中發(fā)現(xiàn)填料函處容易泄漏。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這是由于密封面較大（直徑∮1200mm），壓填料時(shí)不容易使填料均勻受壓，因此容易泄漏；另一方面，由于管系傳來(lái)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。后來(lái)通過(guò)改選填料材質(zhì)等措施保證了密封。
    6萬(wàn)t/a甲醇裝置中的廢熱鍋爐同樣采用管殼式結(jié)構(gòu)。由于殼程壓力提高（達(dá)2.5MPa），并且設(shè)備直徑增大為∮1600mm，采用外填料函不能達(dá)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，但通過(guò)計(jì)算需要3個(gè)膨脹節(jié)才能補(bǔ)償熱膨脹，而且膨脹節(jié)壁厚比設(shè)備簡(jiǎn)體壁厚小很多，使得簡(jiǎn)體削薄部分達(dá)不到強(qiáng)度要求，因此不能采用固定管板式結(jié)構(gòu)。為了補(bǔ)償膨脹量還可以采用以下結(jié)構(gòu)：浮頭式、U型管式以及填料函式，這3種結(jié)構(gòu)都可使換熱管自由伸縮，無(wú)須補(bǔ)償殼程的膨脹。但由于浮頭式和U形管式結(jié)構(gòu)的廢熱鍋爐高溫氣體進(jìn)出需在同一端，在該工程中布置不允許，因而未采用。
該廢熱鍋爐采用浮頭與填料函聯(lián)合使用的結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)能減少外管系傳來(lái)的力和力矩對(duì)填料函的影響，而且由于密封面尺寸（直徑移498mm）減少，密封壓力可以升至2.8MPa，從而滿足設(shè)備操作要求。
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2、廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    該廢熱鍋爐采用的結(jié)構(gòu)是臥式列管式浮動(dòng)管板型式。下面分別敘述各部分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
    (1)進(jìn)氣端（高溫端）采用60°錐度的錐形封頭，目的是使進(jìn)氣氣流平滑，并能均勻地分布于各換熱管。封頭內(nèi)襯150mm厚的隔熱層，隔熱層上再加上OCr25Ni20材質(zhì)的保護(hù)板，以使耐火襯里免受氣流直接沖刷。封頭外加冷卻水夾套，防止殼體過(guò)熱損壞。
    (2)高溫端管板襯150mm厚的隔熱層，外加OCr25Ni20材質(zhì)的保護(hù)板。管板與管箱法蘭采用卵形空腔式密封焊結(jié)構(gòu)，既保證高溫下的密封效果，又能拆卸管箱，便于檢修。管板與換熱管采用焊接和貼脹結(jié)合的連接方式，以保證高溫下連接與密封的可靠性。高溫端換熱管內(nèi)壁襯有高鋁纖維，外包OCr25Ni20的保護(hù)楔管，以保護(hù)換熱管。
    (3)殼程殼體上有6根上升管，6根下降管，1根排污管。下降管（即進(jìn)水管）入口處，于鍋爐殼體內(nèi)壁焊有導(dǎo)流板，以免冷卻水直接沖刷換熱管，并使進(jìn)水分布均勻。
    (4)低溫端管板采用浮動(dòng)式，管板底部設(shè)有兩塊夾角30。的支撐塊。與該管板連接的是球形封頭，由于該封頭既要承受管程1.6MPa的高溫轉(zhuǎn)化氣，又要考慮可能承受殼程內(nèi)水及水蒸氣造成的外壓，采用球形封頭可減薄壁厚。球形封頭端部連接內(nèi)徑0492mm的出氣管。
    (5)鍋爐出氣端為帶法蘭的橢圓封頭，封頭端部設(shè)置填料座，與球封上的出氣管一起形成填料函，用填料密封鍋爐內(nèi)蒸汽。
    (6)換熱管為移38mm×3mm的20G管，呈正三角形排列，管間距62mm。
    (7)鍋爐由鞍座支承，高溫端為帶長(zhǎng)圓地腳螺栓孔的鞍座，低溫端為滾動(dòng)支座支承，以利鍋爐充分膨脹。
3、該鍋爐設(shè)計(jì)中遇到的幾個(gè)問(wèn)題
3.1  轉(zhuǎn)化氣進(jìn)口端的膨脹如何協(xié)調(diào)
    從轉(zhuǎn)化爐出來(lái)的溫度高達(dá)863℃的轉(zhuǎn)化氣直接進(jìn)入廢鍋。為了承受高溫和避免氣流沖刷，鍋爐進(jìn)口管箱采取了保護(hù)措施，但也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：純鋁鋁酸鈣混凝土土的耐火層、OCr25Ni20的保護(hù)板以及16Mng的管箱殼體，由于材質(zhì)不同，有不同的膨脹系數(shù)和膨脹量，若它們之間的膨脹協(xié)調(diào)考慮不當(dāng)，在開(kāi)車升溫后就可能造成襯里被壓潰、保護(hù)襯板鼓包等后果，失去保護(hù)能力，從而危及管板及鍋爐殼體，使其過(guò)熱而損壞，因此必須盡量消除膨脹差。在保護(hù)襯板的錐形部分加一波形膨脹節(jié)，受熱后膨脹節(jié)壓縮變形，從而補(bǔ)償襯板的熱膨脹。在耐火襯里兩部分的分型面上有1～2mm的膨脹疑，施工時(shí)耐火襯里錨固釘上纏0.8mm厚的膠帶或刷0.8mm厚的瀝青。耐火襯里與鍋爐殼體間墊2～4mm的牛皮紙。這些措施使得膨脹量不同的幾種材質(zhì)之間留下膨脹空間。
3.2管板計(jì)算
    鍋爐管板高溫端為固定式結(jié)構(gòu)，低溫端為浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)，由于管板的K值大于1，己超出現(xiàn)行換熱器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍，沒(méi)有相應(yīng)計(jì)算方式，因此參考美國(guó)TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算管板，浮頭端部分屬于TEMA中T型后端頭蓋型式。管板厚度計(jì)算按以下步騾進(jìn)行。
    (1)按彎曲強(qiáng)度計(jì)算管板厚度T
    丁一管板的有效厚度；F-系數(shù)，對(duì)于有支承的管板（固定管板和浮動(dòng)管板），在一側(cè)或兩側(cè)的元件與管板成為一整體時(shí)，F(xiàn)由RCB - 7.132中H曲線來(lái)確定，F(xiàn)=1.0;G-T型換熱器為壓力作用在管板上的直徑，G=1600mm;n-系數(shù)，對(duì)于換熱器三角形或轉(zhuǎn)角三角形排列。
    (2)浮動(dòng)管板同樣由彎曲強(qiáng)度公式計(jì)算。由于浮動(dòng)管板沒(méi)有隔熱層，設(shè)計(jì)溫度比固定管板高，因此許用拉伸應(yīng)力S低，計(jì)算厚度丁- 93.9mm。
    根據(jù)管板計(jì)算厚度，考慮管板雙面腐蝕以及結(jié)構(gòu)要求，確定管板名義厚度。
3.3  如何保證填料函的密封效果
    出氣管與鍋爐封頭上的填料座（凸緣）一道形成雙填料函結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，第一段填料密封鍋爐殼程2.5MPa的水蒸氣，第二段填料密封管程1.6MPa的轉(zhuǎn)化氣。受熱后出氣管將在填料函內(nèi)滑動(dòng)，這要求出氣管外圓面必須與填料腔內(nèi)圓面平行和同軸。平行的要求是為了兩密封面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)不會(huì)被卡住，同軸的要求是為了密封腔中的填料在圓周方向受力均勻，便于壓緊填料保證密封。
    由于鍋爐是臥置的，浮動(dòng)管板和管束會(huì)在重力作用下塌落，重量通過(guò)出氣管作用在填料上，不易保證密封，因此必須把浮動(dòng)管板支撐起來(lái)。在浮動(dòng)管板底部呈30°夾角安裝兩塊支撐塊，支撐塊既起到支撐浮動(dòng)管板和管束的作用，又能使浮動(dòng)管板在支撐塊上滑動(dòng)。設(shè)置了支撐塊，浮動(dòng)管板和管束就不會(huì)塌落，就可以通過(guò)加工浮動(dòng)管板和出氣管外圓以及填料腔的內(nèi)圓來(lái)滿足平行度和同軸度的要求。
    通過(guò)以下加工程序來(lái)達(dá)到浮動(dòng)管板和出氣管外圓以及填料腔的內(nèi)圓的平行度和同軸度要求：①浮動(dòng)管板和內(nèi)封頭組焊后加工浮動(dòng)管板和出氣管外圓，保證兩圓的軸線同軸度允差為0.5mm，強(qiáng)調(diào)組焊后加工是由于構(gòu)件組焊后往往會(huì)變形，達(dá)不到同軸度要求。②凸緣（填料座）、外封頭及出氣管進(jìn)行預(yù)組裝，用填料（或用與填料尺寸相同的環(huán)）來(lái)決定凸緣位置，以保證凸緣與填料接觸的內(nèi)圓與出氣管外圓兩軸線的同軸度在允差范圍內(nèi)。通過(guò)這兩個(gè)步驟，能滿足填料密封與膨脹滑動(dòng)的要求。
    填料函中的兩段填料所承受的溫度和壓力是不一樣的。第一段填料密封2.5MPa，228℃的飽和水蒸汽，第二段填料密封1.6MPa，463℃的轉(zhuǎn)化氣。經(jīng)過(guò)計(jì)算，結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)，第一段填料用4圈12mm×12mm碳素纖維編織填料，第二段填料用3圈12mm×12mm碳素纖維編織填料，該種填料高溫性能好，燒蝕小。
4  結(jié)語(yǔ)
    利用上述方法設(shè)計(jì)的這臺(tái)廢熱鍋爐于1995年投入運(yùn)行，至今運(yùn)行情況良好，說(shuō)明鍋爐結(jié)構(gòu)合理，選材恰當(dāng)，密封有效，達(dá)到了預(yù)期目的。