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前言
    隨著世界經(jīng)濟的逐漸復(fù)蘇，循環(huán)經(jīng)濟、低碳經(jīng)濟時代的到來，節(jié)能減排，提高效益，改善環(huán)境已越來越成為人們的共識。我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，帶動了汽車輪胎添加劑的碳黑生產(chǎn)的快速發(fā)展。人們在綜合利用產(chǎn)量巨大、并通常作為廢氣對空排放掉的碳黑生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品一碳黑尾氣做了很多工作，而把碳黑尾氣用作鍋爐的燃料，變廢為寶，既節(jié)約大量能源，又解決尾氣排放造成的環(huán)境污染問題，日益成為人們的一種選擇。但是，碳黑尾氣所具有的可燃成份較少、濕含量高、發(fā)熱值很低、著火溫度較高、理論燃燒溫度較低、燃燒時火焰短、火焰中心溫度低、化學(xué)反應(yīng)速度慢、不易回火、但易脫火，尾氣成份也相對復(fù)雜，除含有苯、奈等易結(jié)晶物質(zhì)外，還含腐蝕性較強的S02氣體及產(chǎn)出量不穩(wěn)定等特點，這些，都是在開發(fā)、設(shè)計西北某化工公司一臺35t/h碳黑尾氣鍋爐時必須考慮和解決的問題。
1、鍋爐主要技術(shù)規(guī)范
1.1鍋爐主要參數(shù)
1.2鍋爐設(shè)計燃料特性
  鍋爐設(shè)計燃料為碳黑尾氣，其元素分析和工業(yè)分析值如下：
2、鍋爐設(shè)計方案的選擇和確定
2.1鍋爐設(shè)計方案的選擇
    根據(jù)業(yè)主對鍋爐參數(shù)的要求及本公司鍋爐設(shè)計程序的規(guī)定，在詳細(xì)分析了碳黑尾氣特性的基礎(chǔ)上，參考、吸取本公司豐富的低熱值燃?xì)忮仩t的設(shè)計經(jīng)驗，我們分別提出了兩種鍋爐總體布置設(shè)計方案進行客觀、科學(xué)的比較。
    圖1所示的總體布置設(shè)計方案一，主要由于擔(dān)心燃燒低熱值的碳黑尾氣時，爐膛蒸發(fā)受熱面不足，采用了雙鍋筒的結(jié)構(gòu)型式，用對流管束來增加蒸發(fā)受熱面，以保證鍋爐出力。
    這樣，就帶來幾個問題：①鍋筒在爐膛后、尾部受熱面前，無論采用集中下降管還是分散下降管，勢必增加鍋筒的長度，也就是增加了鍋筒的重量；②上、下鍋筒和密集對流管束的布置，一方面增加了鍋爐本體的重量，增加了鍋爐鋼架的負(fù)荷，無形中增加了設(shè)備的投資費用；另一方面管束間的節(jié)距教小，管子數(shù)量多，如采用焊接，不僅要考慮焊接變形，還要考慮無損探傷問題且焊接工作量大、技術(shù)難度高；如采用脹接，管端需現(xiàn)場退火，并經(jīng)多次脹接才能水壓合格，使用壽命也短；③鍋爐投入運行后，如發(fā)現(xiàn)問題，對流管束的檢修位置小，檢修困難，一般只能采用堵管的方法來處理，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
    圖2所示的總體布置設(shè)計方案二．主要為單鍋筒、集中下降管的結(jié)構(gòu)型式，是考慮到業(yè)主要求提供的鍋爐為中溫中壓參數(shù)，相比低參數(shù)鍋爐，過熱和預(yù)熱所占比例增加，分別達到18.44%、23,13%．汽化熱（即蒸發(fā)比例）所占比例則下降到58.43%．而在爐膛中設(shè)置的膜式水冷壁可吸收很多熱，它所吸收的熱基本上已能滿足汽化熱的要求，因此，除了在爐膛出口設(shè)置有幾排凝渣管外，和低參數(shù)鍋爐相比，不需要更多的對流受熱面。而且，為充分利用中溫中壓參數(shù)鍋爐水的汽化潛熱大的特點，方案還采用了沸騰式省煤器；上級省煤器中，水的流速≥1 m/s，沸騰度（即已汽化部分的百分?jǐn)?shù)）≤20%，不僅能充分消除可能由于給水受熱后水中氣體的溶解度下降，引起水中未除氧或未除盡氧氣析出，附在管內(nèi)壁腐蝕管壁或蒸汽停留在管壁上發(fā)生汽水分層惡化傳熱引起管壁過熱現(xiàn)象，還可增加蒸發(fā)受熱面的吸熱量，有效地保證了鍋爐出力。
    經(jīng)過反復(fù)論證、比較、綜合評估上述兩種鍋爐總體布置設(shè)計方案，我們選擇了總體布置設(shè)計方案二，認(rèn)為該設(shè)計方案既能保證鍋爐參數(shù)、性能，結(jié)構(gòu)又相對簡單、金屬重量輕、施工、維修方便，具有較高的性價比。
3、鍋爐結(jié)構(gòu)布置特點
3.1整體布置介紹
鍋爐為單鍋筒、自然循環(huán)水管鍋爐，鍋筒中心標(biāo)高18 200 mm。鍋爐整體按前吊后支，“兀”型布置；爐膛為4370 mm×4370 mm正方形全膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，分上、下兩部分，下部為絕熱式燃燒、穩(wěn)燃的燃燒器區(qū)域，膜式水冷壁外設(shè)有剛性梁，把整個水冷壁組成剛性吊筐式結(jié)構(gòu)；鍋爐構(gòu)架采用焊接鋼結(jié)構(gòu)，平臺為柵格結(jié)構(gòu)；鍋筒、水冷系統(tǒng)、過熱器全部懸吊于鍋爐頂板上；水循環(huán)回路采用集中下降管與分配管供水；由∮42×3.5 mm、材料為12CrlMoVC/CB5310鋼管組成的第二級（高溫）過熱器與由∮38×3.5 mm、材料為20/CB3087鋼管組
成的第一級（低溫）過熱器設(shè)置在凝渣管后的水平煙道中；尾部豎井從上到下按順序采用積木式結(jié)構(gòu)，布置有由∮32×4 mm、材料為20/CB3087鋼管組成的上級（高溫）省煤器、由∮40×1.5 mm、材料為Q235-A鋼管組成的上級（高溫）空氣預(yù)熱器、由∮32x4 mm、材料為20/CB3087鋼管組成的下級（低溫）省煤器和由∮40×1.5 mm、材料分別為Q235-A、09CrCuSb鋼管組成的下級（低溫）空氣預(yù)熱器，而下級（低溫）空氣預(yù)熱器下部支承在尾部鋼架上，以便檢修。
3.2燃燒系統(tǒng)
    從業(yè)主提供的碳黑尾氣成份可以看出，其可燃成份只有20.46%．濕含量高、低位發(fā)熱值僅有2 568.64t/Nm3，實際的著火溫度約在680C左右，理論燃燒溫度小于1100℃，且燃燒時火焰短，火焰中心溫度低，化學(xué)反應(yīng)速度慢，不易回火，易脫火，因而，著火和穩(wěn)燃是解決碳黑尾氣燃燒的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
    本鍋爐的燃燒系統(tǒng)較好的解決了碳黑尾氣的著火和穩(wěn)燃問題。燃燒系統(tǒng)由四角布置的旋流式碳黑尾氣燃燒器和設(shè)置在燃燒器區(qū)域爐膛中心的空心、錐形圓柱蓄熱穩(wěn)燃裝置組成，見圖3。
    (1)進入旋流式碳黑尾氣燃燒器中的熱空氣溫度為350℃，較高的熱風(fēng)溫度，有利于碳黑尾氣的著火和穩(wěn)燃。
    (2)旋流式碳黑尾氣燃燒器由具有豐富碳黑尾氣燃燒器設(shè)計、制造經(jīng)驗的江蘇某專業(yè)燃燒器制造公司設(shè)計與制造，在爐膛燃燒器區(qū)域呈正四角布置，形成切圓燃燒。其火焰假想切圓為大切圓，直徑為蓄熱穩(wěn)燃裝置的外圓。燃燒器正四角切園布置不僅可形成良好的空氣動力場和均勻的溫度場，且大切圓燃燒時，四角火焰的頭部還可噴至另一火焰的根部，起相互支持的作用，火焰的高溫部位更接近于水冷壁，傳熱更強烈。這樣的設(shè)置有效地保證了燃燒碳黑尾氣所需的溫度場及燃燒T況，可使碳黑尾氣更早的著火，火焰更穩(wěn)定，燃燒更完全，還增加了水泠壁的吸熱量。同時，每臺碳黑尾氣燃燒器的中間均布置有焦?fàn)t煤氣點火管及自動高能電子點火裝置和火焰檢測裝置，作為點火用，點火后即退出。
    (3)在燃燒器區(qū)域爐膛中心，設(shè)置有空心、錐形圓柱蓄熱穩(wěn)燃裝置。它由高強、高熱震穩(wěn)定性耐火異型磚砌筑而成、具有足夠的體積、極高的穩(wěn)定性。在點火初期，它吸收混合煤氣產(chǎn)生的熱量，溫度升高；在燃燒器區(qū)域形成一高溫溫度場，該溫度場強烈地加熱了碳黑尾氣混合氣，使之燃燒速度加快，燃盡時間縮短；火焰與空心、錐形圓柱蓄熱穩(wěn)燃裝置的相切，使該蓄熱穩(wěn)燃裝置的熱量能進一步加熱未燃盡的混合氣，使之燃燒得更徹底、干凈。當(dāng)碳黑尾氣供應(yīng)波動時，該蓄熱穩(wěn)燃裝置的放熱效應(yīng)使燃燒器區(qū)域的高溫溫度場仍然維持在很高的水平，保證了碳黑尾氣燃燒的穩(wěn)定性。
    本鍋爐的燃燒系統(tǒng)在鍋爐運行時，可通過等比例調(diào)節(jié)碳黑尾氣燃燒器出力的方法來適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的要求，且燃燒穩(wěn)定；即最低穩(wěn)燃負(fù)荷可達到50%的額定負(fù)荷，最高穩(wěn)燃負(fù)荷可達到額定負(fù)荷的110%以上。
33鍋爐的熱平衡與熱力計算概況
    按照《鍋爐機組熱力計算一標(biāo)準(zhǔn)方法》  （前蘇73版）．我們將鍋爐的熱平衡和鍋爐的熱力計算匯總列表如下：表l為鍋爐熱平衡計算匯總表，表2為鍋爐熱力計算匯總表。
    通過對以上計算結(jié)果的分析，說明鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊、布置合理；各對流受熱面均采用了較高的煙氣流速和傳熱系數(shù)，有效提高了鍋爐受熱面的傳熱量；在燃用低熱值的碳黑尾氣時，具有較高的燃燒效率和熱效率，完全能滿足業(yè)主的要求。
4、本鍋爐的主要特點
    (1)鍋爐燃燒系統(tǒng)充分地吸取了本公司多年來在燃燒低熱值的高爐煤氣時的成功經(jīng)驗，采用了本公司200520096906號《燃?xì)忮仩t蓄熱穩(wěn)燃裝置》專利技術(shù)，結(jié)構(gòu)成熟、布置合理、運行可靠。
    (2)在爐膛出口處設(shè)置了折焰角，不僅強化了爐內(nèi)傳熱，有效地改善了爐內(nèi)高溫?zé)煔獾某錆M度和均勻性，而且折焰角處水冷壁轉(zhuǎn)角采用的三通結(jié)構(gòu)及汽水混合物進入鼻區(qū)集箱采用的帶縮口直管深入鼻區(qū)集箱的結(jié)構(gòu)，達到了合理的流量分配。
    (3)爐膛采用的懸吊式拿膜式壁、敷管爐墻結(jié)構(gòu)，不僅大大減輕了爐墻的重量，降低了爐墻外表面的溫度，并使?fàn)t膛具有良好的傳熱特性和密封效果；同時，水平煙道轉(zhuǎn)向室采用的混凝土護板爐墻結(jié)構(gòu)，兩級省煤器爐墻兩側(cè)采用的耐火磚護板爐墻結(jié)構(gòu)，前后采用的耐火混凝土護板爐墻結(jié)構(gòu)，均嚴(yán)密地對各對流受熱面進行了密封，降低了各對流受熱面的漏風(fēng)系數(shù)，有效地提高了鍋爐熱效率。
    (4)鍋筒內(nèi)部汽水分離裝置中，一次分離裝置采用了∮290mm的旋風(fēng)分離器，二次分離裝置則布置在鍋筒頂部，為呈“V”型的鋼絲網(wǎng)分離器和勻汽孔板，一、二次分離裝置的合理組合，確保鍋爐汽水品質(zhì)符合CB/T12145《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)要求。
    (5)在第一、二級過熱器間設(shè)置的給水噴水減溫裝置，具有不易泄漏、調(diào)溫能力大，反應(yīng)靈敏，自動化程度高的顯著特點
    (6)下級（低溫）空氣預(yù)熱器下部受熱而采用了耐硫酸低溫腐蝕的09CrCuSb鋼，該鋼種主要的參考指標(biāo)(70℃50%H2S04溶液中浸泡24 h)，與碳鋼、不銹鋼耐腐蝕性能相比，耐硫酸低溫腐蝕性能得到大大的提高。
    (7)為克服一般機械式吹灰器難以清除附著在鍋爐受熱面上的碳黑等的缺點，鍋爐在對流受熱面間設(shè)置了能精確控制高壓蒸汽突爆，產(chǎn)生的脈沖激波具有波長長、振幅大、衰減慢、繞射與反射能力強、沒有死角等特點的汽爆式一蒸汽激波吹灰器，吹灰效果顯著提高。
5、結(jié)束語
    本文介紹的35t/h碳黑尾氣鍋爐，能高效、穩(wěn)定地燃燒低熱值的碳黑尾氣，變廢為寶，既節(jié)約能源，又改善r環(huán)境，且結(jié)構(gòu)成熟，安裝、運行、調(diào)節(jié)方便，性能安全可靠，具有良好的社會綜合經(jīng)濟效益。