1、鍋爐簡介
蘇州精細化工集團有限公司300 kt/a硫磺制酸裝置廢熱鍋爐是南化集團設(shè)計院配套設(shè)計的新型強制循環(huán)廢熱鍋爐，自1999年開車以來已連續(xù)安全運行3年，從未發(fā)生事故，保證了硫酸裝置的長周期安全運行。
1.1鍋爐結(jié)構(gòu)
廢熱鍋爐為橫向沖刷襯磚水管鍋爐，生產(chǎn)4.2 MPa的中壓飽和蒸汽48000kg/h，共有4組蒸發(fā)受熱面，均懸吊于鍋爐水平煙道內(nèi)。鍋爐采用強制循環(huán)，汽包布置在鍋爐側(cè)面的混凝土平臺上，汽包中心標高為10.4 m。熱水循環(huán)泵布置在汽包下方±0.0m平面。熱水循環(huán)泵的流量為450m3/h( 355t/h)，揚程為0.398 MPa，電機功率110kW。
1.2鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)
經(jīng)省煤器加熱后的水直接送入鍋爐汽包，與爐水混合后由底部的+426 mm×14 mm下降總管引出到熱水循環(huán)泵，加壓后由1根+273 mm×10mm的熱水總管順序流經(jīng)4組蒸發(fā)受熱面的進口集箱。每組受熱面產(chǎn)生的汽水混合物由各自獨立的上升管送入汽包，經(jīng)汽水分離后飽和蒸汽由汽包頂部引出，水繼續(xù)循環(huán)，富通新能源生產(chǎn)銷售
生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒
秸稈顆粒機、
木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
2、水動力計算原始數(shù)據(jù)
蒸發(fā)管束、上升管和下降管原始數(shù)據(jù)分別見表1、2和3。
3、汽水阻力計算及水動力特性曲線的繪制
強制循環(huán)鍋爐由于循環(huán)水量基本不變，所以循環(huán)倍率近似與負荷成反比，如果在額定負荷下循環(huán)可靠的話，則在低負荷下也是可靠的，所以只需要進行額定負荷下的水動力計算。計算步驟如下：
a．假設(shè)三個總循環(huán)流量，求出下降管所對應(yīng)的阻力。
b．對應(yīng)于每個總流量假設(shè)每組蒸發(fā)管束和旁通管的流量，分別計算蒸發(fā)管束和上升管的阻力，見表5和表6。
c．按串聯(lián)回路流量相同阻力相加，并聯(lián)回路阻力相同流量相加的原則得出鍋爐總的流量一阻力曲線，見圖2中曲線1。
d．繪出熱水循環(huán)泵的流量一壓力曲線，見圖2中曲線2。曲線1與曲線2的交點即鍋爐的工作點。在該點處，流量為352 743 kg/h，壓力為0. 396 MPa。
e．根據(jù)此結(jié)果反算出4組管束流量，并計算出相應(yīng)的特性數(shù)據(jù)，見表7。
4、水循環(huán)安全性分析
有了蒸發(fā)管束工作特性數(shù)據(jù)，就可以對每組管束的安全性進行分析，鍋爐水循環(huán)的安全性一般從以下幾個方面加以分析：
a．爐內(nèi)傳熱惡化的分析。正常運行時鍋爐受熱面沸騰傳熱的放熱系數(shù)很大，傳熱良好，管壁溫度接近于飽和水溫度；但是一旦傳熱惡化，管壁對管內(nèi)介質(zhì)的放熱系數(shù)急劇減小，管壁溫度急劇上升，嚴重時會發(fā)生爆管事故，因此對鍋爐而言防止傳熱惡化是非常重要的。傳熱惡化有兩種類型。第一類發(fā)生在受熱面熱負荷極高的區(qū)域或含汽率較低的區(qū)域。極高的熱負荷使管內(nèi)瞬間產(chǎn)生大量的蒸汽，在管內(nèi)壁形成連續(xù)的蒸汽膜，使管壁得不到冷卻，溫度急劇上升直到爆管。對于10.0MPa以下的鍋爐，臨界熱負荷為3 MW/m2，而硫酸廢熱鍋爐對流蒸發(fā)受熱面熱負荷一般小于0.1M W／m2，遠小于第一類傳熱惡化的臨界熱負荷，所以其對流受熱面不會發(fā)生第一類傳熱惡化。第二類傳熱惡化發(fā)生在熱負荷較低但含汽率較高的區(qū)域。由于含汽率較高，水膜很薄，管子中心汽流很容易將水膜撕破，或因蒸發(fā)使水膜部分或全部消失，此時管壁因與蒸汽接觸而得不到水的冷卻，溫度升高。盡管出現(xiàn)這類傳熱惡化時壁溫的上升速度比第一類傳熱惡化時慢，但嚴重時也會發(fā)生爆管。判斷沸騰受熱面是否會發(fā)生第二類傳熱惡化的關(guān)鍵是看其含汽率是否超過了臨界含汽率。根據(jù)有關(guān)文獻計算出本鍋爐4組蒸發(fā)管束的臨界含汽率均大于0.7，而本鍋爐實際含汽率均小于0.7(見表7)，故也不會發(fā)生第二類傳熱惡化。
b． 管間脈動的分析。在強制循環(huán)鍋爐中，如果吸熱量或水流量的變化使蒸發(fā)受熱面管子的出口汽水混合物流量與進口水流量不一致且呈周期性波動，而且進口流量與出口流量的波動相位差180°，就有可能會發(fā)生管間脈動。管間脈動的產(chǎn)生以及其振幅和周期與很多因素有關(guān)，其中最主要的是加熱水段與汽水段的阻力之比、工質(zhì)的質(zhì)量流速和壓力、入口欠焓。但在蒸發(fā)管結(jié)構(gòu)和運行工況一定的條件下，存在著一個臨界流速，如實際流速大于此值，則不會發(fā)生脈動。根據(jù)文獻計算，本鍋爐每組管束的臨界流速為0.35m/s，由于本鍋爐4組管束的實際流速均大于此值，故不會發(fā)生管間脈動。
c．水力特性單值性的分析。鍋爐蒸發(fā)管束由于同時受加熱水段、蒸發(fā)區(qū)段和重位壓差的影響，有可能出現(xiàn)水力特性的多值性，即一個壓差下有幾個流量值與之相對應(yīng)。這樣在同一蒸發(fā)區(qū)內(nèi)并聯(lián)工作的蒸發(fā)管就會產(chǎn)生流量偏差，嚴重時會發(fā)生爆管。垂直上升、下降管產(chǎn)生多值性的原因有兩方面。一方面是由于蒸發(fā)管入口水具有一定的欠焓，使管子內(nèi)同時存在加熱水段和蒸發(fā)區(qū)段。隨著流量或熱負荷的變化，加熱水段和蒸發(fā)區(qū)段有不同的流量一摩擦阻力變化規(guī)律（由單向流體和雙向流體阻力計算公式可知），其兩者相加的結(jié)果是摩擦阻力與流量的關(guān)系曲線呈三次曲線。當水入口欠焓小于42pkj/kg(p為工作壓力，MPa)時，即使管子入口不設(shè)節(jié)流圈，此三次方程也沒有極值點，即一個流量對應(yīng)于一個壓降。此欠焓可以稱為臨界欠焓。對于工作壓力為4.0MPa的中壓鍋爐，可計算出臨界欠焓為168 kj/kg，而本鍋爐入口欠焓約為20 kj/kg，遠小于臨界欠焓，所以摩擦阻力是單值的。另一方面，對于進出口集箱都在上面的蒸發(fā)管束，由于下降管內(nèi)的介質(zhì)平均密度比上升管大，所以也存在重位壓差，而重位壓差值隨開始蒸發(fā)點高度的變化即流量的變化有可能呈現(xiàn)多值性。但是當管子上下行程數(shù)增加時，重位阻力在總阻力中所占的份額越來越小，而摩擦阻力所占的份額越來越大，此時越接近水平管束。根據(jù)文獻介紹，入口集箱在上面的管束，上下行程數(shù)大于10時，只要摩擦阻力是單值的，則總阻力也是單值的。本鍋爐所有管束上下行程數(shù)均大于10，故考慮了重位壓差后水力特性仍然是單值的。
鍋爐水循環(huán)的安全性還包括不產(chǎn)生循環(huán)停滯或倒流及循環(huán)泵入口不汽化等，但這些安全性都較易做到，這里不作專門分析。
總之，通過以上分析可以看出，本廢熱鍋爐與水循環(huán)安全有關(guān)的主要指標均有較大的富裕度，故是安全可靠的。
5、與國外設(shè)計鍋爐的對比
表8列出了本鍋爐與國內(nèi)外設(shè)計的幾臺規(guī)模相當?shù)膹娭蒲h(huán)水管鍋爐的特性數(shù)據(jù)比較。從表中數(shù)據(jù)可見，我院設(shè)計的強制循環(huán)水管鍋爐的噸汽耗電量僅為德國設(shè)計的41.4%~52. 4%，為日本設(shè)計的60.4%。這充分說明我院在強制循環(huán)水管鍋爐水動力優(yōu)化設(shè)計方面已超過國外水平。
6、對強制循環(huán)廢熱鍋爐水動力優(yōu)化設(shè)計的建議
在確保鍋爐水循環(huán)安全可靠的前提下最大限度地降低熱水循環(huán)泵的動力消耗是強制循環(huán)廢熱
鍋爐水動力優(yōu)化設(shè)計的最終目的。筆者通過多年的研究，將如何進行鍋爐水動力的優(yōu)化設(shè)計總結(jié)如下。
6.1 合理確定每組蒸發(fā)管束的長度
為了降低鍋爐的整體循環(huán)阻力，應(yīng)該使各組管束的流動阻力（除節(jié)流圈外）基本相近。為此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時蒸發(fā)管束由前向后管子長度應(yīng)逐漸加長（見表1蒸發(fā)管束原始數(shù)據(jù)）。這是因為在相同的流速下前面的管束換熱強度大，含汽率高，單位長度的流動阻力大；另一方面產(chǎn)生管間脈動的臨界流速與換熱強度和管子長度的乘積成正比，管束前短后長有利于使每組管束的臨界流速相近�？傊�，蒸發(fā)管束由前向后逐漸加長，有利于平衡各蒸發(fā)管束的阻力，從而有利于降低鍋爐總的循環(huán)阻力，降低循環(huán)泵的動力消耗。但是前面管束也不能太短，否則上下行程數(shù)將太少，這樣一方面重位壓差的絕對值（是負值）就有可能接近甚至大于流動阻力，兩者之和接近零或為負值，就會發(fā)生停滯和倒流。另一方面要保證水力特性的單值性就要有較高的管子入口水流速度，或者管子入口所設(shè)節(jié)流圈有較高的節(jié)流度。
6.2合理確定管內(nèi)水流速度
對強制循環(huán)廢熱鍋爐而言，蒸發(fā)管內(nèi)水流速度是一個非常重要的參數(shù)。流速太低，管壁金屬得不到很好的冷卻，同時也容易發(fā)生管間脈動、管內(nèi)停滯或倒流和汽水分層，出現(xiàn)水力特性的多值性；流速太高，鍋爐的整體阻力大，運行不經(jīng)濟。筆者通過對多臺硫酸裝置強制循環(huán)廢熱鍋爐的水動力分析認為：只要保證管內(nèi)水流速度不低于0.7m/s。即使管子入口不設(shè)節(jié)流圈，一般也不會發(fā)生管間脈動、管內(nèi)停滯或倒流和汽水分層，不會出現(xiàn)水力特性的多值性。另外水循環(huán)設(shè)計時應(yīng)使蒸發(fā)管內(nèi)水流速度前大后�。ㄒ姳�7）。這是因為前面的管束換熱強度大，如果水流速度小，其含汽率就高，不利于防止第二類傳熱惡化的發(fā)生。管內(nèi)水流速度前大后小也有利于平衡各組管束的阻力。
6.3選擇合理的循環(huán)倍率
鍋爐的循環(huán)倍率決定了鍋爐的經(jīng)濟性、運行的安全可靠性。循環(huán)倍率越高，鍋爐的運行越安全可靠；但熱水循環(huán)泵的耗電量也越高，鍋爐汽包、管子直徑相應(yīng)也越大，鍋爐的制造和運行越不經(jīng)濟。反之循環(huán)倍率太低，有可能會發(fā)生第二類傳熱惡化，使鍋爐運行不安全。從表8可以看出我院設(shè)計的鍋爐的循環(huán)倍率比國外設(shè)計的小得多，這也是我院設(shè)計的鍋爐噸汽耗電量小的最主要原因。那么循環(huán)倍率到底取多大才能保證鍋爐的安全運行呢？筆者認為鍋爐總的循環(huán)倍率應(yīng)不小于6~8。
7、結(jié)束語
鍋爐水動力的優(yōu)化設(shè)計是一個系統(tǒng)問題，不能單純追求某一個指標的優(yōu)化，鍋爐設(shè)計工作者只有將水動力和鍋爐整個系統(tǒng)一起進行優(yōu)化才能設(shè)計出一臺好的鍋爐。
相關(guān)生物質(zhì)鍋爐顆粒機產(chǎn)品：
1、
生物質(zhì)蒸鍋
2、
秸稈壓塊機
3、
木屑顆粒機
