上海炫风实业集团：专注节能环保设备研发，推动余能余压利用技术发展

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专注于烟气余热利用及余能余压利用的技术交流，提供相互学习、沟通的平台。

宣峰节能是一家专注于节能环保设备研发、制造和销售的公司，致力于为社会提供高效、环保的节能设备。

公司成立于2013年，主营压力容器、超导热管、余热锅炉、余热回收设备、工业窑炉节能设备、空压机节能设备的研发、制造；锅炉安装、销售；工业节能改造工程、水暖、电安装工程、环保工程施工；节能环保技术领域的技术开发、技术服务；合同能源管理等。

宣丰能源拥有一批专业的管理和技术人才，不断进行技术创新，提高服务质量，开发多领域的产品，为客户创造更大的经济效益，为社会节约大量能源，保护环境。

摘要：余热锅炉，顾名思义，是指利用各种工业过程中废气、废料或废液中的余热以及可燃物质燃烧产生的热量，将水加热到一定工作温度的锅炉。回收的燃油锅炉、燃气锅炉、燃煤锅炉也叫余热锅炉。余热锅炉通过余热回收，可以生产热水或蒸汽，供给其他工段使用。

1、余热锅炉概述

余热锅炉是利用工业生产中产生的余热产生蒸汽的锅炉，是一种高温、高压的热交换器，早期余热锅炉仅用于产生部分低压蒸汽，回收的热量有限，仅作为一般的生产辅助设备。随着生产技术的发展，余热锅炉的参数逐步提高，余热锅炉由产生低压蒸汽的工艺锅炉转变为产生高压蒸汽的动力锅炉。余热研究的新成果不断涌现，在余热锅炉设计、制造、使用、安全管理等领域不断涌现新的研究成果[1]。

1.1余热锅炉的特点

余热锅炉与普通动力锅炉一样，都是产生动力蒸汽的高温高压设备，所不同的是热源不同，它不是采用煤油、天然气、煤等燃料，而是利用化工生产工艺气体中的余热，既是能量回收装置，又是化工介质工艺设备。余热锅炉的共同特点是：运行条件比较恶劣（如高温、高压、热流密度高、锅炉受压元件热应力大等），而且要求连续、稳定、安全运行，对高温工艺气体的温度、降温速度有非常严格的控制要求。余热锅炉的操作比常规锅炉复杂。余热锅炉利用的余热，不仅是高温气体的显热，而且还利用某些废气中所含的少量可燃物质（如一氧化碳、氢气、甲烷等）的化学热能。例如催化裂化装置再生器排出的再生气温度可达550℃～750℃[2]，催化裂化装置再生器排出的高温烟气中含有大量粉末状催化剂，烟气中含灰量高，不仅加剧对流加热面的磨损，而且由于加热面积灰严重，需要经常清灰和定期停炉清理，给生产带来一定的困难；有的高温烟气中含有较多的二氧化硫和三氧化硫，使烟气露点升高，引起加热面严重的低温腐蚀，增加维护工作量。

1.2余热锅炉的分类

余热锅炉中热量传递的过程就是热量的传递，因此余热锅炉的基本结构也是具有一定传热面的换热设备，但由于化工生产中各种工艺条件和要求差别很大，因此化工行业余热锅炉结构形式也多种多样。

1.2.1根据炉管是水平放置还是垂直放置，余热锅炉可分为卧式（多为火管式，即管内流经高温工艺气体，管外流经饱和水或蒸汽）和立式（多为水平放置，锅炉水循环速度快，传热速率高，蒸汽空间大，所以该类型锅炉的蒸发能力大）。

1.2.2按锅炉运行压力的大小，余热锅炉可分为低压（蒸汽压力在1.3MPa以下）、中压（蒸汽压力在1.4～3.9MPa范围内）、高压（蒸汽压力在4.0～10.0MPa范围内）和中压（蒸汽压力在1.4～3.9MPa范围内）三大类。

1.2.3按结构及工艺应用分类

（1）根据炉管结构形式的不同，余热锅炉可分为：管中管式、U型管式、刺刀管式、螺旋管式和双管式。

（2）按生产工艺或使用场合不同，余热锅炉可分为：重油气化余热锅炉、乙烯生产裂解气急冷余热锅炉、合成氨前级式、中级式或后级式余热锅炉等。

2、余热锅炉设计

2.1设计计算内容

工艺尺寸设计计算，零部件结构设计计算。为满足刚度和强度要求，设计壳体壁厚时需采用弹性破坏准则，考虑到容器的宏观强度和密度，必须采用压力试验，不允许因局部应力而导致破坏，因此必须采用开孔补强设计。

2.2 具体设计计算步骤

2.2.1机械强度计算 ①材料选择； ②壁厚计算

2.2.2开孔补强：人孔、汽包开孔、小头开孔

2.2.3 压力试验（水压试验、气压试验）及应力验证

2.2.4 热交换面积验证

2.2.5 鞍座设计与验证

2.3余热锅炉设计开发

余热锅炉是焦化厂煤气净化生产线中硫磺回收单元的主要设​​备，为满足系统工艺要求，传统余热锅炉的结构设计采用前后两套余热锅炉，实现硫磺的充分回收，为了节能减排、合理配置资源，出现了不少新型设计，如合肥通用机械研究院对其系统工艺特点进行了深入研究[3]，在余热锅炉设备设计上，采用了在锅筒上增加蒸发器的创新结构，实现硫磺回收单元余热锅炉的一体化设计。这种新型余热锅炉的设计，不仅满足了系统工艺要求，实现了节能减排、充分回收硫磺资源，而且减少了设备的一次性投资，减少了设备占地面积。

2.3.1硫磺回收装置传统余热锅炉结构

硫磺回收装置传统余热锅炉整体结构如图1所示，汽包与余热锅炉本体之间通过4根上升管和2根下降管连接，利用蒸汽与水的密度差和汽包高位实现自然循环，保证系统安全运行。图1中，硫收集器设置在余热锅炉本体出口管箱内，冷却后的工艺气流经硫收集器收集液态硫磺，冷却后排放收集。传统余热锅炉由于结构原因，需要在反应器前后布置两套余热锅炉，才能充分回收硫磺。

2.3.2硫磺回收装置新型余热锅炉结构

新型余热锅炉结构上最突出的创新之处是减少了低温工艺气冷却器Ⅱ(低温余热锅炉)，根据余热锅炉设计工艺参数，取消低温余热锅炉后，需增加高温余热锅炉本体或汽包等能对工艺气再次冷却的换热器，以使经硫反应器反应后的含硫工艺气得到冷却并产生蒸汽，回收硫磺资源。通常余热锅炉主要由余热锅炉本体、汽包、上升管和下降管组成。余热锅炉本质为蒸发式换热设备，热源为高温工艺气，加热介质为近饱和锅炉水，汽包应有足够的蒸汽和水量。其主要作用是使本体内的换热管在热负荷作用下，能不断获得适量的水，并从锅筒高位系统及蒸汽与水的密度差中获得一定的循环功率，满足水循环可靠性的各种要求；锅筒内部设置汽水分离装置，使汽水混合蒸汽在锅筒内充分分离，获得含水量及杂质较少的蒸汽；锅炉给水在进入余热锅炉本体前，在锅筒内被加热到饱和状态，提高了循环功率；饱和炉水经下降管流入余热锅炉本体，进行加热蒸发，本体内的汽水混合气经上升管流入汽包，如此反复循环，实现余热锅炉系统的安全运行；根据汽包的独特作用，一般在汽包内不能设置蒸发换热管，避免影响水循环和余热锅炉本体的安全可靠性。对余热锅炉设计参数的多种方案进行了比较，通过传热计算、流阻计算和水循环计算，提出了两种一体化设计方案。即在锅筒下半部储水部分直接增加一组蒸发器的方案和在余热锅炉本体中直接增加一组蒸发器的方案。在锅炉本体中直接增加一组蒸发器存在两大缺陷，一方面使得设备结构变得极其复杂；另一方面由于两组蒸发器之间介质温差导致余热锅炉本体管板上下部温差应力过大，设计难度大，甚至难以保证余热锅炉运行过程中的安全可靠性，但根据设计参数，详细计算结果完全可行，可以保证系统水循环正常运行。最终设计的新型余热锅炉系统整体结构如图2所示。

2.3.3硫磺回收装置传统余热锅炉与新型余热锅炉对比

新型余热锅炉创新一体化设计，在满足系统工艺要求的同时，满足了节能减排、资源回收、减少设备一次性投资、减少设备占地面积的要求，可减少用地约80%，节省设备一次性投资60%~70%，同时减少生产过程中设备的维护费用，缩短维修周期，使系统设备布置更加简单紧凑，管路布置更加简洁。

新型余热锅炉最突出的创新点是汽包上布置的蒸发器的新结构，以及对设备防腐措施的明确要求。这些改进得到了用户安装现场众多专家的认可。多年来运行效果良好，硫资源回收达到预期，工艺气排放完全符合排放标准。

3.余热锅炉制造

3.1 管箱盖制造

包括管箱法兰管接头头制造

3.2 管束制造

包括管箱、管箱法兰、大管板、内管、换热管、小管板、挡板绝缘板、绝缘垫圈、拉杆螺母、定距管的制造。

3.3 中压套管制造

3.4 装配过程

最终组装过程如图4所示。

（1）将管束放置到水平位置，然后用起重机将管箱盖吊起并慢慢移向管束管箱，放好垫片后用螺栓紧固管束与管箱盖，并保持水平位置。

（2）管束与中压壳体的组装采用水平方式进行，用两台20吨吊车将中压壳体平行吊起（中压壳体上已安装好水套），然后平行移动，套入管束，并按一定方向将管箱大管板螺栓孔与中压壳体法兰连接起来。连接前应将垫片就位，装好螺栓，拧紧螺母，组装完毕。

（3）高压管束侧充入氮气，准备运输。

3.4 余热锅炉制造中异种钢焊接工艺的若干问题

由于余热锅炉介质温度较高，且处于中压状态，需采用高强度的珠光体耐热钢制造。而且裂解气中往往含有硫化物等介质，在高温下易引起珠光体钢的腐蚀。因此，在高温段采用耐热耐腐蚀的奥氏体不锈钢。这就导致了奥氏体不锈钢与珠光体低合金钢或碳钢的焊接，这种焊接通常称为异种钢焊接。国内外对异种钢焊接问题已有一些研究成果可供参考。问题的关键是珠光体母材侧与奥氏体焊缝金属侧产生组织异常，力学性能恶化。因此，重点对这一侧进行研究。经我厂金相实验室对马氏体组织焊接接头熔合区进行弯曲试验，发现即使弯曲角度达到180°也没有产生裂纹。认为使用温度低于350°可使马氏体组织呈[5]国外有人[6]对异种钢焊缝的熔合线进行了研究，把在低碳马氏体基体上析出铬碳化物的组织称为“类马氏体”组织。镍的存在对冲击值是有害的；也有人认为预热和母材较低的碳含量(约0.2%)可促进马氏体组织的形成；焊缝的塑性随焊丝中镍含量的增加而提高[7]。

4.余热锅炉使用管理

4.1影响余热锅炉使用寿命和安全运行的几个因素

4.1.1水处理对余热锅炉寿命的影响

（1）余热锅炉外水处理

水是影响余热锅炉使用寿命和安全正常运行的重要因素之一，加入锅炉的水质往往直接决定余热锅炉能否正常运行，因此在余热锅炉加水前必须进行软化、除盐、热力除氧等一系列改进措施，提高水质

（2）余热锅炉水处理

要充分延长余热锅炉的使用寿命，最大限度提高其热效率，保证锅炉安全、正常生产，单靠锅炉外水处理是远远不够的，同时还应重视锅炉外水处理的质量。控制好锅炉内水的各项质量指标，注意加强锅炉内水处理工作。例如：新安装的锅炉在投产前要进行煮沸，煮沸后要对锅炉进行酸洗，投产后要定期对锅炉进行排污。同时还要保持锅炉污物的不断排放，定期向锅炉内添加化学药剂。

4.1.2水质输送对余热锅炉寿命的影响

水是余热锅炉正常生产的生命线，如果锅炉缺水而造成干烧，必然会扰乱正常生产，造成严重后果，因此在重视锅炉内​​水处理的同时，还要加强给水及多级离心水泵的运行，确保设备连续稳定运行，从而为余热锅炉的高效生产提供水源保障。另外，在多级离心水泵特性一定的情况下，更要重视水泵出口再循环管路、给水泵出口管上安装的止回阀、泵出口管上止回阀上的旁通阀等管路、阀门的工作特性及工况。

多级离心泵出口循环管的影响

为了向锅炉输送给水，并使给水调节阀具有良好的调节特性，锅炉给水泵出口压力不仅要克服汽包的工作压力，还要克服给水管道的流动阻力和给水泵出口与汽包之间的高度差所形成的静压差，给水调节阀前后应保持一定的压差，通常给水泵出口压力比汽包工作压力高30%~40%。

止回阀对多级离心泵出水管的影响

为保证备用泵随时可以启动，启动后能立即正常供水，备用泵的进、出口阀门必须处于全开位置，否则将造成备用给水泵反转，出口总管压力降低，不能正常向锅炉供水，因此应在每台给水泵出口安装止回阀。

影响余热锅炉使用寿命和正常安全生产的因素还有很多，只有把影响其生产的各项指标调节到一定范围内，才能充分发挥其积极作用，延长其使用寿命。其安装、运行和维护涉及流体力学、传热学、冶金学、锅炉原理、物理学、化学、自动控制与测量等多门学科，能有效提高锅炉操作人员的理论和实践水平，对节约燃料、保护环境和安全生产有着十分重要的意义。

4.2余热锅炉使用过程中存在的问题及措施

4.2.1 问题

（1）锅炉软水水质差，锅炉软水水质差，导致换热管结垢，影响产汽量，软水中含盐量高，在换热管外壁形成水垢，对传热过程造成很大影响，给锅炉的传热带来很大的阻碍。

（2）管子、中心管焊接质量引起的故障。这类故障大多集中在一些角焊缝及焊后无法用X射线检查的焊缝处，多为夹渣、气孔、未熔合、未熔化等缺陷，其强度不能适应设备在生产运行过程中的热胀冷缩，从而产生裂纹、泄漏等。

（3）设计和安装中的问题，不能忽视设备运行过程中热胀冷缩的变化。

（4）使用过程中出现的问题：未严格按照工艺指标操作，出现过热、锅炉缺水、“干锅”等异常情况，造成故障。余热锅炉内部的耐热衬里未按要求烘干，更换后发现内部耐热衬里有多处裂纹。

4.2.2 采取的措施

首先要从锅炉生产质量入手，一定要选择具有生产三级容器资质的厂家，生产过程中不允许出现任何违反焊接要求的缺陷，要严格控制耐热衬里浇注料的配比，制作专用模具，浇注密实，充分养护，切忌急功近利。锅炉各部件必须按设计要求装配，在技术人员的指导和监督下完成。如各管的耐热衬套、衬里、保护小套等。装配必须严格、细致、规范、牢固。特别是煤气出口中心调节阀的装配必须规范，测量尺寸，调整阀头行程，保证阀门灵活可靠。管子、中心管裂纹的检查与修复管板焊缝裂纹的处理方法是先进行着色检查，确认裂纹，然后打磨开坡口，按焊接工艺要求进行补焊。为避免管道堵塞，应采用沿管道内部焊缝重新焊接的方法，尽可能保持换热面积。操作人员应熟练操作，避免设备正常运行时发生过热、锅炉缺水、“干锅”等事故，同时在加热和冷却过程中应严格控制加热和冷却速率，避免结垢。对于有加药设备的系统，要注意药剂的配比，加药后应严格按要求排放污水，避免形成新的垢层。对于没有加药设备的系统，定期清炉是必要的。

5.余热锅炉改造及思路

5.1改造方法（以管式余热锅炉为例）

（1）利用原管式余热锅炉外筒，改制蒸汽过热段内筒、软水加热段内筒并按原位置安装。

（2）增大主燃气管道直径，增大燃气流通截面积，减少阻力。

（3）将每台气化炉单独使用夹套汽包改为使用一个汽包的多个汽包，余热锅炉与夹套炉共用一个汽包，减少了热量损失，方便操作。

（4）由多炉共用烟囱改为每炉一根烟囱，并直接安装于旋风除尘器顶部，节省钢材和空间。

5.2 改造思路

根据气化工艺条件和实际生产情况，余热锅炉改造应遵循三个条件：

（1）在高负荷生产条件下不影响电阻变化，吹风和上吹煤气的灰分、湿度较高；

（2）保证使用寿命，维护周期长，避免火管焊缝开裂；

（3）投资少，蒸汽产量高。

综合各类改造优点，科研人员提出了更为理想的余热锅炉改造方案（结构见图5）。