高温含灰立式废热锅炉的结构设计*

安连想 张合生 徐 祥 齐 波

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.中国科学院工程热物理研究所)

整体煤气化联合循环发电(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)可以实现燃煤的高效、清洁和多样化利用，是21世纪主要的洁净煤发电方式之一[1]。IGCC发电技术具有较高的供电效率，目前循环效率可达42%～45%，其中煤气化后显热回收部分对供电效率的影响在4%～5%。废热锅炉是显热回收利用中的关键设备。

主流煤气化技术有气流床气化、流化床气化和固定床气化。针对我国储量丰富的低阶煤和高灰熔点、高灰分的煤，中国科学院工程热物理研究所正在研发粉煤加压密相输运床气化技术，该技术具有煤种适应性好、气化方式灵活、可靠性和可用率高及易于大型化等特点，是国际上正在研发、示范的新一代煤气化技术。输运床技术中(图1)，煤中灰分则以飞灰形式随高温高压煤气进入废热锅炉，废热锅炉中工艺气体具有高温、高压、较高含灰量、强还原性及腐蚀性等特点。因此，对废热锅炉的设计、制造提出了很高的要求。笔者针对输运床气化中试装置的废热锅炉工艺条件，将废热锅炉分成3段，整体采用立式结构，进行工艺计算和强度优化设计。

1 工艺流程

输运床气化技术中(图1)，通过煤进料系统将粉煤加入气化炉，粉煤与空气或氧气与蒸汽进行气化反应生成工艺气，其主要成分有H2、CH4、CO、CO2及N2等，灰分以飞灰形式随高温高压煤气进入废热锅炉，工艺气温度经废热锅炉需从950～1 050℃降至350℃左右，同时产生中压蒸汽。工艺气中的灰分经颗粒控制系统移除，相对纯净的工艺气经脱硫工段，进入下游工序。

图1 输运床气化技术流程框图

此工艺的废热锅炉需产生过热蒸汽，以提高显热利用效率。将废热锅炉分成3段，其中第一段为蒸发段，工艺气温度从1 050℃降至750℃；第二段为过热段，工艺气温度从750℃降至420℃；第三段为蒸发段，工艺气温度从420℃降至350℃。其中第一、第二段之间可采用喷水激冷降温的方式，以调节工艺气温度并减少碱金属在换热管中凝结。废热锅炉工艺流程如图2所示。

图2 废热锅炉工艺流程框图

2 设备型式和结构

针对输运床气化中试装置的废热锅炉工艺条件，煤中灰分直接以飞灰形式随高温高压煤气进入废热锅炉，为考虑灰分的流动性和废热锅炉的长周期安全运行，废热锅炉采用立式结构型式(图3)。

图3 立式废热锅炉结构简图(旋转90°)

根据工艺需要将废热锅炉分成3段：第一段为蒸发段，管板采用挠性薄管板结构；第二段为过热段，管板采用浮头式与膨胀节联合的结构；第三段为蒸发段，管板采用挠性薄管板结构。其中挠性薄管板结构解决了管板热应力及管子和壳体膨胀差引起的应力问题。

对于高温、高压、高含尘量的工艺气，采用火管结构方式的废热锅炉，关键是通过关键部件的结构优化和控制流速来防止管程结垢，以便管程流动顺畅。

自然循环系统中立式废热锅炉不倾斜，水汽混合物由废热锅炉顶部引出，对上管板结构提出了特殊的要求，以防止饱和蒸汽滞留于上管板区域带来问题。

3 管板和换热管连接处温度场分布情况

换热管高温入口处的温度难以准确计算，此区域的换热是集导热、对流和辐射于一体的换热过程。在入口处加载温度后，高温工艺气与保温材料和保护管之间进行导热传热；气体不断向管内流动，与保护管进行对流换热，保护管与钢管之间有一定的空隙，因此两者之间又进行辐射换热。管板和换热管连接处温度场如图4所示。

图4 管板和换热管连接处温度场

通过分析温度场可以得出：管板和换热管两者受压元件的最高温度值分别为346.58℃和328.47℃，为选材和应力强度分析提供了依据。

4 结构应力强度分析

4.1有限元分析模型

由于设备第二段采用膨胀节结构，笔者对其结构强度不再分析。第一段与第三段结构型式一致，但第一段相比第三段工况条件更为苛刻，因此对第一段进行强度应力分析。此设备具有结构对称性，采用全模型的八分之一结构，分别对上、下管板结构进行温度和应力耦合场分析。此设备中管板为最关键部件，分析管板应力时不考虑上升管和下降管对其局部的影响，废热锅炉具体的设计条件为：

管板材料 15CrMoⅣ

换热管材料 15CrMo

管程/壳程材料 15CrMoR /Q345R

管程/壳程设计压力 3.3/ 4.5MPa

管程/壳程设计温度 350/270℃

4.2单元选择

辅助建模的壳单元类型采用shell57，进行热分析的体单元类型为solid70，进行结构分析的体单元类型为solid45。上、下管板结构模型网格划分结果分别如图5、6所示。

图5 上管板结构模型网格划分示意图

图6 下管板结构模型网格划分示意图

4.3边界条件

力学边界条件模型简化为在管箱端部施加轴向平衡面载荷F(MPa)。位移边界条件是在直角坐标系下，沿换热管的工艺气进口方向为z轴正向，在xoz平面内的y方向位移Δy=0，在yoz平面内的x方向位移Δx=0，在设备中间处的z方向位移Δz=0，这样也消除了结构的刚体漂移。具体的边界加载情况如图7、8所示。

图7 上管板结构模型边界加载示意图

图8 下管板结构模型边界加载示意图

4.4载荷分析

根据相关标准的要求，对不带法兰的管板的3种危险工况(即：只有壳程设计压力ps，而管程设计压力pt=0，同时计入膨胀变形差；只有管程设计压力pt，而壳程设计压力ps=0，同时计入膨胀变形差；既有管程设计压力pt，也有壳程设计压力ps，同时计入膨胀变形差。)进行耦合场分析。

4.5上管板应力强度分析

第一种载荷工况(ps=4.5MPa，pt=0，同时计入膨胀变形差)时的应力云图如图9所示，此时，应力强度最大点为节点9 482，应力值为Smax=387.8MPa。

图9 第一种载荷工况应力云图

第二种载荷工况(ps=0，pt=3.3MPa，同时计入膨胀变形差)时的应力云图如图10所示，此时，应力强度最大点为节点9 482，应力值为Smax=266.6MPa。

图10 第二种载荷工况应力云图

第三种载荷工况(ps=4.5MPa，pt=3.3MPa，同时计入膨胀变形差)时的应力云图如图11所示，此时，应力强度最大点为节点9 482，应力值为Smax=291.9MPa。

图11 第三种载荷工况应力云图

4.6下管板应力强度分析

下管板应力强度分析过程与上管板应力强度分析的思路是一致的，具体过程不再赘述，同样也分为3种工况，其应力最大值分别为：第一种载荷工况(ps=4.5MPa，pt=0，同时计入膨胀变形差)应力最大值为Smax=391.7MPa；第二种载荷工况(ps=0，pt=3.3MPa，同时计入膨胀变形差)应力最大值为Smax=235.3MPa；第三种载荷工况(ps=4.5MPa，pt=3.3MPa，同时计入膨胀变形差)应力最大值为Smax=269.7MPa。

4.7强度评定

按照JB 4732-1995对应力进行线性化处理[2]，由于计入膨胀变形差，所引起的应力无论是薄膜应力还是弯曲应力，都属于二次应力范畴，只对最大应力强度进行评定，依据为SⅣ<3Sm。具体的应力评定结果见表1。

表1 应力评定结果

由以上应力评定结果可得出：此设备上、下管板结构在各自3种载荷工况下均满足强度要求，此设备结构是安全合理的。

5 现场运行情况

第一段和第三段的总产汽量，即第二段的过热蒸汽量，达到设计值(6t/h)要求；工艺气出口温度达到设计值要求，工艺气在第一段出口后，根据过热汽量的变化由喷水激冷控制工艺气进入第二段的温度，第三段出口温度为350℃。以上数据虽然只是装置试开车的情况，但也为进一步长周期运行提供了安全保障。

6 结束语

废热锅炉的有限元分析是一项复杂的工作，从力学模型的简化、边界条件的确定都需要深入研究，笔者介绍的只是其中的一种处理方法，优点是所做的简化很少，缺点是模型计算量大。从分析结果和现场运行情况来看，高温含灰立式的废热锅炉结构是安全合理的，并已获得了中国专利。它的成功研发和安全运行，有效地解决了高温含灰气体的余热回收问题，为类似设备的工业化和进一步推广应用提供了参考。

[1] 徐祥.IGCC和联产发展研究[D].北京：中国科学院工程热物理研究所，2007.

[2] JB 4732-1995(2005年确认) ，钢制压力容器——分析设计标准[S].北京：新华出版社，2005.