于洪喜

（中核核電運(yùn)行管理有限公司運(yùn)行五處 浙江嘉興 314000）

1 背景及目的

中國能源結(jié)構(gòu)中，煤電占主導(dǎo)地位，預(yù)計(jì)到21 世紀(jì)中期，煤電仍將占中國總發(fā)電量的50%左右［1］。隨著國家對環(huán)保的要求不斷提升和國內(nèi)外鍋爐技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)煤電技術(shù)的弊端越來越突顯，主要表現(xiàn)在排放污染高、零碳目標(biāo)難實(shí)現(xiàn)、機(jī)組效率難提升、尾氣脫碳成本高等。IGCC系統(tǒng)是新一代煤電技術(shù)，最大的優(yōu)點(diǎn)就是相對清潔，易于達(dá)到國家環(huán)保目標(biāo)的要求。該系統(tǒng)先將固態(tài)煤進(jìn)行氣化，并經(jīng)過凈化后進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)裝置進(jìn)行發(fā)電，其特點(diǎn)是環(huán)保效果好、發(fā)電的效率相對高、煤渣和循環(huán)水可再利用以便節(jié)約資源、尾氣中脫碳成本低等，解決了傳統(tǒng)煤電的很多弊端。IGCC系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)煤基多聯(lián)產(chǎn)，又能像天然氣一樣高效、清潔發(fā)電，是國際能源領(lǐng)域戰(zhàn)略必爭的核心技術(shù)，對中國能源資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義［2］。

由于受限于技術(shù)水平等因素的制約，我國在IGCC對流廢熱鍋爐型式，特別是產(chǎn)過熱蒸汽鍋爐型式選取方面，至今還沒有一個(gè)比較成熟的方案可以作為指導(dǎo)。因此，本文用現(xiàn)在已經(jīng)掌握的及能夠查閱到的知識來對產(chǎn)過熱蒸汽對流廢熱鍋爐的可行性進(jìn)行了分析。在確認(rèn)可行的前提下，對其結(jié)構(gòu)型式及材料進(jìn)行了設(shè)計(jì)選取，并給出了熱力計(jì)算方法用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)出的鍋爐的可應(yīng)用性，從而提供了一種可行的IGCC系統(tǒng)產(chǎn)過熱蒸汽廢熱鍋爐設(shè)計(jì)的參考方法［3］。

2 IGCC 工藝流程及廢熱鍋爐在IGCC 電站中的應(yīng)用

IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）的中文名是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)，包括煤氣化、凈化、燃?xì)狻羝穆?lián)合循環(huán)，具有熱效率高、環(huán)保等優(yōu)勢。IGCC 的工藝過程為：原料煤經(jīng)氣化轉(zhuǎn)化為煤氣，經(jīng)凈化除去NOX、硫化物、粉塵等，送入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒，產(chǎn)生的高溫燃?xì)怛?qū)動燃?xì)馔钙阶龉?，乏汽送入余熱爐與工藝水換熱，余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽機(jī)做功。主要設(shè)備包括氣化爐、煤氣凈化設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)［4］。IGCC多聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目由多個(gè)單元相互集成為一個(gè)整體，系統(tǒng)依賴度高，對裝置穩(wěn)定性、可靠性要求高［5］。

在IGCC 發(fā)電工藝中，一般需要配備廢熱鍋爐，基本作用是把氣化爐出來的高溫工藝氣溫度降到后續(xù)工段所要求的水平，從而簡化工藝流程。另外，可以將含塵量降低到相當(dāng)?shù)乃揭詽M足變換工藝的需要，同時(shí)，使大量余熱得以充分回收，有效提高電廠的熱利用率。本文在對IGCC整體上有了一定的了解的前提下，針對廢熱鍋爐易積灰、磨損的問題，給出了鍋爐主體的布置建議，布置過程中，始終遵循在保證傳熱的前提下盡量減少積灰、磨損的原則。

3 廢熱鍋爐的選型及布置

由于廢熱鍋爐壓力較高，且要達(dá)到產(chǎn)過熱蒸汽的目的，故一般選擇管殼式廢熱鍋爐作為選型參考。其中，螺旋上升管式和蛇形管式結(jié)構(gòu)相對簡單，易于布置，且兩種管子的熱膨脹性好，熱偏差相對較小，故作為優(yōu)先考慮的對象。采用螺旋上升管結(jié)構(gòu)時(shí)，欲達(dá)到產(chǎn)過熱蒸汽效果，在豎直方向上的空間要求會較大，從而為穩(wěn)妥起見，采用蛇形管式廢熱鍋爐，主要受熱面選用蛇形管，蛇形管外圍用膜式壁圍成腔體。

3.1 煙氣流通方式

該系統(tǒng)煙氣含灰分較高，如果使用火管廢熱鍋爐，將容易造成積灰，會影響鍋爐正常運(yùn)行。況且，在現(xiàn)存的IGCC 電站中，火管式已經(jīng)不再使用。所以，將選擇水管式廢熱鍋爐作為設(shè)計(jì)方向。

3.2 汽水循環(huán)方式

自然循環(huán)廢熱鍋爐與強(qiáng)制循環(huán)廢熱鍋爐比較，有很多優(yōu)點(diǎn)。自然循環(huán)廢熱鍋爐系統(tǒng)簡單、投資較小且檢修容易。更為重要的是，自然循環(huán)廢熱鍋爐不需加裝循環(huán)泵，可有效降低能耗，這一點(diǎn)更為適合高效、環(huán)保的IGCC電站。綜合各個(gè)因素考慮，選擇自然循環(huán)作為蛇形管型對流廢熱鍋爐的汽水循環(huán)方式。

3.3 鍋爐外形布置

本方案中的對流廢熱鍋爐如圖1 所示，采用立式放置，外殼選用筒形殼體，煙氣由上到下沖刷鍋爐受熱面。這樣布置的好處是：受熱面容易布置成逆流形式；鍋爐出口在底層，風(fēng)機(jī)、除塵器等都可以布置在地面，便于設(shè)備布置；有利于尾部煙氣吹灰塵；連接管道長度較短，消耗的金屬量小，占地面積小，安裝起吊方便。

圖1 典型IGCC系統(tǒng)雙廢鍋的布置型式

3.4 鍋爐爐體布置

鍋爐爐體布置可分為殼體布置、爐膛布置、集箱布置和受熱面布置這幾個(gè)部分。下文分別對這幾個(gè)部分的布置作簡要介紹。

由于廢鍋采用立式布置，整體很高，因此實(shí)際施工中，建議將殼體分為5 段，采用法蘭連接，密封采用橢圓形金屬墊片，殼體頂部采用球形封頭。

鍋爐爐膛直接與煙氣接觸，煙氣在爐膛內(nèi)縱向沖刷膜式壁，橫向沖刷蛇形管省煤器和蛇形管過熱器，其中的部分飛灰沉降在下部灰斗，在充分地被冷卻后，煙氣從布置在爐體下方的排煙口引出。爐膛整體由膜式壁包覆，在煙氣入口處附近，膜式壁內(nèi)不布置受熱面，從而能形成一個(gè)空洞，這樣做的目的是不致使入口處局部過熱，且采用方形布置，則施工難度相應(yīng)降低。廢熱鍋爐中的煙氣含灰量很大，而且粉塵較細(xì)。在爐膛下部布置一個(gè)灰斗，煙氣中的部分飛灰及從爐頂和受熱面上滑落的積灰沉降在這里，這樣做的目的是降低煙氣中灰分的含量，凈化排煙。在爐膛的下部布置排煙口，將煙氣于此引出。

鍋爐集箱是鍋爐膜式壁、過熱器、再熱器等管子匯集處，是鍋爐重要的受熱受壓部件。集箱可以布置在殼體內(nèi)側(cè)的氮?dú)鈱觾?nèi)，也可以布置在殼體外側(cè)。集箱布置在殼體外側(cè)的好處是可以使氮?dú)鈱雍穸葴p小，降低殼體外徑，從而減小鍋爐體積；缺點(diǎn)是需要在殼體上開設(shè)大量管孔，造成殼體的強(qiáng)度降低，需要增加附加壁厚來提高殼體強(qiáng)度，這樣就會增大金屬的耗用量。集箱布置在氮?dú)鈱拥暮锰幨谴罅繙p少了殼體的管孔數(shù)，降低了金屬消耗量；缺點(diǎn)是殼體體積增大，增加了設(shè)備的占用空間。本設(shè)計(jì)中選擇了集箱內(nèi)置的布置方法，這樣選擇的原因是減少了殼體的開孔數(shù)量，同時(shí)，管路布置在氮?dú)鈱涌梢云鸬奖氐淖饔?，降低了工質(zhì)在運(yùn)輸途中熱量的消耗，提高了鍋爐效率。集箱的具體布置分為6個(gè)部分，共12個(gè)豎集箱：下部5個(gè)豎集箱和進(jìn)水管相連接，進(jìn)水通過該集箱中的4 個(gè)豎集箱分配到膜式壁和通過另一個(gè)豎集箱分配到蛇形管省煤器之中。中部3 個(gè)豎集箱所起作用各不相同，其中一個(gè)負(fù)責(zé)收集蛇形管省煤器的飽和水并輸送到氣包中；另一個(gè)與汽包上部相連，為蛇形管過熱器輸送飽和蒸汽；還有一個(gè)豎集箱負(fù)責(zé)收集過熱器產(chǎn)生的過熱蒸汽。下部環(huán)形集箱與下部豎集箱連接，負(fù)責(zé)為膜式壁提供入水。上部環(huán)形集箱收集膜式壁中加熱后的飽和水輸送入氣包，起到類似于省煤器的作用。由于本鍋爐集箱布置在氮?dú)鈱永铮恢苯邮軣?，所以其選材范圍較為廣泛，可以選用SA-335P91，這種材料強(qiáng)度高、價(jià)格低廉。

4 熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的選擇

世界各國的熱力計(jì)算方法標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，目前標(biāo)準(zhǔn)有很多。當(dāng)前的計(jì)算方法基本都是基于半經(jīng)驗(yàn)形式，精確程度往往影響到各個(gè)部位工質(zhì)溫度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度，每種方法的選用取決于各制造廠家的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。多年以來，中國鍋爐設(shè)計(jì)所用的方法一般選用的是前蘇聯(lián)兩個(gè)聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)方法（1957年和1973年）。改革開放以來，我國也引進(jìn)了不少歐美機(jī)組，與此同時(shí)，也隨之引進(jìn)了一些歐美的計(jì)算方法。

我國學(xué)者有人將蘇聯(lián)方法與歐美方法進(jìn)行了比較，證實(shí)CE標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算精度要求較高，但是CE標(biāo)準(zhǔn)所選取的漏風(fēng)量偏小，而我國鍋爐建設(shè)后的實(shí)際漏風(fēng)一般偏大，同時(shí)，在傳熱計(jì)算中，傳熱系數(shù)沒有考慮沾污系數(shù)、沾污壁溫的概念。而實(shí)際燃煤鍋爐加熱面表面的積灰是不可能避免的，特別是我國所產(chǎn)燃煤中，灰含量一般相對較高。CE公司計(jì)算的時(shí)候，將爐膛分為上下兩段進(jìn)行計(jì)算，并選用不同方法，下爐膛所采用的方法，其適用性于我國來說并不適用，由于煤炭質(zhì)量的問題，并不能完全套用CE 公司的標(biāo)準(zhǔn)。另外，蘇聯(lián)的兩種熱力計(jì)算方法來說也不盡相同，在鍋爐熱力設(shè)計(jì)時(shí)，需要計(jì)算對流換熱和輻射換熱，兩種方法的計(jì)算過程也不盡相同。本文主要是針對國內(nèi)IGCC 電站進(jìn)行廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故而結(jié)合國內(nèi)煤質(zhì)及機(jī)械制造工藝，選取蘇聯(lián)1973年熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中給出的A.M古爾維奇零維模型作為本設(shè)計(jì)蛇形管型廢熱鍋爐的熱力計(jì)算方法。該方法計(jì)算過程簡單、實(shí)用性強(qiáng)，更適用于本設(shè)計(jì)中這種結(jié)構(gòu)相對簡單的廢熱鍋爐的設(shè)計(jì)。

廢熱鍋爐熱力計(jì)算的目的在于，根據(jù)鍋爐的給定初始工作條件，如輻射廢熱鍋爐出來的煙氣的成分組成、熱力性質(zhì)、流量、進(jìn)出口溫度、進(jìn)出口壓力、給水溫度和出口蒸汽參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算，以最終選定廢熱鍋爐的形式與結(jié)構(gòu)，并最終確定換熱面積及換熱元件的布置和尺寸等。熱力計(jì)算是廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是為其他計(jì)算等提供了必要的數(shù)據(jù)和條件，所以熱力計(jì)算是廢熱鍋爐設(shè)計(jì)中非常重要的組成部分。無論是采用立式，還是臥式廢熱鍋爐，都需要根據(jù)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較分析等來確定［6］。

對于廢熱鍋爐做熱力計(jì)算，按下列步驟進(jìn)行。

（1）物性計(jì)算。根據(jù)煙氣的組成和參數(shù)（溫度、壓力），進(jìn)行與混合氣體有關(guān)的物性計(jì)算。制成表格，這樣能使后續(xù)的計(jì)算方便省時(shí)，易于檢查錯(cuò)誤。

（2）熱平衡計(jì)算。根據(jù)煙氣的進(jìn)出口條件，計(jì)算求出換熱量，然后確定廢熱鍋爐的水蒸氣蒸發(fā)量，即產(chǎn)蒸汽量。

（3）選型。根據(jù)熱氣體和蒸汽的溫度、壓力及熱氣體的物理、化學(xué)性質(zhì)，選擇廢熱鍋爐的形式、結(jié)構(gòu)和材料。

（4）傳熱計(jì)算。初步布置換熱面，排列管程，畫廢熱鍋爐簡圖。然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算傳熱系數(shù)K，再根據(jù)傳熱基本方程式估算傳熱面積的大小，求平均溫差。然后再調(diào)整結(jié)構(gòu)，直到實(shí)際傳熱量與設(shè)計(jì)傳熱量的相對誤差小于±2%。