[科普中国]-废气锅炉

在工业生产中的地位

废气锅炉较早是用来产生一些低压蒸气，回收的热量有限，只是作为生产的一般辅助性设备。随着生产技术的发展，废气锅炉的参数逐渐提高，废气锅炉由生产低压蒸气的工艺锅炉转变为生产高压蒸汽的动力锅炉。废气锅炉在整个装置中已逐渐成为动力源，其运行状况直接关系到装置中的整个生产过程。因此，在这种情况下，废气锅炉往往成为整个装置不可分割的关键性设备之一。生产过程对于废气锅炉的依赖性也日益增大，人们对废气锅炉的重视程度也相应地增加。1

结构我国海船上使用较普遍的立式火管废气锅炉，结构非常简单。锅筒4是一个直立圆筒，两端的封头1兼作管板，中间连接着几百根烟管3，烟管直径一般为51×4mm。为了加强管板和减少烟管承受的拉力，装有少量牵条烟管6，其壁厚比普通烟管厚1mm。

锅炉下端装有进口烟箱(下烟箱)，上端装有出口烟箱(上烟箱)。柴油机排气自下烟箱流经烟管时，一部分热量传给锅水并产生蒸汽，然后从上烟箱排出。为了增加烟气的扰动，提高传热效果，废气锅炉的烟管通常采用麻花管。1

分类在废气锅炉中进行的是热量传递的过程，因此，废气锅炉的基本结构也是一个具有一定传热表面的换热设备。但是由于化工生产中，各种工艺条件和要求差别很大，因此化工用的废气锅炉结构形式也是多种多样的。

1） 按照炉管是水平还是垂直放置，废气锅炉可以分为卧式和立式两类。

2） 按照操作压力的大小，废气锅炉可以分为低压（蒸汽压力在1.3aMP以下），中压（蒸汽压力在1.4-3.9aMP范围内）高压（蒸汽动力在4.0-10aMP范围内)三种。

3） 按照锅炉的结构形式不同，废气锅炉可以分为：列管式，U型管式，刺刀管式，螺旋盘管式，以及双套管式等。

4） 按照其生产工艺或使用场合不同，废气锅炉可以分为：重油气化废气锅炉，乙烯生产裂解气急冷废气锅炉，合成氨前置式，中置式或后置式废气锅炉等。1

基本要求1）合理的实现所规定的工艺条件传热量 ，流体的热力学参数与物理化学性质是工艺过程所规定的条件。应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热设备具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量 。为此，具体的做法可以是：增大传热系数，增大平均温度差，妥善布置传热面。

2）安全可靠（最基本的要求） 废气锅炉也是压力容器，在进行强度，刚度，温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵守我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设备规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着很大的作用。所以，废气锅炉应具备足够的强度，刚度，稳定性，耐腐蚀性，密封性。

3）有利于安装，操作与维修直立设备的安装费往往低于水平的或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房中移动时不会受楼梯。梁，柱等的妨碍。根据需要可添置气，液排放口，检查孔与敷设保温层。

4）经济合理设备在进行结构设计时，在安全合理的前提下，应注意节约钢材，尤其是贵重的不锈钢等材料，以降低设备的材料成本。另外，在制造时，应优化加工工艺，采用简便，省时的加工方法，以降低设备的制造成本。只有这样，才能降低设备的总成本，取得经济效益。1

设计内容废气锅炉作为废气回收利用的一种装置，一般均要求承受较高温度下运行的苛刻条件。由于设备需要长期在高温下运行，所以对其结构的要求和制造材料的选用都是设计者重点考虑的。

1、设计计算内容

工艺尺寸的设计与计算，零件结构的设计与计算。为达到刚度和强度，要求设计壳体厚度时的弹性失效准则，考虑到容器宏观强度和致密性，必须采用耐压试验，设计中 ，局部应力引起的失效是不允许的，故必须采用开孔补强设计。

2、具体设计计算步骤

在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列管式。其中，列管式换热器虽在热效率，紧凑性，金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具有结构坚固，可靠性高，适应性强，材料范围广等特点，因此成为石油化工生产中，尤其是高温高压和大型换热器的主要结构形式。

列管式换热器主要有固定管板式换热器，浮头式换热器，填料式换热器和U形管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。

对于本设计，由于壳程与管程压力差比较低，可以克服应力所带来的问题。又本设计壳程所流经的流体为CH、N混合气体，洁净不易结垢，从而避免了固定管板式换热器壳程难清洗和检修困难的问题。

列管式换热器机械设计包括：

1）壳体直径的决定和壳体壁厚的计算

2）换热器封头选择

3）压力容器法兰选择

4）管板尺寸确定

5）管板拉脱力的计算

6）折流板的选择与计算

7）温差应力的计算

8）接管，接管法兰选择及开孔补强等

9）绘制主要零部件图和装配图 。1

运行及维护1、维护

废气锅炉的运行及维护，主要是指对液位，气压，气水质量，开车开炉，停车停炉，工艺气体进出口温度，流量等监视，调节和控制。它直接关系到整个工艺生产的稳定，蒸汽使用对象的正常运转及人身，设备的安全。正常的运行及维护，对废气锅炉设备的使用寿命和文明生产，都具有十分重要的意义。

废气锅炉与一般工业锅炉在结构形式上具有共同之点，也有不同之点，因此，运行及维护工作也有区别。两者的主要区别有下列几个方面。

1) 废气锅炉受整个工艺生产负荷变化的影响

由于废气锅炉是利用工艺生产气体的余热产生蒸汽的，因此，生产负荷的变化，工艺气体各参数的变化，都直接影响到废气锅炉水蒸气侧的水循环，气温，气压和蒸汽产量。由于没有独立的热源和燃烧设备，不能利用调节燃烧值的大少进行控制，因此废气锅炉的操作运行必须和工艺生产的控制调节联系在一起，要求相互密切配合。运行管理维护人员不仅要学会废气锅炉的技术，而且还应熟悉工艺生产的基本知识。

2）仪表检测装置准确可靠

有的废气锅炉炉膛为封闭式，承受高温高压，无法直接观察内部工艺气体在炉内的变化，只有通过仪表检测装置直接指示或间接推算出数值，因而要求仪表有较高的准确性和灵敏度。

3）工艺气体经过锅炉前后的温度

因前后生产的要求比较严格，特别是出炉的温度，与规定值误差不能太大。当工艺生产发生变化时，出口温度的控制更加困难，一般应设置调节出口温度的副线或采用其他手段。

4）操作谨慎

由于工艺生产负荷的调节和波动比较频繁，特别是生产的开停车，迫使废气锅炉也相应地改变和停炉。生产负荷的波动使蒸汽-水侧的参数包括气压，气温和蒸汽产量都应不断调节，因此在操作运行上更应仔细谨慎。

5) 控制工艺气体的流速

有的工艺气体带有灰尘，微粒和结焦物质，当气体通过废气锅炉流动速度较低时，有可能将这些物质存积在炉内，轻者将传热表面敷设一层结垢物，严重时可能将气道堵塞，导致气流阻力增加，直接无法维持生产。因此在运行时，应控制工艺气体的流动速度，特别在工艺气体负荷降低到设计允许负荷以下时，更要进行综合调节，平衡操作。由于沉积物质的存在，使炉内清理工作复杂化。1

2、准备工作

要保证废气锅炉的正常运行，必须做好运行前的准备告你工作。其中包括整个废气锅炉系统的技术资料准备，主体设备和辅助设备的检查验收及炉内清理，煮炉等工作。

从事废气锅炉运行管理的工作人员，首先应对废气锅炉系统的技术性能，图纸资料，操作规程和方法，安装制造的各种验收资料，废气锅炉在整个工艺生产中的作用及地位，炉前炉后生产设备的工况，在开车停车操作过程中的调节手段等都应摸清楚，并对各种特殊情况下发生的事故能熟悉的处理。

新安装或刚检修完毕的废气锅炉及其附件，运行前不许仔细检查，如炉体外部保温层油漆防腐涂层是否完整，设备支座，特别是弹簧支座和吊架的固定是否牢固，炉内的施工要全部完整，内部换热管，上下集箱是否是否全部安装好，上升管下降管支撑都应齐全，所有安装尺寸都应符合设计图纸要求。汽包壳体及内件的安装是否完好：气泡附件，安全阀，液面计，报警器，低水位器等经过检验或检验都以合格，并且具有实验记录。所有传动设备如供水机械，加药设备等都经过单体试车，完整好用。所有管道阀门都应灵活，仪表检测装置完好，调试准确，操作方便。所有设备的基础应2坚实牢靠，开车开炉的需用物质，工器具，原材料都应准备完全。

开炉前，废气锅炉承受压力的部件，应进行水压试验或气压试验。蒸汽水侧全部采用水压实验，试压方法和部棸按设计图纸。当试压达到要求数值时，应切断进出口阀门，停止供水，保留5分钟。此时压力下降值：中压废气锅炉不超过1~2×105Pa，检查承压部件及密封处无泄漏及无残余变形现象。水压试验时除按照有关规定方法外，应有专人监视和控制压力。如不能使用水压实验，侧可采用气压试验。

对新安装，移装，改装的废气锅炉或受压元件经过重大修理或运行后停止一年以上的废气锅炉，皆需要进行一次超水压试验。其水压试验数值见下表。1

|| || 超水压试验压力的规定废气废气

3、开车运行

废气锅炉的内外部检查及试压，煮炉等准备工作完毕后，即可接受工艺气体。刚开始，工艺气体应少量进入炉内，使炉壁加热管慢慢升温，使个部分受热均匀。同时水系统也慢慢升温，此时气泡放空阀应打开，与蒸汽总管的连接阀应关闭。气泡液面保持正常水位，当水温升到100℃以上，即可产生蒸汽，此时即可将放空阀关闭，气泡开始升压当压力提升到0.5~1×105时，应冲洗玻璃液位计，防止连水管和连气管堵塞，产生假液面。当压力升到1~1.5×105时，应冲洗压力表的存水弯管，检查压力表的可靠性，气泡，炉内继续升温，经常调节工艺气体的流量及温度，使炉内水侧缓慢升温升压。当气压升到2×105时，应检查废气锅炉各部分是否泄露，并再次拧紧液面计及人孔等的螺栓。当压力升到3.5~4.0×105Pa时，需要进行气泡内的短期排污。炉内继续升压到工作压力的50%时，应对废气锅炉系统的泄露处再次拧紧螺栓和检查，如发现不正常现象，应立即停止试压，待消除故障后再进行。试压后将安全阀封好。

一切检查和试压调整合格后，就可将蒸汽送入需要的蒸汽管网，即叫并汽。在并汽前应对蒸汽管路，阀门，法兰均匀加热，将管内存积的冷凝水冲放干净，防止水击。这种暖管及排水工作应在气泡升压到三分之二工作压力时进行。并汽时应特别注意气泡液位，再次冲洗玻璃液位计，检查水位是否正常。并汽时气泡压力低于蒸汽总管压力0.5~1×105Pa，先缓慢地开启主汽阀，直到蒸汽和外界管线连通而听不到管内流动声时，才可以加快开启阀门的速度，并气时还应注意气包压力，液位和管内水击等现象。并气后，对水位严格控制，根据产气量和连续排污量适当给水，以便使液位保持稳定。从开车升温，升压至气包并气一般为23h。废气锅炉刚投入运行时，工艺气体流量小，负荷较低，一般不导入生产系统而放空，此时进炉出炉的工艺气体温度要求不严，而以水侧气温，气压的提升速度来调节。有些废气锅炉没有进出口旁路，并气后即可逐步将工艺气体全部导入炉内。有的废气锅炉在刚开车开炉时，水循环的建立比较困难，因而要特别注意工艺气体的调节和控制。如果工艺气体中含有微粒或含有焦物，则既要保证气体流速，又要放慢气包升压升温速度，两者要综合平衡操作。

并气后，废气锅炉开始正常运行。对炉内的气包液位，压力，气温，气压，气量，气水质量，工艺气体进出口温度，流量等进行操作和调节，并应严格控制。

气包的液位，是保证废气锅炉正常运行的重要标志。运行时玻璃液位计中的水位有略微波动，负荷低时水位略高，负荷高时水位稍低，在任何情况下炉内水位不能超过最低和最高水位线。正常水位的波动一般不能超过最低和最高水位线的mm。玻璃液位计每班必须冲洗一次。如果玻璃液位计内看不清水线，应立即检查摸清实际水位的高低，在没有确切知道气包内的水位之前，应停止向锅内供水。1