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干熄焦余热锅炉膜式水冷壁的自然循环情况分析


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文 章 编 号 : 0 —7 4 20 ) 32 -   1 487 (0 8 0 —00 0 4







炉 

20 0 8年第 3期 ( 总第 1 9期 ) 0  

/>
干 熄 焦 余 热 锅 炉膜 式 水冷 壁  的 自然 循 环 情 况 分 析 
黄 海苏 , 郁鸿凌 , 杜艳艳 , 李瑞 阳  
( 海理 工 大学 , 上 上海 2 0 9 ) 0 0 3 
摘  要 : 分析 了作为辐射蒸发 受热面 的膜式水 冷壁 布置于 干熄焦余 热锅炉 的竖直烟 道 内,  

在低热 负荷下水循环 安全问题 。干熄焦余 热锅炉 中 的膜 式水 冷壁与传 统锅炉 中的膜式 水冷 壁 
的受热情况 、 自然水循环情况均不相 同 , 对膜式水 冷壁 的布置及影 响其 自然循 环安全性 的 因素  进行分析 , 并提 出相应的改善措施 , 为干熄焦余热锅炉 的研发提供设 计依 据。  
关键词 : 熄焦余热锅炉 ; 式水冷壁 ; 干 膜 自然 循 环  中 图分 类 号 :K 1 .  T 222 文献标识码 :  A

第 一 作 者 : 海 苏  黄
(9 3 , 士 研 究  18 一) 硕
生。  

Th   n l ss o  he Na u a   r u a i n o  h   e b a e e A a y i  n t   t r lCi c l to   f t e M m r n  

W al n t e CDQ  a t — e tBolr l i h     W se—h a  i   e
HUANG  iS YU  n -i g, Ha -U, Ho g ln DU  n- a LIRu - a g Ya y n,   iy n  

( nvri  f h n h io c ne T cn l y hn h i 0 0 3 C ia  U i syo  a g a f Si c& eh oo ,S a ga 2 0 9 , hn ) e t S  r e g  
A src: sterdao et gsr c .h  e rn  a    s l di  edw  as fh  D   at b tatA    ai i hai  uf e tem mbaew l ii tl   t  o nps o  eC Qw s  het h tn n a lsn ae n h   t e a  
b i r Su is t e w trc ru a in s f t  f h   mb a e wa   n e   w h a  u .T e h a n  o d t n a d t e n t r l ol . t d e  h   a e  ic lt   aey o   e me r   l u d rl   e t x h   e t g c n i o    h   au a  e o t n l o l f i i n

c cltno  eme rn  a     eC Q w t —ha bi r r df rn f m ta i tet dt n  ol s h r i uao fh  mba ew li t   D   a e et o e  e ieetr   t n h r ioa bi r.T ea- r i t ln h s   l a   o h     a il e  
r g me to   e me r e w l a d t ei f e cn  a t ro   en t r   i uai n s e ya   l a h   o r s o d n     n a e n  f h   m a   aln    n u n ig f co   n t   au a cr l t   a t  swe   t ec re p n i g i t b n   h l h l c o f s m—

poe et esrs r  a zd I a sa o eigsm   einbsmet fteC Q w t rvm n m aue  ea l e .t i  t f r  o eds  ae n o    D   a e—ha b irf   r e e   a n y  m   n g   h s et l   rf t rr-   e o uh o  
s ac   d d v lpme t erh a   e eo n n.  

Ke  od : D w s h a o e ; mb a ewa : au a i uain yw rs C Q  at e— e t i r me rn   l n tr l r lt   bl l cc o

O 前 言 
干法 熄 焦 ( oeDy Q ecig C k  r  unhn )简 称 干 熄 焦  ( D , 相 对湿 熄 焦 而 言 的采 用 惰 性气 体 冷 却 炽  C Q)是 热焦 炭 的一种 熄 焦方 法 。其 流 程是 : 干熄 炉 内 , 在 惰  性气体 ( 常 为氮气 ) 却 红 焦 , 热 后 的惰 性 气 体  通 冷 吸 从 干熄 炉排 出 , 一 次 除 尘器 被 送 人 干 熄 焦 余 热 锅  经
炉 进行 热交 换 , 由循 环风 机 鼓 人 干 熄 炉 内循 环 使  再

干熄焦余热锅炉 ( 简称 C Q锅炉) D 是干熄焦 系  
统 的核心设 备 , 利用 热惰 性 气 体 与 纯水 热交 换 来  它

产生蒸汽 , 起着 回收能量的作用 。干熄焦余热锅炉  没有燃烧系统及伴随燃烧的辅助设备 , 其受热 面包  括 主受 热 面和 附加受 热 面 : 主受 热面包 括过 热器 、 蒸  发 器及 省煤 器 ; 附加 受 热 面 包 括 膜式 水 冷 壁 和悬 吊  管两部分, 是干熄焦余热锅炉的特色所在 , 本文则主  要 针对 膜式 水冷 壁进 行研究 。干熄 焦余 热锅 炉 的结  构如图 1 所示 。  

用 。干熄焦 技 术能 回收 利 用 红 焦 的 显 热 , 善 焦 炭  改 质量 , 轻熄 焦 过程 对环 境 的污染 , 近代 研制 开 发  减 是 的一 项熄 焦 新技 术 , 广泛 应用 于炼 焦生 产 中 。  
收 稿 日期 :0 8 21  20 - —8 0

l 膜式水冷壁在干 熄焦余 热锅炉上的应用   
1 1 膜式 水 冷壁 介绍  .

膜 式水 冷 壁 在 干熄 焦 余 热 锅炉 上 的应 用 , 强  增 了干 熄焦 系统 的密 封 性 , 大大 提 高 了锅 炉 的热 效 率  和焦 炭 的质 量 。干熄 焦余 热 锅炉 的循 环 方式 经历 了 

基金项 目: 83 计 划 ( o 2 0 A 0 Z 1 ) 上 海 市科 委重  “6 ” N . 06 A 5 29 , 点攻 关计划 ( o0 10 17   N .7 65 2 )

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?

研 究 与开发 ?  

干 熄焦 余热 锅 炉膜 式水 冷壁 的 自然 循环 情 况分 析  下几 个 优点 :  

2  1

() 1保证炉墙密封 , 消除漏气 , 从而阻止循环冷  却的惰性气体内含氧量增加 , 避免焦炭烧损 , 同时保  证锅 炉 负压运 行 ;   () 2 减轻 炉 墙 重 量 , 大 减 少 钢 架 的金 属 耗 量  大 和制造工时 , 锅炉 的基础材料消耗 和施工工时也随 
之降低 ;   ( ) 大 锅炉 蒸 发受 热面 积 , 3增 提高 锅 炉效率 。  

图 1 C Q 锅 炉 结 构 简 图    D

1锅筒 -

2二级过热器 -

3一级过热 器 -

4光管蒸发 器  .

5 - 鳍片管蒸发器 6省煤器 7 - - 悬吊管 8侧墙水冷壁出1集箱  . 2 1
9后墙水冷壁 出 1集 箱  1 . 一 2 1 0前墙水冷壁 出 1集箱  2 1 1- 1前墙水冷壁进 1集箱 2 1 1. 2侧后 墙水冷壁进 1集箱  2 1
图 2 炉 膛 四周 膜 式 水 冷 壁 布 置 图 
~  

全强制循环、 强制循环 ( 蒸发器 ) 自然循环 ( 与 水冷  壁) 相结合 的混合循环锅炉及全 自然循 环锅炉 的发 
展 过程 。其 中混合循 环 锅炉 为 中温 中压 参数 ( 热  过 蒸 汽压 力 为 4 6 M a 温 度 为 4 0℃ ) 我 国很 多 大  .  P 、 5 ,

2 膜式 水冷壁的 自然水循 环特点 
自然 循环 锅 炉是 依靠 下 降管 与上 升管 内工 质 的 

密度差进行循环 的。在高参数干熄焦余热 锅炉内,   水循环动力小 , 流速低 , 对锅 炉的热效率影 响不大 ,  
但 对 锅炉 的安 全 运 行 、 用 寿 命 则 有 重 要 意 义 。所  使

型钢铁企业 已经先后成功运用。随着节能减排工作  的 日益 深入 , 目前 国 内相 当多 的钢 铁 焦 化 企 业 为 进 


步节约能源 , 提高 自供 电能力 , 开始研发高参数干 

以本文对干熄焦余热锅炉 中受热最弱的膜式水冷壁  进行详细的水循环分析, 其特点有 : .     ( ) 构 尺 寸 受 系 统 限 制 : 般 自然 循 环 锅 炉  1结 一
水 循环 的安全 与锅 炉结 构稳 定 处于 对立 状态 。从 结  构 稳定 角 度考 虑 , 上升 管高 度不 能 太高 , 但过 低 又影  响水 循 环压 差 , 能保证 正 常水循 环 , 不 两者 需 要达 到 


熄焦余热锅 炉 ( 热蒸汽压力 为 9 8M a 温 度为  过 .  P 、 5 0℃) 并且为了减少投资及运 行成本 , 发器与  4 , 蒸 水冷 壁采 用 自然循 环 。本 文针 对 干熄 焦余 热锅 炉 中  膜式 水冷 壁在 低热 负 荷工 况下 自然 循 环安 全性 问题   以及参数提高后水冷壁受热面设计时所应注意 的问  题 进 行分 析 。   干熄 焦余 热锅 炉 的主 要受 热 面都 布置 在竖 直 烟  道里 , 沿烟气流程布置有二级过热器、 一级过热器 。   两者之间安装了喷水减温器 , 其后还有光管蒸发器、   鳍片管蒸发器以及省煤器。为了充分吸收高温烟气  余 热 , 加 锅炉 的蒸 发 受 热 面 , 高 锅 炉 热 效 率 , 增 提 在  锅炉前墙、 侧墙 、 后墙均布置有膜式水冷壁 , 且左右  墙呈两侧对称布置 , 炉膛 中部布置有悬吊管 , 用于悬  吊蒸发器和过热器。余 热锅炉 的示 意图如 图 2所  示 , 中前 墙 分 两 个 回路 ; 后 墙 共 用 一 个 进 口集  其 侧 箱 , 集箱则是相互独立的。 出口   12 膜式水冷壁在干熄焦余热锅炉中的作用  . 干熄焦余热锅炉采用膜式水冷壁结构 , 具有 以  

个 平 衡过 程 。对 于 干 熄 焦 余 热 锅 炉 , 结 构 受 到  其

整 个 干熄焦 系统 的 限制 , 炉 人 口烟 气 中心 高 度 需  锅

与干熄焦系统保持协调 , 使得尾部烟道 的尺寸不能  有 较大 的变 动 , 放大 或 缩 小 烟 道 尺 寸 都 会 影 响 干熄 
焦整 个 系 统 的正 常 运 行 ¨ 。 故 要 在 循 环 高 度 基 本  J

不变的情况下 , 保证膜式水冷壁的水循环可靠性。   () 2 热负 荷低 , 环 动力 小 : 循 一般 所 研 究 的水 冷 
壁往 往 是布 置 于炉膛 内的辐 射受 热 面 , 负荷 高 , 热 受 

热条件复杂 , 需要考虑膜态沸腾 、 传热恶化等故障;  
而干 熄焦 余热 锅 炉 中 的水 冷壁 属 于附 加 受 热 面 , 热  负荷 较低 , 能产 生 的水循 环 动力也 很小 , 所 导致 管 内 

工质流速很低 , 容易 出现水动力事故  。并且重点  J

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炉 

20 0 8年第 3期 ( 总第 19期 ) 0  

考 虑 的是 由于 受 热 弱 所 引 起 的 “ 小 界 限 质 量 流  最
速 ” “ 环停 滞 ” “ 环倒 流 ” 。 、循 ,循 等  

流速 , 而保 证水 循 环 的安 全性 。表 2表 明 了两 种  从
汽水 分 离器 的阻力 情况 , 可见 , 改用 钢丝 网分 离器 后 

相应 上 3 干熄焦余 热锅 炉膜 式 水 冷壁 影 响水 循环  上 升管循 环 流速 提高将 近一倍 , 的下降 管 、 升 

的因素及 相应的改善措施 
3 1 下降 管、 出管 与上 升管 截面 比  .  引 下 降管或 汽水 引 出管 的总 截面 与上 升管 总截 面 
之 比叫截面 比。 截 面 比越 大 表 示 下 降 管 、 水 引 出  汽

管 和汽水 引 出管 阻力 变 大 , 系统 总阻力 大 大减 小 。 但  

在保证锅筒汽水分离性能、 符合蒸汽品质标准的前 
提下 , 采用 结构 简单 的分 离 元 件还 可 适 当 缩 短锅 筒  长度 , 约材料 , 节 降低 成本 。  
表 2 高压锅炉前墙水冷壁 的阻力分配表 

管 的截 面积相 对 越 大 , 而 阻 力 较 小 , 循 环 有 利 。 从 对  
截 面 比越 小 , 下 降管 或汽 水 引出 管阻力增 大 , 则 循环 

倍率 、 循环 流速 将 降 低 , 热 面 易 产生 偏 差 , 易 发  受 容
生停 滞 , 样水 循 环就不 可靠 。 这  

锅炉 参数 提高 后 , 采 用 阻力 系数 较 小 的大 直  宜 径集 中下 降管 , 内径为 4 8 50mm。在相 同 的  其 , o~ 0  1

流速下, 其压差较高 , 对防止停滞有利。对锅筒压力  为1 0~1  a的锅 炉 集 中 下 降 管 其 推 荐 数 值 为  2MP
FiF 0 3~0 5    = . / . 。汽 水 引 出 管 一 般 采 用 4 0~ ,   8
10mm 的管 子 , 锅 筒 压 力 为 1 5  对 0~1  P 2 M a的锅 炉  3 3 防止 下 降管带 汽  .

推荐 数 值 为 F /  =04~0 5   F。 . . 。对 受 热弱 的循 环  回路 , 取较 大 的数 值 J 应 。干熄 焦余 热 锅 炉 膜 式水 
冷壁 的热 负荷 小 , 减 小 下 降管 及 汽 水 引 出管 的阻  为 力, 管径应 尽 量取 得 大 一 些 , 据 实 际 设计 需 要 , 根 甚 

在干熄焦余 热锅 炉 中 , 能会 产生 下 降 管带 汽 。 可  

其原因有三方面: ①人 口有流阻和加速产生压降 , 使  锅水发生 自汽化 ; ②在下降管人 口截面上部形成漩涡   斗, 蒸汽被 吸人下 降管 ; 锅筒水 容 积 内含 汽 , ③ 蒸汽 随  锅水一起被带人下降管。下降管带汽会使下降管流  动阻力增加 , 导致循环流速及循环倍率下降, 影响水  循 环特性 , 应尽量避免或 设法减少 下降管 带 汽。对选  用钢丝网或旋风分离器作为汽水分离元件的锅炉,   只
要循环 回路和锅 内装置设 计合理 、 内装 置安装质 量  锅 合格 , 常运 行 和允 许 的变 动工 况 下 , 降管 带 汽  在正 下
量都很 小。因此 , 常工 况 下水 循 环计 算 时 , 不 必  正 可

至要 比标准推荐值大。截面过小 , 阻力加大, 会影响  上 升 管 的流速 , 停 滞 的可 能 性增 加 。 同时 长度 应  使 尽量缩短 , 弯头 的数量也应尽量减少 。以高参数干  熄焦余热锅炉热负荷最小 的前墙水冷壁为例 , 增大 
截 面 比后 对 水循 环 的改善 情况 如表 1 示 。 所  
表 1 改变截 面比对前墙水冷壁水循环情况的影响   

考 虑下降 管带汽H 。故在干熄焦 余热锅炉 的设计 中 ,    
可不考虑下 降管 带汽 , 对 于大 直 径下 降 管 , 在 管  但 应

子 人 口部位加装栅 格 J 。在运行 中 , 持水位 波动  应维

微弱的锅炉负荷曲线, 控制汽温汽压稳定。  
3 4 工 质欠 焓  .

3 2 锅 内装置 的 阻力  .

上 升 管 人 口工质 欠 焓 对循 环 系 统 特性 有 影 响 。   欠焓 较 小时 , 热水 段较 短 , 动 压 差 较 大 , 环 流  加 运 循

锅 内装 置 ( 风分 离 器 ) 旋 阻力 在 整 个循 环 回路 

中占有较大份额。以高参数干熄焦余热锅炉前墙循 
环 回路 阻力 为例 , 阻力 如 表 2所 示 。 由表 2可 知  各 旋 风分 离器 阻 力 在 整 个 循 环 回路 中 占 8 .% 。对  77
于 高温高 压 干熄 焦余 热锅 炉 , 身 受 热 面 所受 热 负  本

速较高 ; 当欠焓较大时, 加热水段较长 , 运动压差较 
小 , 环流 速较 低 。干 熄 焦余 热 锅 炉 膜 式 水 冷壁 所  循 受热 负荷 较低 , 其是 前墙 水冷 壁受 热 面长度 短 , 尤 若 
欠焓较 大 , 加热 水段 过长 , 则 会造 成受 热 面水循 环流 

荷小 , 压力 提高后 汽水 密度 差 变小 , 循 环推动 力 随  水 之变 小 , 以应 尽 量 避 免 汽水 阻力 较 大 的锅 内旋 风  所 分离 器 。推荐 采 用 阻力 较 小 、 离 效 果 良好 的水 下  分 孔板 、 钢丝 网分离 器 或 波形 板 分 离 器 等 阻力 较 小 的  分离 设备 , 以减 小 汽水 引 出管 的局部 阻力 , 提高循 环 

速过低 , 生停滞 、 流 等循 环 故 障 , 以设 计 时须  产 倒 所 保 证上 升管 人 口工 质欠 焓 。上升 管人 口工 质欠 焓与  省煤器 出 口水 焓 、 水 清 洗份 额 、 环倍 率 、 给 循 锅筒 压 

力、 下降管高度等因素有关。根据有关计算 , 为了保  证 水冷 壁 的水 循环 安 全 性 , 省 煤 器 布 置高 度 的限  在

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研究与开发 ?  

干熄焦余热锅炉膜式水冷壁的 自 然循环情况分析 

2  3

制 范 围 内, 推荐省 煤 器 出 E水 焓 略 低 于 相应 压 力 下  l

的饱和水焓 , 欠焓值在 8 30k k 之问。 O一 5 J g /  
3 5 不 稳定 工况  .

炉的安全 l和使用寿命有重要意义 。在干熄焦余热  生 锅炉采用膜式水冷壁 的设计 中, 应针对其特点采取 
相应 的改善措 施 , 如增 大下 降 管 、 出管 与上 升管 的  引 截面比, 采用 阻力 较小 的汽 水分 离装 置 , 防止 下降 管  带 汽 , 小上 升管 人 口工质 欠 焓等 , 减 以此 来 提高整 个 

在锅炉运 行 中 , 负荷 的波动会 引起水循 环 特  锅炉 性 的变化 。在生 产实践过 程 中, 也会 遇 到许 多突发 性  事件 , 如锅炉灭 火 、 机甩 负 荷 等事 故 性 停炉 。若 锅 炉 
保 护不到位 , 是 机组 自动 功 能失 调 , 行人 员 监 视  或 运

锅炉 的安全性 。翳 
参 考文 献 
[] 1 程竹静 , 郁鸿凌 , 国俊 , 高 压 自然循 环干 熄焦 余热  李 等. 锅炉热力特性研究 [] 工业 锅炉 ,0 6 ( )8—1 . J. 20 ,5 : 1  

或处理 问题 的能力 差 , 都会使水 循 环系统 造成 破坏 而 

发生危害。根据实际运行经验 , 干熄焦余热锅炉的负 
荷还 受整个 系统 影响 , 锅炉运 行启 动初期 以及 管道 吹 

[] 2 徐艳英 , , 日 , 自然 循环锅 炉对 流管束 回路  董芄 兰 华 等.
水动 力 数 值 计 算 的 水 动 力 压 差 分 法 [ ] 节 能 技 术 , J.  
2 0 ,4 16 :2 1 6 0 62 (3 ) 14— 2 .  

扫时负荷比较低 , 造成受热较弱的偏差管 , 其质量含  汽率有较大幅度降低 , 回路 中循环流速 W 也有所降  。 低  , J故在进行水动力计算时, 亦要进行低负荷校核 
计算 , 以保证 流速 不低 于低 负 荷 下 的界 限质量 流 速 ,  


[ ]J /  0 —18 3 B Z2 1 9 3电站锅炉水动力计算方法 [ ] S.   [ ]李守恒 , 4 王振文.大直径 下降管含 汽率 的测 定和初步分  析 [] J .锅炉技术 ,90,1 Z ) 8— . 18 1 ( 1 : 9  [ ]韩志宏 .D  05 1 .一 Ⅱ7型 自然循环锅炉 循环 回路  5 G 12 / 82 可靠性分析 [ ] 山西 电力 ,02,2 3 :0—1 ,2  J. 20 2 ( ) 1 12 .

般需进行 5 %负荷的水动力计算 。 0  
膜 式 水 冷壁 均 为 自然循 环 , 水 循 环 情 况 对 锅  其

4 结 论 

( 上接第 1 ) 6页  

( ) 烟箱保温 层选 用 以铝酸盐水 泥 为结合  1前
剂 、 质骨 料 、 煤 灰 漂 珠 等 为 填 料 的 隔 热 衬 里 材  轻 粉

() 4 在前 、 后烟箱及节能器下部 , 都设置 了放灰  口 , 一使 用周期 之 后 , 每 应打 开各 放灰 口出灰 。   () 5 前烟箱 内的保 温层涂抹平 整 , 避免 凹凸不  平造 成飞灰 堆积 。   3 2 磨 损 问题 的解 决  . 烟尘不仅会造成锅炉受热 面积灰 , 也会使之磨  损 。产 生磨 损有 诸 多 因素 , 烟 气 特 性 和 受 热 面 材  在
质一定 的前 提下 , 取 以下 几 点 防止 和 减 轻 磨 损 的  采
措施 :  

料, 该材料具有体积 密度低 、 隔热保温性能好、 施工  方 便等 优点 。保 温材 料 在锅 炉安 装现 场按 施工 工艺 
浇注 , 避免 了在 制造 单位 施工 后 因运输 、 撞而 造成  碰 保 温层 开裂 、 动 。 松  

() 2 锅炉烟道 间连 接处都采取堵漏措施 , 各部 
件 的清 灰 口用标 准 的板 式 平 焊 钢制 管法 兰 、 兰 盖  法 的密封 结构 , 绝漏 烟现 象 。 杜  

4 锅炉 实际运行情况 
该 台锅炉已于 20 06年 7月在使用单位顺利安  装并投入连续运行 , 各项 主要技术参数均达到设计  要求 , 反映 良好 。我们也在不断积累中继续创新 , 力  求 开发 出更 完 善 的节 能 环 保 锅 炉 , 足 市 场 需 求 。 满   黯  参 考 文献 
[] 1 李之 光 , 范柏 樟. 工业 锅炉 手册 [ . 津 : M] 天 天津 科学技 
术 出版社 ,9 8 18.  

() 1 选取合理 的烟气流速 , 减轻受热 面的均匀 
磨损 。流速 高 , 磨 损 ; 速 低 , 积 灰 。因此 确 定  易 流 易

烟气流速应综合考虑 , 不可顾此失彼。   ( ) 用 壁 管较 厚 的 锅 炉 受 热 管 , 增 强 钢 性  2选 在 的 同时也 提高 了耐磨 性 , 延长 锅 炉使 用 寿命 。   ( ) 发器人 E端是 受热 管发 生磨损 的薄 弱  3蒸 l 点。采取在每根管子进 口端加装 高合金钢套 管, 杜 
绝 了管端 磨损 。  
3 3 漏烟 问题 的解 决  .

[] 2 古大 田, 方子风 , .废 热锅 炉 [ .北 京 : 等 M] 化学工 业 出  版社 工业装 备与信息工程 出版 中心 ,02  20 . [] 3 清华 大学 热能工程系热能工程教研室 .锅炉原理及计算  [ . 京: M]北 科技 出版社 ,9 7 18.  

由于锅 炉 烟道 是 在 正 压下 运 行 , 有 疏 忽 就 会  稍 发 生漏 烟。 因此重视 漏 烟 问题贯 穿在 设计 、 造 、 制 安 
装 的全过 程 。  


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