余热锅炉顶部炉壳的密封保护装置研究与应用

廖建良，谈春华，何英杰，阮兴龙

湖南省特种设备检验检测研究院，湖南长沙，410117

0 引言

余热锅炉和传统锅炉不同之处在于其体内不发生燃烧反应过程，其本质上仅是一种换热器，既节能又环保，利用高温烟气、化学反应过程、可燃气体和高温产品中含有的多余热量通过换热器将给水加热从而产生低、中或高压的水和蒸汽，用于自身工艺流程、进入输配管网供热或向汽轮机等装置提供做功工质[1]。因此余热锅炉在冶炼、水泥生产等行业得到了广泛的应用，在所应用的工业生产中因其做到将燃料燃烧的余热实现了最大回收和充分利用，节约了资源还带来了可观的经济价值。虽然余热锅炉在生产中发挥着节能环保的作用，但目前在用的余热锅炉顶部炉壳依然有热效率低和环保效果不理想的情况[2]。对此，本文详细分析了一种余热锅炉顶部炉壳的密封保护装置，可有效解决现存问题，使余热锅炉的节能环保效果最优化。

1 余热锅炉概况

节能是一个国家能够可持续发展的关键因素之一，如果我们还坚持传统的能源利用方式，不能使资源有效地循环利用，就会使社会的整个资源环境加剧恶化，并且造成能源的快速枯竭。据可靠资料，我国工业能源的消耗在总体成本中占有较多的份额，而能源的有效使用率仅仅有三成左右，成本支出比欧洲发达国家高出很多，所以考虑到经济效益，节能设备的推广是势在必行的一大举措。长期以来，我国钢铁、有色、煤炭、建材、化工、纺织等行业余能没有得到充分利用，如钢铁企业的高炉煤气、转炉气，煤炭企业的焦炉煤气，各种窑炉的高温烟气，化工企业的化学反应热能，水泥企业水泥窑的低温余热大量放空，造成能源的严重浪费，同时也污染了环境[3]。

余热锅炉，是利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的显热或（和）其可燃物质燃烧后产生的热量的锅炉。余热锅炉将工业生产过程中产生的大量余热能源进行二次利用，可以在工业生产中大显身手，利用生产过程中的工艺余热产生高温高压蒸汽发电，是工业生产中节能减排、提高企业经济效益和社会效益的有效设备。余热锅炉的高压、高温过热蒸汽用来驱动大功率背压式汽轮机，以直接拖动大型机器，例如大型压缩机、大型泵和风机等[4]；中压蒸汽，一部分用在凝气式中压汽轮发电机发电，以供各种中小型机器和照明用，另一部分中压蒸汽可以供中压工艺蒸汽用，或者供中压蒸汽轮机直接拖动中型机器；而低压蒸汽作为低压工艺蒸汽和采暖用。这样一来既回收了余热，节约了原料蒸汽，又节省了燃料，使产品成本大大降低。因此余热锅炉在各行各业中均获得广泛应用。尤其是20世纪70年代以来，由于世界的能源逐渐短缺，而能源需要量则日渐增多，有些工业国家出现能源危机，因此节约能源的呼声甚高，节能措施和技术的研究者也日益增多。我国建设节约型社会，这方面的研究也在紧张进行当中。余热锅炉是节能工作中回收热能用得最普遍、最多的一种技术装备，因而对余热锅炉的研究和应用，将对能源节约起着极为重要的作用。

2 余热锅炉运行现况及存在的问题

2.1 余热锅炉炉壳的作用和要求

余热锅炉的炉壳是锅炉的隔绝外壳，起着绝热和密封的作用，形成烟气的通道，并构成了燃烧室和烟道等的外形。

（1）防漏作用。首先，炉壳应具有密封功能，防止正压运行的炉内烟气外泄，以免威胁现场作业人员的安全和影响环境卫生，同时防止负压运行时，外界的冷空气漏入炉膛和烟道，降低锅炉的经济效果。

（2）耐火保温。热量由高温向低温传递，为了防止热量从锅炉受热面向外散失，就需要对这些部件进行耐火保温，特别是炉膛温度比较高，直接敷设保温层是不可能的，必须先敷设耐火材料，必要时还要增加隔热层，然后再敷设保温层，才能减少锅炉的散热损失，提高锅炉的热效率，降低炉墙表面的温度，改善现场作业人员的劳动条件。

为了达到炉壳保温的要求，炉壳热力计算主要指标参见表1。

表1 炉壳热力计算主要指标

（3）组成烟气通道。炉壳和受热面有机结合，使烟气沿一定的通道流动，完成热交换 过程。

（4）一定的机械强度。锅炉运行中，炉壳将受到一系列机械的作用。炉内火焰的脉动会引起炉壳的振动。运行工况恶化产生的爆燃对炉壳是一个很大的破坏力。为此除要求炉壳材料须具有足够的强度外，还要求炉壳结构本身具有一定的机械强度。

2.2 常见余热锅炉炉壳设计

余热锅炉炉壳设计外护板直接通过空气自然冷却，由于余热锅炉烟温一般在1000℃以上，余热锅炉顶部炉壳为绝热式保温设计，一般分为三层：耐热层是炉壳的内层，受高温的直接作用；保温层是炉壳的中间层，起保温或绝热作用；密封层是炉壳的外层，起密封保护作用，实际结构为“耐火砖+耐火浇注料+密封板+保温棉”形式。以挂砖梁为骨架，耐火拉钩砖堆砌，然后辅以耐火浇注料填充。内保温做好以后，加装保温棉和密封外护板等保温材料，如图2所示。

2.3 余热锅炉运行中存在的问题

2.3.1 热效率低，存在安全隐患

锅炉炉壳长期承受燃烧室内火焰或高温烟气流的辐射和冲刷，在某些情况下，还可能有熔渣附在炉墙内壁上，所以炉墙内壁的温度是很高的。绝热式炉壳因为保温材料的绝热性能和施工工艺方面的问题，往往会出现超温现象，局部钢架、外护板处温度甚至高达200℃，造成热量损失，且易烫伤现场作业人员。

2.3.2 环保效果差，不易改进

目前国内余热锅炉运行时普遍存在密封性能差的问题。绝热式炉壳散发热量使周围空气形成热空气对流加热锅炉外护板造成锅炉整体外部温度升高，增加了热损失，同时，密封性能差造成烟气逸出，携带灰尘颗粒散播影响环境、运行安全和现场作业人员职业卫生健康。但是单纯地增加耐火浇注料的厚度势必会造成顶部炉壳钢架承重增加，运行中容易垮塌。灰尘中的金属离子能与工业生产中的SO2/SO3反应生产酸，酸腐蚀留下锈垢形成粘结性积灰。锅炉炉顶是最薄弱的环节，密封不妥的余热锅炉长期运行时炉顶积灰严重，可增加锅炉本体荷重，给余热锅炉运行带来严重的安全隐患。

3 余热锅炉顶部炉壳密封装置设计改造

为解决常见余热锅炉顶部炉壳运行中存在的问题，使余热锅炉的节能环保效果最优化，本文介绍了一种有效可行的密封装置。该装置通过密封保护顶部炉壳，利用风机带走顶部炉墙的热量，从而使其在不影响余热锅炉正常运行的前提下，更节能、环保和安全。余热锅炉顶部炉壳密封装置示意图如图3、图4所示，通过在炉壳的挂砖梁上增加密封保护板，利用顶部炉壳本身作为风道，周围冷空气作为冷却介质在流经顶部炉壳时带走其散热，利用轴流风机作抽风动力，将此部分热风鼓入本身为负压状态的稳压站。根据现场的空间局限性，可以将轴流风机加在热风段，即将轴流风机加装在密封保护装置的出口，如图3中的方案一，也可以将轴流风机加在冷风段，即加装在密封保护装置的进口，如图4中的方案二。方案一中，将轴流风机加在热风段，实际密封装置中为微负压状态，对密封装置的密封要求低，现场环境易于得到改善。方案二中，将轴流风机加在冷风段，实际密封装置中为微正压状态，密封装置的密封不严实，现场环境卫生不能得到有效改善。所以方案一是优选方案。

从经济成本和安全运行两方面综合考虑，密封保护装置宜采用轻质钢板焊接，并采用微拱形结构。轻质钢板物美价廉，易于制作成形和现场焊接，同时，密封保护装置并没有增加余热锅炉本体太大的荷重。采用拱形结构，使余热锅炉顶部不易积灰。

4 密封保护装置效果

经过设计改造，在用的余热锅炉在节能、环保、安全方面都能得到改善。同时，也可以给锅炉设计制作单位提供一些设计思路，有利于余热锅炉在工业生产各个行业的推广。

4.1 实现三次节能

因为进口烟温温度比较高，目前，国内外对于余热锅炉密封装置的研究主要集中在进料方面，而对烟温利用之后能源三次利用的密封和节能很少涉及。因为余热锅炉产生的蒸汽温度、流量受工况影响变化，用稳压站能实现蒸汽温度和流量的稳定。余热锅炉收集的热风可以送到稳压站，提供了空气的温度和热能，强化了燃烧和传热，达到了节能的目的。余热锅炉炉顶改造前、后相关性能指标比较见表2。

表2 改造前、后相关性能指标比较

4.2 改善现场环境卫生和职业安全健康

余热锅炉的现场，给大家的印象往往是脏乱差，炉内的高温烟尘往往含有硫等严重损害身体健康的物质和成分。经过改造，炉内高温有害烟气不再溢出，现场环境卫生得到改观，现场作业人员不会因为高温烟尘而危害职业健康。

4.3 现场作业人员烫伤危险得到解决

余热锅炉属于高温高压类特种设备，其运行的一个重大安全隐患就是烫伤。新的密封保护装置给锅炉新增了一个保护罩，通过实测，外壳温度能降低10℃左右，保证了现场作业人员的人身安全，杜绝了现场作业人员的烫伤安全隐患。

4.4 解决了积灰影响锅炉本体安全的隐患

余热锅炉顶部往往积灰严重，密封不妥的余热锅炉可增加锅炉本体荷重数吨甚至十几吨，钢梁承重负荷增加，如超出设计范围，甚至带来垮塌的风险[5]。改造后，增加的密封保护装置为轻型，荷重没有明显增加，顶部的积灰现象得到改善，钢梁的承重负荷得到改观，能保证在设计范围内消除余热锅炉钢结构垮塌的风险。

5 结语

余热锅炉常见炉壳设计外护板直接通过空气自然冷却，实际运行中其效果不能满足我们对余热锅炉本身经济性、密封性以及安全性等方面的要求。新型的顶部炉壳密封保护装置弥补了其不足，将顶部炉壳密封并使用轴流风机吸收周围冷空气强制冷却炉壳，不仅减少了炉壳散热损失、保护了炉壳本身安全，也完全避免了运行现场作业人员在此处作业时的烫伤危险，并且提高了炉墙密封性，降低了锅炉泄漏风险和维保人员的清扫工作量。实现了热效率的提高，消除了安全隐患，达到节能、环保的目的。