H 型省煤器在工业锅炉中的应用

郭瑞倩

（哈尔滨汇焓科技有限公司， 黑龙江 哈尔滨 150000）

引言

工业锅炉脱硝除了采用控制煤的燃烧过程[1]外，大多采用SCR 催化还原法。SCR 对烟气温度要求通常在570～720 K[2]，一般位于对流管束后、省煤器前。催化剂布置一般布一备一[3]，气体均流格栅、两层催化剂和检修空间需预留出7～9 m 左右的空间，省煤器、空气预热器及检修空间高度被压缩，受热面布置受限，锅炉排烟温度过高。若将受热面布置于操作平台下，同时需考虑基础、钢架及烟风道的布置，工程量增大，技术经济型差。因此需要考虑合理布置受热面，同时满足空间及排烟温度要求。

1 锅炉房架构

某热源的锅炉房为已建好锅炉房，锅炉房内净利用高度为21.2 m，锅炉基准面及操作平台均在7 m 平面。锅炉前后近身方向锅炉空间柱中心线距离为21 m，大柱截面为1 000 mm×500 mm，小柱截面为700 mm×500 mm。锅炉房四周大柱中心线均为6 m，更衣室及办公室宽度均为6 m，锅炉前上空煤斗长度空间为6 m，炉前宽度方向锅炉房大柱中心线为12 m。预留的锅炉炉位空间为21 m×12 m×21.2 m。

2 H 型省煤器结构特点

H 型省煤器管属于扩展式受热面，相当于在钢管省煤器管外焊接薄肋片，起到增加外部换热面积的一种换热部件。H 型省煤器可分为双肋片结构和单肋片结构，双肋片结构是纵向两根直段光管与肋片一同进行焊接，单肋片结构为单根光管与肋片焊接。常用管径尺寸为Φ32 mm、Φ38 mm、Φ42 mm、Φ51 mm；肋片一般采用厚度为3 mm 耐腐蚀能力强的酸洗碳钢。双肋片结构的肋片高度一般为管纵向节距的2 倍，宽度一般与管径尺寸相近。一般管内为工质，管外为烟气，工质与烟气之间的换热方式属于间壁式换热。

H 型省煤器的传热过程较复杂，烟气冲刷外表面，与管内工质的换热过程包含传热过程的多种换热方式：烟气与管外壁之间的对流换热、管外壁至内壁的导热过程和管内壁与工质的对流换热过程；整体换热过程包括以下几个换热步骤:烟气与肋片之间的对流换热过程、肋片本身的导热过程、肋片与管外壁的导热过程、管外壁至管内壁的导热过程、管内壁与工质的对流换热过程。总的来说，导热是在传热过程中起着更重要的作用[4]。H 型省煤器传热系数计算不同于烟气横向冲刷光管管束。经计算发现，H 型省煤器的传热系数较光管省煤器传热系数小，但是由于H型省煤器的换热面积远大于同体积下的光管省煤器换热面积，总换热量较光管省煤器大，弥补了传热计算中传热系数小的不足。

H 型省煤器由于有肋片的存在，积灰现象比钢管省煤器略好。杨大哲曾以Fluent 软件对H 型省煤器进行模拟，得出管外流场矢量图，指出H 省煤器的鳍片对气流有均流作用[5]。管外的气流沿鳍片间的空隙向下横向冲刷管子，扰动的气流对管子背风面起到一定的冲刷作用，减轻了积灰。正由于H 型省煤器有如此多的优点，其应用的范围也不仅限于在电站锅炉，工业锅炉的应用也越来越广泛。

3 锅炉受热面设计

某热力公司因风机及泵等设备用电量大，拟新建一台新蒸汽锅炉，用于自发电自用，锅炉蒸发量按140 t/h 计算，锅炉型号为SHW140-1.6/300-H 过热蒸汽锅炉。锅炉房为已有锅炉房，锅炉房内仅剩一台锅炉炉位可以利用，炉前炉后位置同时需要避开锅炉房柱子、结构梁以及进出水管。按可利用空间柱距为21 m×12 m，锅炉结构需预留出SCR 脱硝空间。脱硝空间按两层催化剂考虑，从锅炉对流管束出口，均流格栅开始，尾部烟道需空出9 m 左右空间。

按锅炉房高度设计锅炉钢架，最大限度地利用锅炉房内空间。设计锅炉钢架柱高度为19.26 m，加炉排前小柱，共设计16 根钢柱，8 根钢柱左右对称。锅筒两侧立柱柱距为3.24 m，尾部烟道柱距为3.23 m。根据以前经验设计，在对流管束出口烟气温度大约在200～300 ℃。该温度区间不能满足SCR 催化剂脱硝的温度区间300～450 ℃要求.因此需重新布置对流受热面，适当减少对流管束面积，将对流管束出口烟温区间调整至SCR 脱硝区间要求。

锅筒对流管束出口位置约在上锅筒下表面。为了增加尾部高度空间，考虑将对流管束出口向高处挪，将锅筒侧面的吊耳用浇筑覆盖，防止吊耳过热影响吊挂强度。将对流管束出口向上平移后，原尾部高度空间增加将近1.3 m，可布置受热面空间增加。预留SCR脱硝空间后，尾部受热面可用总空间为8 m 左右。由于蒸汽锅炉回水温度高，104 ℃，因此尾部受热面必须有空预器参与换热。

由于锅炉实际运行并非一直保持满负荷运行，有欠满负荷运行时间，此时对流管束出口烟温同时也必须保证在催化剂要求的温度空间内。因此在设计计算锅炉热力计算时，对流管束出口烟温设计值应比催化剂最低要求温度高一定比例，至少满足锅炉在60%负荷运行的时候，温度区间任然满足脱硝温度。

对尾部受热面方案进行优化设计，将尾部受热面的布置方案进行对比计算，通过实际数据对比分析H型省煤器的优势。

1）尾部受热面方案一：受热面布置采用钢管省煤器和空气预热器组合。按对流管束出口烟温为400 ℃左右计算对流管束受热面。尾部布置钢管省煤器及空气预热器。经计算在排烟温度为137 ℃时，钢管省煤器需分三级布置，每级纵向管排数为16 排，省煤器直管长4.8 m，每级换热面积为752.35 m2，进水温度为104 ℃，下级省煤器出口水温为120.7 ℃，中级省煤器出口水温为144.9 ℃，上级省煤器出口水温为180.3 ℃；上中下三级省煤器平均烟气流速为7.29 m/s、6.44 m/s、6.44 m/s。空气预热器管选择Φ40 mm×1.5 mm 的高耐候钢管，管长为1.6 m，平均烟气流速为11.4 m/s，平均空气流速为8 m/s，管内水速约为0.93 m/s。经估算，单省煤器管总质量约60 t。按计算的受热面在尾部竖井布置，单级省煤器高度为1.35 m，三级省煤器总高度为1.35×3=4.05 m，空预器管长为1.6 m，单受热面需要的净空间为5.65 m。三级省煤器、空预器及空预器出口烟道需预留出4 个检修空间。现不计算空气预热器膨胀节等部件，每个检修空间平均高度仅为0.5 m左右，高度太低，根本不能满足每个受热面检修清灰的空间要求。另可以在空预器下方基础平面打孔，打出烟道走向孔，空预器坐落在基础钢架柱脚处。此方案虽然检修空间大一些，但是对于空预器管内清灰同样不够。同时烟道连至操作平台下方，烟道还需重新连至操作平台上的总烟道，总投入增加，技术经济型差。

2）尾部受热面方案二：受热面布置采用H 型省煤器和空气预热器组合。H 型省煤器在计算换热面积时，肋片两个平面及厚度方向的侧面需同时计算在内。设计H 型省煤器横向布置。单管长度为4 m，管弯头处于烟道外，面积不计算在内，同时避免了弯头的磨损。经计算在排烟温度为142 ℃时，H 型省煤器需只需两级布置，上级及下级纵向管排数分别为14 排、12 排，两级换热面积分别为1 824 m2、1 564 m2，进水温度为104℃，下级省煤器出口水温为130.6 ℃，上级省煤器出口水温为184.9 ℃；上下级省煤器平均烟气流速为8.34 m/s、7.05 m/s。空气预热器管选择Φ50×1.5 mm 的高耐候钢管，管长为1.8 m，平均烟气流速为11.6 m/s，平均空气流速为9.6 m/s。考虑到实际运行时，省煤器出口集箱位置可能压力与计算值有差异，因此考虑提高省煤器管内水流速，防止管内水温在实际水压力下达到饱和或产生气泡而导致传热恶化。估算后的H 型省煤器管总重约49 t。按计算的受热面在尾部竖井布置，两级省煤器高度分别为1.284 m、1.1 m，两级省煤器总高度为2.384 m，空预器管长为1.8 m，单受热面需要的净空间约为4 m。两级省煤器、空预器及空预器出口烟道需预留出3 个检修空间，每个检修空间平均高度为1.3 m 左右，高度足够，完全可以满足每个受热面检修清灰的空间要求。

3）计算结果分析。H 型省煤器较钢管省煤器方案减少了一级，单管子总重H 型省煤器仅为49 t 左右，而钢管省煤器管子达到了60 t 左右，同时H 型省煤器较三级钢管省煤器减少了两个中间集箱；H 型省煤器需要的支撑钢梁也较三级钢管省煤器少，由此可见H 型省煤器在满足受热面面积的前提下，所需材料量更小，技术经济性更优。H 型省煤器由于特殊的肋片排列结构，自然的将烟气分成了多个平行烟道，与整流格栅起到相似作用，锅炉横向方向烟气冲刷均匀，不存在烟气走廊，因此H 型省煤器管还具有一定耐磨损的优点。

4 结论

由于环保对锅炉烟气的要求越来越严格，工业新建锅炉及改造锅炉的SCR 脱硝空间必须提前预留。H 型省煤器具有扩展表面积大、耐磨损、不易积灰等优点，与空气预热器等换热部件合理布置，技术经济性更好，在工业锅炉范围也开始了广泛的应用。