余熱鍋爐頂部爐殼的密封保護裝置研究與應用

廖建良，談春華，何英杰，阮興龍

湖南省特種設備檢驗檢測研究院，湖南長沙，410117

0 引言

余熱鍋爐和傳統鍋爐不同之處在于其體內不發生燃燒反應過程，其本質上僅是一種換熱器，既節能又環保，利用高溫煙氣、化學反應過程、可燃氣體和高溫產品中含有的多余熱量通過換熱器將給水加熱從而產生低、中或高壓的水和蒸汽，用于自身工藝流程、進入輸配管網供熱或向汽輪機等裝置提供做功工質[1]。因此余熱鍋爐在冶煉、水泥生產等行業得到了廣泛的應用，在所應用的工業生產中因其做到將燃料燃燒的余熱實現了最大回收和充分利用，節約了資源還帶來了可觀的經濟價值。雖然余熱鍋爐在生產中發揮著節能環保的作用，但目前在用的余熱鍋爐頂部爐殼依然有熱效率低和環保效果不理想的情況[2]。對此，本文詳細分析了一種余熱鍋爐頂部爐殼的密封保護裝置，可有效解決現存問題，使余熱鍋爐的節能環保效果最優化。

1 余熱鍋爐概況

節能是一個國家能夠可持續發展的關鍵因素之一，如果我們還堅持傳統的能源利用方式，不能使資源有效地循環利用，就會使社會的整個資源環境加劇惡化，并且造成能源的快速枯竭。據可靠資料，我國工業能源的消耗在總體成本中占有較多的份額，而能源的有效使用率僅僅有三成左右，成本支出比歐洲發達國家高出很多，所以考慮到經濟效益，節能設備的推廣是勢在必行的一大舉措。長期以來，我國鋼鐵、有色、煤炭、建材、化工、紡織等行業余能沒有得到充分利用，如鋼鐵企業的高爐煤氣、轉爐氣，煤炭企業的焦爐煤氣，各種窯爐的高溫煙氣，化工企業的化學反應熱能，水泥企業水泥窯的低溫余熱大量放空，造成能源的嚴重浪費，同時也污染了環境[3]。

余熱鍋爐，是利用各種工業過程中的廢氣、廢料或廢液中的顯熱或（和）其可燃物質燃燒后產生的熱量的鍋爐。余熱鍋爐將工業生產過程中產生的大量余熱能源進行二次利用，可以在工業生產中大顯身手，利用生產過程中的工藝余熱產生高溫高壓蒸汽發電，是工業生產中節能減排、提高企業經濟效益和社會效益的有效設備。余熱鍋爐的高壓、高溫過熱蒸汽用來驅動大功率背壓式汽輪機，以直接拖動大型機器，例如大型壓縮機、大型泵和風機等[4]；中壓蒸汽，一部分用在凝氣式中壓汽輪發電機發電，以供各種中小型機器和照明用，另一部分中壓蒸汽可以供中壓工藝蒸汽用，或者供中壓蒸汽輪機直接拖動中型機器；而低壓蒸汽作為低壓工藝蒸汽和采暖用。這樣一來既回收了余熱，節約了原料蒸汽，又節省了燃料，使產品成本大大降低。因此余熱鍋爐在各行各業中均獲得廣泛應用。尤其是20世紀70年代以來，由于世界的能源逐漸短缺，而能源需要量則日漸增多，有些工業國家出現能源危機，因此節約能源的呼聲甚高，節能措施和技術的研究者也日益增多。我國建設節約型社會，這方面的研究也在緊張進行當中。余熱鍋爐是節能工作中回收熱能用得最普遍、最多的一種技術裝備，因而對余熱鍋爐的研究和應用，將對能源節約起著極為重要的作用。

2 余熱鍋爐運行現況及存在的問題

2.1 余熱鍋爐爐殼的作用和要求

余熱鍋爐的爐殼是鍋爐的隔絕外殼，起著絕熱和密封的作用，形成煙氣的通道，并構成了燃燒室和煙道等的外形。

（1）防漏作用。首先，爐殼應具有密封功能，防止正壓運行的爐內煙氣外泄，以免威脅現場作業人員的安全和影響環境衛生，同時防止負壓運行時，外界的冷空氣漏入爐膛和煙道，降低鍋爐的經濟效果。

（2）耐火保溫。熱量由高溫向低溫傳遞，為了防止熱量從鍋爐受熱面向外散失，就需要對這些部件進行耐火保溫，特別是爐膛溫度比較高，直接敷設保溫層是不可能的，必須先敷設耐火材料，必要時還要增加隔熱層，然后再敷設保溫層，才能減少鍋爐的散熱損失，提高鍋爐的熱效率，降低爐墻表面的溫度，改善現場作業人員的勞動條件。

為了達到爐殼保溫的要求，爐殼熱力計算主要指標參見表1。

表1 爐殼熱力計算主要指標

（3）組成煙氣通道。爐殼和受熱面有機結合，使煙氣沿一定的通道流動，完成熱交換 過程。

（4）一定的機械強度。鍋爐運行中，爐殼將受到一系列機械的作用。爐內火焰的脈動會引起爐殼的振動。運行工況惡化產生的爆燃對爐殼是一個很大的破壞力。為此除要求爐殼材料須具有足夠的強度外，還要求爐殼結構本身具有一定的機械強度。

2.2 常見余熱鍋爐爐殼設計

余熱鍋爐爐殼設計外護板直接通過空氣自然冷卻，由于余熱鍋爐煙溫一般在1000℃以上，余熱鍋爐頂部爐殼為絕熱式保溫設計，一般分為三層：耐熱層是爐殼的內層，受高溫的直接作用；保溫層是爐殼的中間層，起保溫或絕熱作用；密封層是爐殼的外層，起密封保護作用，實際結構為“耐火磚+耐火澆注料+密封板+保溫棉”形式。以掛磚梁為骨架，耐火拉鉤磚堆砌，然后輔以耐火澆注料填充。內保溫做好以后，加裝保溫棉和密封外護板等保溫材料，如圖2所示。

2.3 余熱鍋爐運行中存在的問題

2.3.1 熱效率低，存在安全隱患

鍋爐爐殼長期承受燃燒室內火焰或高溫煙氣流的輻射和沖刷，在某些情況下，還可能有熔渣附在爐墻內壁上，所以爐墻內壁的溫度是很高的。絕熱式爐殼因為保溫材料的絕熱性能和施工工藝方面的問題，往往會出現超溫現象，局部鋼架、外護板處溫度甚至高達200℃，造成熱量損失，且易燙傷現場作業人員。

2.3.2 環保效果差，不易改進

目前國內余熱鍋爐運行時普遍存在密封性能差的問題。絕熱式爐殼散發熱量使周圍空氣形成熱空氣對流加熱鍋爐外護板造成鍋爐整體外部溫度升高，增加了熱損失，同時，密封性能差造成煙氣逸出，攜帶灰塵顆粒散播影響環境、運行安全和現場作業人員職業衛生健康。但是單純地增加耐火澆注料的厚度勢必會造成頂部爐殼鋼架承重增加，運行中容易垮塌?；覊m中的金屬離子能與工業生產中的SO2/SO3反應生產酸，酸腐蝕留下銹垢形成粘結性積灰。鍋爐爐頂是最薄弱的環節，密封不妥的余熱鍋爐長期運行時爐頂積灰嚴重，可增加鍋爐本體荷重，給余熱鍋爐運行帶來嚴重的安全隱患。

3 余熱鍋爐頂部爐殼密封裝置設計改造

為解決常見余熱鍋爐頂部爐殼運行中存在的問題，使余熱鍋爐的節能環保效果最優化，本文介紹了一種有效可行的密封裝置。該裝置通過密封保護頂部爐殼，利用風機帶走頂部爐墻的熱量，從而使其在不影響余熱鍋爐正常運行的前提下，更節能、環保和安全。余熱鍋爐頂部爐殼密封裝置示意圖如圖3、圖4所示，通過在爐殼的掛磚梁上增加密封保護板，利用頂部爐殼本身作為風道，周圍冷空氣作為冷卻介質在流經頂部爐殼時帶走其散熱，利用軸流風機作抽風動力，將此部分熱風鼓入本身為負壓狀態的穩壓站。根據現場的空間局限性，可以將軸流風機加在熱風段，即將軸流風機加裝在密封保護裝置的出口，如圖3中的方案一，也可以將軸流風機加在冷風段，即加裝在密封保護裝置的進口，如圖4中的方案二。方案一中，將軸流風機加在熱風段，實際密封裝置中為微負壓狀態，對密封裝置的密封要求低，現場環境易于得到改善。方案二中，將軸流風機加在冷風段，實際密封裝置中為微正壓狀態，密封裝置的密封不嚴實，現場環境衛生不能得到有效改善。所以方案一是優選方案。

從經濟成本和安全運行兩方面綜合考慮，密封保護裝置宜采用輕質鋼板焊接，并采用微拱形結構。輕質鋼板物美價廉，易于制作成形和現場焊接，同時，密封保護裝置并沒有增加余熱鍋爐本體太大的荷重。采用拱形結構，使余熱鍋爐頂部不易積灰。

4 密封保護裝置效果

經過設計改造，在用的余熱鍋爐在節能、環保、安全方面都能得到改善。同時，也可以給鍋爐設計制作單位提供一些設計思路，有利于余熱鍋爐在工業生產各個行業的推廣。

4.1 實現三次節能

因為進口煙溫溫度比較高，目前，國內外對于余熱鍋爐密封裝置的研究主要集中在進料方面，而對煙溫利用之后能源三次利用的密封和節能很少涉及。因為余熱鍋爐產生的蒸汽溫度、流量受工況影響變化，用穩壓站能實現蒸汽溫度和流量的穩定。余熱鍋爐收集的熱風可以送到穩壓站，提供了空氣的溫度和熱能，強化了燃燒和傳熱，達到了節能的目的。余熱鍋爐爐頂改造前、后相關性能指標比較見表2。

表2 改造前、后相關性能指標比較

4.2 改善現場環境衛生和職業安全健康

余熱鍋爐的現場，給大家的印象往往是臟亂差，爐內的高溫煙塵往往含有硫等嚴重損害身體健康的物質和成分。經過改造，爐內高溫有害煙氣不再溢出，現場環境衛生得到改觀，現場作業人員不會因為高溫煙塵而危害職業健康。

4.3 現場作業人員燙傷危險得到解決

余熱鍋爐屬于高溫高壓類特種設備，其運行的一個重大安全隱患就是燙傷。新的密封保護裝置給鍋爐新增了一個保護罩，通過實測，外殼溫度能降低10℃左右，保證了現場作業人員的人身安全，杜絕了現場作業人員的燙傷安全隱患。

4.4 解決了積灰影響鍋爐本體安全的隱患

余熱鍋爐頂部往往積灰嚴重，密封不妥的余熱鍋爐可增加鍋爐本體荷重數噸甚至十幾噸，鋼梁承重負荷增加，如超出設計范圍，甚至帶來垮塌的風險[5]。改造后，增加的密封保護裝置為輕型，荷重沒有明顯增加，頂部的積灰現象得到改善，鋼梁的承重負荷得到改觀，能保證在設計范圍內消除余熱鍋爐鋼結構垮塌的風險。

5 結語

余熱鍋爐常見爐殼設計外護板直接通過空氣自然冷卻，實際運行中其效果不能滿足我們對余熱鍋爐本身經濟性、密封性以及安全性等方面的要求。新型的頂部爐殼密封保護裝置彌補了其不足，將頂部爐殼密封并使用軸流風機吸收周圍冷空氣強制冷卻爐殼，不僅減少了爐殼散熱損失、保護了爐殼本身安全，也完全避免了運行現場作業人員在此處作業時的燙傷危險，并且提高了爐墻密封性，降低了鍋爐泄漏風險和維保人員的清掃工作量。實現了熱效率的提高，消除了安全隱患，達到節能、環保的目的。