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前言
    隨著世界經(jīng)濟(jì)的逐漸復(fù)蘇，循環(huán)經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，節(jié)能減排，提高效益，改善環(huán)境已越來(lái)越成為人們的共識(shí)。我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了汽車(chē)輪胎添加劑的碳黑生產(chǎn)的快速發(fā)展。人們?cè)诰C合利用產(chǎn)量巨大、并通常作為廢氣對(duì)空排放掉的碳黑生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品一碳黑尾氣做了很多工作，而把碳黑尾氣用作鍋爐的燃料，變廢為寶，既節(jié)約大量能源，又解決尾氣排放造成的環(huán)境污染問(wèn)題，日益成為人們的一種選擇。但是，碳黑尾氣所具有的可燃成份較少、濕含量高、發(fā)熱值很低、著火溫度較高、理論燃燒溫度較低、燃燒時(shí)火焰短、火焰中心溫度低、化學(xué)反應(yīng)速度慢、不易回火、但易脫火，尾氣成份也相對(duì)復(fù)雜，除含有苯、奈等易結(jié)晶物質(zhì)外，還含腐蝕性較強(qiáng)的S02氣體及產(chǎn)出量不穩(wěn)定等特點(diǎn)，這些，都是在開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)西北某化工公司一臺(tái)35t/h碳黑尾氣鍋爐時(shí)必須考慮和解決的問(wèn)題。
1、鍋爐主要技術(shù)規(guī)范
1.1鍋爐主要參數(shù)
1.2鍋爐設(shè)計(jì)燃料特性
  鍋爐設(shè)計(jì)燃料為碳黑尾氣，其元素分析和工業(yè)分析值如下：
2、鍋爐設(shè)計(jì)方案的選擇和確定
2.1鍋爐設(shè)計(jì)方案的選擇
    根據(jù)業(yè)主對(duì)鍋爐參數(shù)的要求及本公司鍋爐設(shè)計(jì)程序的規(guī)定，在詳細(xì)分析了碳黑尾氣特性的基礎(chǔ)上，參考、吸取本公司豐富的低熱值燃?xì)忮仩t的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們分別提出了兩種鍋爐總體布置設(shè)計(jì)方案進(jìn)行客觀、科學(xué)的比較。
    圖1所示的總體布置設(shè)計(jì)方案一，主要由于擔(dān)心燃燒低熱值的碳黑尾氣時(shí)，爐膛蒸發(fā)受熱面不足，采用了雙鍋筒的結(jié)構(gòu)型式，用對(duì)流管束來(lái)增加蒸發(fā)受熱面，以保證鍋爐出力。
    這樣，就帶來(lái)幾個(gè)問(wèn)題：①鍋筒在爐膛后、尾部受熱面前，無(wú)論采用集中下降管還是分散下降管，勢(shì)必增加鍋筒的長(zhǎng)度，也就是增加了鍋筒的重量；②上、下鍋筒和密集對(duì)流管束的布置，一方面增加了鍋爐本體的重量，增加了鍋爐鋼架的負(fù)荷，無(wú)形中增加了設(shè)備的投資費(fèi)用；另一方面管束間的節(jié)距教小，管子數(shù)量多，如采用焊接，不僅要考慮焊接變形，還要考慮無(wú)損探傷問(wèn)題且焊接工作量大、技術(shù)難度高；如采用脹接，管端需現(xiàn)場(chǎng)退火，并經(jīng)多次脹接才能水壓合格，使用壽命也短；③鍋爐投入運(yùn)行后，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)流管束的檢修位置小，檢修困難，一般只能采用堵管的方法來(lái)處理，富通新能源銷(xiāo)售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
    圖2所示的總體布置設(shè)計(jì)方案二．主要為單鍋筒、集中下降管的結(jié)構(gòu)型式，是考慮到業(yè)主要求提供的鍋爐為中溫中壓參數(shù)，相比低參數(shù)鍋爐，過(guò)熱和預(yù)熱所占比例增加，分別達(dá)到18.44%、23,13%．汽化熱（即蒸發(fā)比例）所占比例則下降到58.43%．而在爐膛中設(shè)置的膜式水冷壁可吸收很多熱，它所吸收的熱基本上已能滿(mǎn)足汽化熱的要求，因此，除了在爐膛出口設(shè)置有幾排凝渣管外，和低參數(shù)鍋爐相比，不需要更多的對(duì)流受熱面。而且，為充分利用中溫中壓參數(shù)鍋爐水的汽化潛熱大的特點(diǎn)，方案還采用了沸騰式省煤器；上級(jí)省煤器中，水的流速≥1 m/s，沸騰度（即已汽化部分的百分?jǐn)?shù)）≤20%，不僅能充分消除可能由于給水受熱后水中氣體的溶解度下降，引起水中未除氧或未除盡氧氣析出，附在管內(nèi)壁腐蝕管壁或蒸汽停留在管壁上發(fā)生汽水分層惡化傳熱引起管壁過(guò)熱現(xiàn)象，還可增加蒸發(fā)受熱面的吸熱量，有效地保證了鍋爐出力。
    經(jīng)過(guò)反復(fù)論證、比較、綜合評(píng)估上述兩種鍋爐總體布置設(shè)計(jì)方案，我們選擇了總體布置設(shè)計(jì)方案二，認(rèn)為該設(shè)計(jì)方案既能保證鍋爐參數(shù)、性能，結(jié)構(gòu)又相對(duì)簡(jiǎn)單、金屬重量輕、施工、維修方便，具有較高的性?xún)r(jià)比。
3、鍋爐結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)
3.1整體布置介紹
鍋爐為單鍋筒、自然循環(huán)水管鍋爐，鍋筒中心標(biāo)高18 200 mm。鍋爐整體按前吊后支，“兀”型布置；爐膛為4370 mm×4370 mm正方形全膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，分上、下兩部分，下部為絕熱式燃燒、穩(wěn)燃的燃燒器區(qū)域，膜式水冷壁外設(shè)有剛性梁，把整個(gè)水冷壁組成剛性吊筐式結(jié)構(gòu)；鍋爐構(gòu)架采用焊接鋼結(jié)構(gòu)，平臺(tái)為柵格結(jié)構(gòu)；鍋筒、水冷系統(tǒng)、過(guò)熱器全部懸吊于鍋爐頂板上；水循環(huán)回路采用集中下降管與分配管供水；由∮42×3.5 mm、材料為12CrlMoVC/CB5310鋼管組成的第二級(jí)（高溫）過(guò)熱器與由∮38×3.5 mm、材料為20/CB3087鋼管組
成的第一級(jí)（低溫）過(guò)熱器設(shè)置在凝渣管后的水平煙道中；尾部豎井從上到下按順序采用積木式結(jié)構(gòu)，布置有由∮32×4 mm、材料為20/CB3087鋼管組成的上級(jí)（高溫）省煤器、由∮40×1.5 mm、材料為Q235-A鋼管組成的上級(jí)（高溫）空氣預(yù)熱器、由∮32x4 mm、材料為20/CB3087鋼管組成的下級(jí)（低溫）省煤器和由∮40×1.5 mm、材料分別為Q235-A、09CrCuSb鋼管組成的下級(jí)（低溫）空氣預(yù)熱器，而下級(jí)（低溫）空氣預(yù)熱器下部支承在尾部鋼架上，以便檢修。
3.2燃燒系統(tǒng)
    從業(yè)主提供的碳黑尾氣成份可以看出，其可燃成份只有20.46%．濕含量高、低位發(fā)熱值僅有2 568.64t/Nm3，實(shí)際的著火溫度約在680C左右，理論燃燒溫度小于1100℃，且燃燒時(shí)火焰短，火焰中心溫度低，化學(xué)反應(yīng)速度慢，不易回火，易脫火，因而，著火和穩(wěn)燃是解決碳黑尾氣燃燒的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
    本鍋爐的燃燒系統(tǒng)較好的解決了碳黑尾氣的著火和穩(wěn)燃問(wèn)題。燃燒系統(tǒng)由四角布置的旋流式碳黑尾氣燃燒器和設(shè)置在燃燒器區(qū)域爐膛中心的空心、錐形圓柱蓄熱穩(wěn)燃裝置組成，見(jiàn)圖3。
    (1)進(jìn)入旋流式碳黑尾氣燃燒器中的熱空氣溫度為350℃，較高的熱風(fēng)溫度，有利于碳黑尾氣的著火和穩(wěn)燃。
    (2)旋流式碳黑尾氣燃燒器由具有豐富碳黑尾氣燃燒器設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)的江蘇某專(zhuān)業(yè)燃燒器制造公司設(shè)計(jì)與制造，在爐膛燃燒器區(qū)域呈正四角布置，形成切圓燃燒。其火焰假想切圓為大切圓，直徑為蓄熱穩(wěn)燃裝置的外圓。燃燒器正四角切園布置不僅可形成良好的空氣動(dòng)力場(chǎng)和均勻的溫度場(chǎng)，且大切圓燃燒時(shí)，四角火焰的頭部還可噴至另一火焰的根部，起相互支持的作用，火焰的高溫部位更接近于水冷壁，傳熱更強(qiáng)烈。這樣的設(shè)置有效地保證了燃燒碳黑尾氣所需的溫度場(chǎng)及燃燒T況，可使碳黑尾氣更早的著火，火焰更穩(wěn)定，燃燒更完全，還增加了水泠壁的吸熱量。同時(shí)，每臺(tái)碳黑尾氣燃燒器的中間均布置有焦?fàn)t煤氣點(diǎn)火管及自動(dòng)高能電子點(diǎn)火裝置和火焰檢測(cè)裝置，作為點(diǎn)火用，點(diǎn)火后即退出。
    (3)在燃燒器區(qū)域爐膛中心，設(shè)置有空心、錐形圓柱蓄熱穩(wěn)燃裝置。它由高強(qiáng)、高熱震穩(wěn)定性耐火異型磚砌筑而成、具有足夠的體積、極高的穩(wěn)定性。在點(diǎn)火初期，它吸收混合煤氣產(chǎn)生的熱量，溫度升高；在燃燒器區(qū)域形成一高溫溫度場(chǎng)，該溫度場(chǎng)強(qiáng)烈地加熱了碳黑尾氣混合氣，使之燃燒速度加快，燃盡時(shí)間縮短；火焰與空心、錐形圓柱蓄熱穩(wěn)燃裝置的相切，使該蓄熱穩(wěn)燃裝置的熱量能進(jìn)一步加熱未燃盡的混合氣，使之燃燒得更徹底、干凈。當(dāng)碳黑尾氣供應(yīng)波動(dòng)時(shí)，該蓄熱穩(wěn)燃裝置的放熱效應(yīng)使燃燒器區(qū)域的高溫溫度場(chǎng)仍然維持在很高的水平，保證了碳黑尾氣燃燒的穩(wěn)定性。
    本鍋爐的燃燒系統(tǒng)在鍋爐運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)等比例調(diào)節(jié)碳黑尾氣燃燒器出力的方法來(lái)適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的要求，且燃燒穩(wěn)定；即最低穩(wěn)燃負(fù)荷可達(dá)到50%的額定負(fù)荷，最高穩(wěn)燃負(fù)荷可達(dá)到額定負(fù)荷的110%以上。
33鍋爐的熱平衡與熱力計(jì)算概況
    按照《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算一標(biāo)準(zhǔn)方法》  （前蘇73版）．我們將鍋爐的熱平衡和鍋爐的熱力計(jì)算匯總列表如下：表l為鍋爐熱平衡計(jì)算匯總表，表2為鍋爐熱力計(jì)算匯總表。
    通過(guò)對(duì)以上計(jì)算結(jié)果的分析，說(shuō)明鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊、布置合理；各對(duì)流受熱面均采用了較高的煙氣流速和傳熱系數(shù)，有效提高了鍋爐受熱面的傳熱量；在燃用低熱值的碳黑尾氣時(shí)，具有較高的燃燒效率和熱效率，完全能滿(mǎn)足業(yè)主的要求。
4、本鍋爐的主要特點(diǎn)
    (1)鍋爐燃燒系統(tǒng)充分地吸取了本公司多年來(lái)在燃燒低熱值的高爐煤氣時(shí)的成功經(jīng)驗(yàn)，采用了本公司200520096906號(hào)《燃?xì)忮仩t蓄熱穩(wěn)燃裝置》專(zhuān)利技術(shù)，結(jié)構(gòu)成熟、布置合理、運(yùn)行可靠。
    (2)在爐膛出口處設(shè)置了折焰角，不僅強(qiáng)化了爐內(nèi)傳熱，有效地改善了爐內(nèi)高溫?zé)煔獾某錆M(mǎn)度和均勻性，而且折焰角處水冷壁轉(zhuǎn)角采用的三通結(jié)構(gòu)及汽水混合物進(jìn)入鼻區(qū)集箱采用的帶縮口直管深入鼻區(qū)集箱的結(jié)構(gòu)，達(dá)到了合理的流量分配。
    (3)爐膛采用的懸吊式拿膜式壁、敷管爐墻結(jié)構(gòu)，不僅大大減輕了爐墻的重量，降低了爐墻外表面的溫度，并使?fàn)t膛具有良好的傳熱特性和密封效果；同時(shí)，水平煙道轉(zhuǎn)向室采用的混凝土護(hù)板爐墻結(jié)構(gòu)，兩級(jí)省煤器爐墻兩側(cè)采用的耐火磚護(hù)板爐墻結(jié)構(gòu)，前后采用的耐火混凝土護(hù)板爐墻結(jié)構(gòu)，均嚴(yán)密地對(duì)各對(duì)流受熱面進(jìn)行了密封，降低了各對(duì)流受熱面的漏風(fēng)系數(shù)，有效地提高了鍋爐熱效率。
    (4)鍋筒內(nèi)部汽水分離裝置中，一次分離裝置采用了∮290mm的旋風(fēng)分離器，二次分離裝置則布置在鍋筒頂部，為呈“V”型的鋼絲網(wǎng)分離器和勻汽孔板，一、二次分離裝置的合理組合，確保鍋爐汽水品質(zhì)符合CB/T12145《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)要求。
    (5)在第一、二級(jí)過(guò)熱器間設(shè)置的給水噴水減溫裝置，具有不易泄漏、調(diào)溫能力大，反應(yīng)靈敏，自動(dòng)化程度高的顯著特點(diǎn)
    (6)下級(jí)（低溫）空氣預(yù)熱器下部受熱而采用了耐硫酸低溫腐蝕的09CrCuSb鋼，該鋼種主要的參考指標(biāo)(70℃50%H2S04溶液中浸泡24 h)，與碳鋼、不銹鋼耐腐蝕性能相比，耐硫酸低溫腐蝕性能得到大大的提高。
    (7)為克服一般機(jī)械式吹灰器難以清除附著在鍋爐受熱面上的碳黑等的缺點(diǎn)，鍋爐在對(duì)流受熱面間設(shè)置了能精確控制高壓蒸汽突爆，產(chǎn)生的脈沖激波具有波長(zhǎng)長(zhǎng)、振幅大、衰減慢、繞射與反射能力強(qiáng)、沒(méi)有死角等特點(diǎn)的汽爆式一蒸汽激波吹灰器，吹灰效果顯著提高。
5、結(jié)束語(yǔ)
    本文介紹的35t/h碳黑尾氣鍋爐，能高效、穩(wěn)定地燃燒低熱值的碳黑尾氣，變廢為寶，既節(jié)約能源，又改善r環(huán)境，且結(jié)構(gòu)成熟，安裝、運(yùn)行、調(diào)節(jié)方便，性能安全可靠，具有良好的社會(huì)綜合經(jīng)濟(jì)效益。