安連想 張合生 徐 祥 齊 波

(1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所)

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)可以實(shí)現(xiàn)燃煤的高效、清潔和多樣化利用，是21世紀(jì)主要的潔凈煤發(fā)電方式之一[1]。IGCC發(fā)電技術(shù)具有較高的供電效率，目前循環(huán)效率可達(dá)42%～45%，其中煤氣化后顯熱回收部分對(duì)供電效率的影響在4%～5%。廢熱鍋爐是顯熱回收利用中的關(guān)鍵設(shè)備。

主流煤氣化技術(shù)有氣流床氣化、流化床氣化和固定床氣化。針對(duì)我國(guó)儲(chǔ)量豐富的低階煤和高灰熔點(diǎn)、高灰分的煤，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所正在研發(fā)粉煤加壓密相輸運(yùn)床氣化技術(shù)，該技術(shù)具有煤種適應(yīng)性好、氣化方式靈活、可靠性和可用率高及易于大型化等特點(diǎn)，是國(guó)際上正在研發(fā)、示范的新一代煤氣化技術(shù)。輸運(yùn)床技術(shù)中(圖1)，煤中灰分則以飛灰形式隨高溫高壓煤氣進(jìn)入廢熱鍋爐，廢熱鍋爐中工藝氣體具有高溫、高壓、較高含灰量、強(qiáng)還原性及腐蝕性等特點(diǎn)。因此，對(duì)廢熱鍋爐的設(shè)計(jì)、制造提出了很高的要求。筆者針對(duì)輸運(yùn)床氣化中試裝置的廢熱鍋爐工藝條件，將廢熱鍋爐分成3段，整體采用立式結(jié)構(gòu)，進(jìn)行工藝計(jì)算和強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工藝流程

輸運(yùn)床氣化技術(shù)中(圖1)，通過(guò)煤進(jìn)料系統(tǒng)將粉煤加入氣化爐，粉煤與空氣或氧氣與蒸汽進(jìn)行氣化反應(yīng)生成工藝氣，其主要成分有H2、CH4、CO、CO2及N2等，灰分以飛灰形式隨高溫高壓煤氣進(jìn)入廢熱鍋爐，工藝氣溫度經(jīng)廢熱鍋爐需從950～1 050℃降至350℃左右，同時(shí)產(chǎn)生中壓蒸汽。工藝氣中的灰分經(jīng)顆?？刂葡到y(tǒng)移除，相對(duì)純凈的工藝氣經(jīng)脫硫工段，進(jìn)入下游工序。

圖1 輸運(yùn)床氣化技術(shù)流程框圖

此工藝的廢熱鍋爐需產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，以提高顯熱利用效率。將廢熱鍋爐分成3段，其中第一段為蒸發(fā)段，工藝氣溫度從1 050℃降至750℃；第二段為過(guò)熱段，工藝氣溫度從750℃降至420℃；第三段為蒸發(fā)段，工藝氣溫度從420℃降至350℃。其中第一、第二段之間可采用噴水激冷降溫的方式，以調(diào)節(jié)工藝氣溫度并減少堿金屬在換熱管中凝結(jié)。廢熱鍋爐工藝流程如圖2所示。

圖2 廢熱鍋爐工藝流程框圖

2 設(shè)備型式和結(jié)構(gòu)

針對(duì)輸運(yùn)床氣化中試裝置的廢熱鍋爐工藝條件，煤中灰分直接以飛灰形式隨高溫高壓煤氣進(jìn)入廢熱鍋爐，為考慮灰分的流動(dòng)性和廢熱鍋爐的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，廢熱鍋爐采用立式結(jié)構(gòu)型式(圖3)。

圖3 立式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(旋轉(zhuǎn)90°)

根據(jù)工藝需要將廢熱鍋爐分成3段：第一段為蒸發(fā)段，管板采用撓性薄管板結(jié)構(gòu)；第二段為過(guò)熱段，管板采用浮頭式與膨脹節(jié)聯(lián)合的結(jié)構(gòu)；第三段為蒸發(fā)段，管板采用撓性薄管板結(jié)構(gòu)。其中撓性薄管板結(jié)構(gòu)解決了管板熱應(yīng)力及管子和殼體膨脹差引起的應(yīng)力問(wèn)題。

對(duì)于高溫、高壓、高含塵量的工藝氣，采用火管結(jié)構(gòu)方式的廢熱鍋爐，關(guān)鍵是通過(guò)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制流速來(lái)防止管程結(jié)垢，以便管程流動(dòng)順暢。

自然循環(huán)系統(tǒng)中立式廢熱鍋爐不傾斜，水汽混合物由廢熱鍋爐頂部引出，對(duì)上管板結(jié)構(gòu)提出了特殊的要求，以防止飽和蒸汽滯留于上管板區(qū)域帶來(lái)問(wèn)題。

3 管板和換熱管連接處溫度場(chǎng)分布情況

換熱管高溫入口處的溫度難以準(zhǔn)確計(jì)算，此區(qū)域的換熱是集導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射于一體的換熱過(guò)程。在入口處加載溫度后，高溫工藝氣與保溫材料和保護(hù)管之間進(jìn)行導(dǎo)熱傳熱；氣體不斷向管內(nèi)流動(dòng)，與保護(hù)管進(jìn)行對(duì)流換熱，保護(hù)管與鋼管之間有一定的空隙，因此兩者之間又進(jìn)行輻射換熱。管板和換熱管連接處溫度場(chǎng)如圖4所示。

圖4 管板和換熱管連接處溫度場(chǎng)

通過(guò)分析溫度場(chǎng)可以得出：管板和換熱管兩者受壓元件的最高溫度值分別為346.58℃和328.47℃，為選材和應(yīng)力強(qiáng)度分析提供了依據(jù)。

4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度分析

4.1有限元分析模型

由于設(shè)備第二段采用膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)，筆者對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不再分析。第一段與第三段結(jié)構(gòu)型式一致，但第一段相比第三段工況條件更為苛刻，因此對(duì)第一段進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)力分析。此設(shè)備具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，采用全模型的八分之一結(jié)構(gòu)，分別對(duì)上、下管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度和應(yīng)力耦合場(chǎng)分析。此設(shè)備中管板為最關(guān)鍵部件，分析管板應(yīng)力時(shí)不考慮上升管和下降管對(duì)其局部的影響，廢熱鍋爐具體的設(shè)計(jì)條件為：

管板材料 15CrMoⅣ

換熱管材料 15CrMo

管程/殼程材料 15CrMoR /Q345R

管程/殼程設(shè)計(jì)壓力 3.3/ 4.5MPa

管程/殼程設(shè)計(jì)溫度 350/270℃

4.2單元選擇

輔助建模的殼單元類型采用shell57，進(jìn)行熱分析的體單元類型為solid70，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的體單元類型為solid45。上、下管板結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分結(jié)果分別如圖5、6所示。

圖5 上管板結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖6 下管板結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分示意圖

4.3邊界條件

力學(xué)邊界條件模型簡(jiǎn)化為在管箱端部施加軸向平衡面載荷F(MPa)。位移邊界條件是在直角坐標(biāo)系下，沿?fù)Q熱管的工藝氣進(jìn)口方向?yàn)閦軸正向，在xoz平面內(nèi)的y方向位移Δy=0，在yoz平面內(nèi)的x方向位移Δx=0，在設(shè)備中間處的z方向位移Δz=0，這樣也消除了結(jié)構(gòu)的剛體漂移。具體的邊界加載情況如圖7、8所示。

圖7 上管板結(jié)構(gòu)模型邊界加載示意圖

圖8 下管板結(jié)構(gòu)模型邊界加載示意圖

4.4載荷分析

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)不帶法蘭的管板的3種危險(xiǎn)工況(即：只有殼程設(shè)計(jì)壓力ps，而管程設(shè)計(jì)壓力pt=0，同時(shí)計(jì)入膨脹變形差；只有管程設(shè)計(jì)壓力pt，而殼程設(shè)計(jì)壓力ps=0，同時(shí)計(jì)入膨脹變形差；既有管程設(shè)計(jì)壓力pt，也有殼程設(shè)計(jì)壓力ps，同時(shí)計(jì)入膨脹變形差。)進(jìn)行耦合場(chǎng)分析。

4.5上管板應(yīng)力強(qiáng)度分析

第一種載荷工況(ps=4.5MPa，pt=0，同時(shí)計(jì)入膨脹變形差)時(shí)的應(yīng)力云圖如圖9所示，此時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)9 482，應(yīng)力值為Smax=387.8MPa。

圖9 第一種載荷工況應(yīng)力云圖

第二種載荷工況(ps=0，pt=3.3MPa，同時(shí)計(jì)入膨脹變形差)時(shí)的應(yīng)力云圖如圖10所示，此時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)9 482，應(yīng)力值為Smax=266.6MPa。

圖10 第二種載荷工況應(yīng)力云圖

第三種載荷工況(ps=4.5MPa，pt=3.3MPa，同時(shí)計(jì)入膨脹變形差)時(shí)的應(yīng)力云圖如圖11所示，此時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)9 482，應(yīng)力值為Smax=291.9MPa。

圖11 第三種載荷工況應(yīng)力云圖

4.6下管板應(yīng)力強(qiáng)度分析

下管板應(yīng)力強(qiáng)度分析過(guò)程與上管板應(yīng)力強(qiáng)度分析的思路是一致的，具體過(guò)程不再贅述，同樣也分為3種工況，其應(yīng)力最大值分別為：第一種載荷工況(ps=4.5MPa，pt=0，同時(shí)計(jì)入膨脹變形差)應(yīng)力最大值為Smax=391.7MPa；第二種載荷工況(ps=0，pt=3.3MPa，同時(shí)計(jì)入膨脹變形差)應(yīng)力最大值為Smax=235.3MPa；第三種載荷工況(ps=4.5MPa，pt=3.3MPa，同時(shí)計(jì)入膨脹變形差)應(yīng)力最大值為Smax=269.7MPa。

4.7強(qiáng)度評(píng)定

按照J(rèn)B 4732-1995對(duì)應(yīng)力進(jìn)行線性化處理[2]，由于計(jì)入膨脹變形差，所引起的應(yīng)力無(wú)論是薄膜應(yīng)力還是彎曲應(yīng)力，都屬于二次應(yīng)力范疇，只對(duì)最大應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定，依據(jù)為SⅣ<3Sm。具體的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

由以上應(yīng)力評(píng)定結(jié)果可得出：此設(shè)備上、下管板結(jié)構(gòu)在各自3種載荷工況下均滿足強(qiáng)度要求，此設(shè)備結(jié)構(gòu)是安全合理的。

5 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

第一段和第三段的總產(chǎn)汽量，即第二段的過(guò)熱蒸汽量，達(dá)到設(shè)計(jì)值(6t/h)要求；工藝氣出口溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值要求，工藝氣在第一段出口后，根據(jù)過(guò)熱汽量的變化由噴水激冷控制工藝氣進(jìn)入第二段的溫度，第三段出口溫度為350℃。以上數(shù)據(jù)雖然只是裝置試開(kāi)車的情況，但也為進(jìn)一步長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了安全保障。

6 結(jié)束語(yǔ)

廢熱鍋爐的有限元分析是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，從力學(xué)模型的簡(jiǎn)化、邊界條件的確定都需要深入研究，筆者介紹的只是其中的一種處理方法，優(yōu)點(diǎn)是所做的簡(jiǎn)化很少，缺點(diǎn)是模型計(jì)算量大。從分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來(lái)看，高溫含灰立式的廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)是安全合理的，并已獲得了中國(guó)專利。它的成功研發(fā)和安全運(yùn)行，有效地解決了高溫含灰氣體的余熱回收問(wèn)題，為類似設(shè)備的工業(yè)化和進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了參考。

[1] 徐祥.IGCC和聯(lián)產(chǎn)發(fā)展研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，2007.

[2] JB 4732-1995(2005年確認(rèn)) ，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：新華出版社，2005.