合成氨废热锅炉结构设计_李磊磊

图 7 支座结构
8 设备的强度计算
设备的整体计算是在全国化工设备设计技术中心开发的 SW6 V3.6 上进行的，利用该软件，分别对设备的管板、管箱、壳程 壳体、接管补强、接管载荷等进行了校核。满足设计要求。
于换热管更换和维修，同时使管束加工制作更容易，更安全可靠。
（2）内管外设保护套管，可在保护套管和内管间形成一个死
关键词：合成氨；废热锅炉；结构设计 【Abstract】The paper describes the importance of residual-heat utilization of chemical industry and waste heat boiler’s enormous potential in waste heat recovery.Meanwhile it introduces the structural char－ acteristics of high temperature and high pressure horiz waste heat boiler designed and manufactured in ac－ cordance with the domestic engineering standards.Combined with the special conditions of the waste heat boiler and the flow process in the waste heat boiler tube and shell,one-way corrugated pipe is set at tube entrance.And triple casing type heat transfer is adopted for the heat exchange tube,Ω type seal is applied for channel seal with variable spring bearing as support.Meanwhile low-carbon steel and stainless steel are applied according to each part of the operating temperature.Therefore it detailed analysis is made based on above aspects in order to provide the reference for similar equipment structure designing. Key words：Synthesis ammonia；Waste heat boiler；Structure design
3.5 腐蚀裕量
管壳程腐蚀裕量均为 3.0。
4 设备施工简图
设备设计完成后的施工简图，如图 2 所示。
其中，管程壳体公称直径：准1320mm；壳程前端筒体公称直
径 准1200mm；壳程后端筒体公称直径：准2000mm；外换热管规格
准45×3.5mm；内换热管规格 准22×2.5mm，支持板间距：900mm；设
前置废热锅炉在合成氨合成工段中的流程简图，如图 1 所示。
工业流程中，用于回收余热，在提高整体装置的热效率，减少环境
污染和满足某些工艺要求方面，起着十分重要的作用[3]。可见，进
一步加强对废热锅炉的设计研究，充分利用余热资源将会产生巨 大的经济效益和社会效益。氨合成反应热较大，在 450℃时每生 成 1mol 氨可放出 54.5kJ 的反应热，或相当于产生饱和蒸汽的
塔外热交换器
开工炉
氨合成塔
1.44t/tNH3 的热量[4]。近几年来，为了充分利用氨合成时放出的大 量反应热，将反应后的高温、高压气体从合成塔引入废热锅护，回
燃料气
蒸汽去转 化汽包
合成废锅
收其中的余热，产生蒸汽，作为动力和工艺用蒸汽，从而达到降低 生产成本的目的。
前置式废热锅炉作为合成氨工业废热回收利用的一种关键 装置，长期承受高温、高压及高温高压气体冲蚀等苛刻工艺条件。
6.3 材料选择
根据各部位操作温度的不同，使用了低碳钢、耐热钢不锈钢 等。可以看出，该设备从工况和材料使用方面相对复杂，结构典 型，有可借鉴的地方。
7 设备结构分析
7.1 合成气进口
合成气进口的典型结构，如图 3 所示。进气口直接将氨合成 塔内件中心管插入接管内，密封方式采用填料密封。填料采用耐 高温的编织碳纤维填料，压盖螺栓螺母采用 inconel601 并加蝶形 弹性垫片，以防止高温下螺栓螺母松弛。为协调进气管内外温差 引起的变形，进气处设置单层多波波纹管，以补偿管子与壳体间 的热膨胀差，使设备的热应力减少至允许的范围内，解决了高温 下的热应力和热膨胀问题。
中图分类号：TH16，TQ113.25+1，TK229.92+9 文献标识码：A
1 前言
据统计，化工行业产生的余热资源约占整个行业燃料消耗 量的 15%[1]。余热回收不仅可以带来能源方面的经济效益，还可以 减少环境污染。废热锅炉是利用工业生产过程中的余热来生产蒸 汽的重要设备，被广泛应用于煤气化工业、合成氨工业、乙烯、硫
Structure designing of waste heat boiler with synthesis ammonia
LI Lei-lei1，GUO Yong1，QIN Na-na2 （1School of Chemical Engineering，Chengdu University，Chengdu 610065，China） （2College of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu 610065，China）
【摘 要】首先介绍了化工行业余热利用的重要性以及废热锅炉在余热回收方面的巨大潜力。同 时介绍了依照国内相关标准设计制造的高温高压卧式前置废热锅炉的结构特点。结合废热锅炉的特殊 工况以及管壳程内介质流动情况，在管程入口处设置单程波纹管，换热管采用三重套管式换热，管箱密 封采用 Ω 型密封，支座采用可变弹簧支座，根据各部位操作温度的不同，使用了低碳钢、耐热钢不锈钢 等。对上述几个方面进行了详细分析，以期为前置废热锅炉结构设计提供借鉴和帮助。
考虑到管板和换热管的上述失效原因，结合所述废热锅炉 管程工艺气温度高，流量大的特点，为了防止高温气体直接冲刷 换热管与管板焊缝，在管束进气口所对应的管束部位，设置了防 冲板，如图 4 所示。加强对换热管与管板焊缝的保护作用。增加防 冲板不仅延长了换热管束的使用寿命，而且改善了介质气流分 布，使高温气体均匀进入换热管内，从而达到良好的换热效果，保 证设备正常运行。
7.2 防冲板
管板以及换热管是废热锅炉的重要受力元件，废热锅炉在 使用过程中管板易出现管孔焊肉被冲蚀、管桥裂纹，以及换热管 与管板焊缝开裂等缺陷。产生失效的原因[8]有汽水腐蚀、高温工 艺气体在横掠管束时造成外管的不规则振动、介质的温度和压力 出现波动时在管子与管板处产生交变应力，促使腐蚀过程进一步 加剧导致管板及换热管失效。
壳程中段筒体 260 壳程封头 260
管程 15 管箱 300 进气内管 450
厚管板 300 薄管板 450 内换热管 450 外换热管 300
3.3 设备焊缝系数
管、壳程焊缝系数均为 1.0。
3.4 介质和操作温度
壳程介质：水和水蒸汽；最高/最低工作温度：187/248℃。
管程介质：H2、N2、CO、CO2、NH3；进/出口温度：430/258℃。
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李磊磊等：合成氨废热锅炉结构设计
第5期
3 设计条件和主要技术参数
3.1 设计标准
GB150-1998 《钢制压力容器》；GB151-1999 《管壳式换热
器》。
3.2 设计压力和设计温度
设备的设计压力和设计温度，如表 1 所示。
表 1 设计压力和设计温度
设计压力（MPa） 设计温度（℃）
壳程 4.5 壳程前段壳体 260 壳程偏锥 260
6.2 设备结构集合多组方法
（1）管程（气体）入口设置单层多波波纹管，协调内外气体温 差引起的变形。
（2）管程入口处管束的保护，设置防冲板减缓对管板和换热 管的直接冲刷并保证管程介质气流的合理分布。
（3）螺栓上紧：设备主螺栓采用液压拉伸器上紧，球面垫圈。 （4）Ω 型密封：管箱端部密封采用 Ω 型密封，垫片材料为 0Cr18Ni9。 （5）管束采用三重套管式换热器结构。 （6）支座采用可变弹簧支座。
自压缩机
来 N2，H2 气 油 分
锅炉 给水
合成给水 预热器
合成水冷器
为了防止或减缓废热锅炉发生高温腐蚀、氢脆和氮化等破坏形
冷却水
去氨冷
式，因此设计时应重点考虑结构特点和材料类型。
图 1 合成氨流程简图
＊来稿日期：2011-07-18 ＊基金项目：国家科技支撑计划资助项目（2008BADC4B04）
堆焊，从而实现结构经济合理的设计思想。
薄管板
厚管板 内管
保护套管 外管
封头
9 结论
废热锅炉为直管结构，管箱筒体与管板直接焊接，密封可 靠；克服了传统 U 形换热管维修困难的缺点；解决了更换垫片后 进行焊后热处理的问题；将介质划分出不同的温度区，改善了气 流分布，且根据不同温度选用合适材料，使设备更经济合理。不足 之处是 Ω 型密封拆装和更换垫片比较困难。
备总长：～10290mm。
5 设备所用主要金属材料
12Cr2Mo1、12Cr2Mo、0Cr18Ni9、16MnR、16MnⅢ、25Cr2MoVA
6 设备结构特点
设备设计结构合理，结构紧凑，具有优于一般废热锅炉的显 著特点。
6.1 分段设计
设备承受高温高压以及高温高压气体的冲蚀，根据管程不 同部位的热量分布，对其设计温度分段考虑。
气层，此死气层可防止由于管内外介质温差而引起内管的破坏。
（3）结构将介质划分出不同的温度区，从而根据不同温度，
选用最经济的材质。在气体进入段的高温区，包括薄管板、内管采
用 0Cr18Ni9，而温度相对较低的外管和管板，采用 12Cr2Mo（换
热管）和 12Cr2Mo1Ⅳ（管板），避免了大量不锈钢的使用和管板的
基于为四川某公司设计制造的年产 18 万 t 合成氨、30 万 t 尿素项目的前置式合成废热锅炉，并且已经安全运行一年多，通 过经实际运行验证过的典型卧式废热锅炉，探讨分析该设备在高 温、高压工况下的结构特点和可利用的先进技术。
2 工艺流程
酸、硝酸工业等化工或石化的废热回收[2]。废热锅炉被设置在各类
No.5 May.2012
机械设计与制造
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波纹管 防冲板 薄管板
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小，有利于螺栓在法兰环有限的范围内排布[11]。
7.5 支座
鞍式支座下端采用可变弹簧支座支承，如图 7 所示。此结构
除了具备传统滑动支座的功能外，还可消除氨合成塔的冲击载荷
对设备的影响，延长使用寿命。
鞍式支座
限位装置
可变弹簧支座
图 4 防冲板示意图
波纹管截面的周期性变化，使合成气在波纹管内的流动总 是处在规律性扰动状态。通过实验和模拟[5-7]得出流体在波纹管内 流动时会形成负推力，速度会出现负值即回流情况，由于流动阻 力大于直管，到达管束时速度有所减小，可减缓对管板及换热管 焊缝的冲刷力度。 可见使用波纹管不仅改善温差产生的热应力 而且通过改变其流动状态延长其使用寿命。
7.3 换热管
换热器采用三重套管式结构，高温气体通过内管（外设保护
套管和支撑）进入，经外管进入分气筒后从出口进入下道工序（具 体结构，如图 5 所示）。该结构具有如下优点：
（1）首次将合成氨内件三套管结构形式用在合成废热锅炉 管束上。传统的 U 形管内外管固定在同一管板上，由于内外管进 出口温差大造成管板本身温差很大形成较大热应力。此结构内外 管为直管，分别焊接在薄管板及厚管板上克服了上述缺点，更利
第5期
机械设计与制造
2012 年 5 月
Machinery Design ＆ Manufacture
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文章编号：1001-3997（2012）05-0011-03
合成氨废热锅炉结构设计 *
李磊磊 1 郭 勇 1 秦娜娜 2 （1 四川大学 化学工程学院，成都 610065）（2 四川大学 建筑与环境学院，成都 610065）