榆林6萬t/a甲醇裝置是本公司開發設計所繼成功開發3萬t/a甲醇裝置后又一較大規模的工程。6t/a甲醇裝置中所用工藝蒸汽的壓力、溫度都較3萬t/a甲醇裝置高，因此廢熱鍋爐在結構、尺寸上作了較大修改。本文敘述了廢熱鍋爐的設計思路，以及幾個關鍵問題的解決措施，副產蒸汽，節約能量。
1、廢熱鍋爐結構型式的確定
廢熱鍋爐主要是高溫介質與冷卻介質（一般是水）間接換熱，使冷卻介質在設備內沸騰汽化，以回收高溫介質中的熱能。
3萬t/a甲醇裝置中廢熱鍋爐采用的是管殼式結構，即高溫轉化氣流過換熱管內，管外是鍋爐水，熱量通過換熱管壁傳導。該結構有以下特點：結構緊湊，與其他型式的廢熱鍋爐相比，其單位換熱面積的金屬耗量較少，適應的介質和操作條件較為廣泛等。該廢熱鍋爐直徑∮1200mm，換熱管長7000mm，為了補償熱膨脹，采用外填料函密封型式，即在廢熱鍋爐出口端浮動管板與殼體間用填料來密封殼程內的水蒸汽。此結構用于殼程壓力較低(≤2.0MPa)的情況。
在開車過程中發現填料函處容易泄漏。經分析發現這是由于密封面較大（直徑∮1200mm），壓填料時不容易使填料均勻受壓，因此容易泄漏；另一方面，由于管系傳來的力和力矩直接作用在填料函上，使得填料受力不均，也易造成泄漏。后來通過改選填料材質等措施保證了密封。
6萬t/a甲醇裝置中的廢熱鍋爐同樣采用管殼式結構。由于殼程壓力提高（達2.5MPa），并且設備直徑增大為∮1600mm，采用外填料函不能達到密封要求，因此需采用另外的方式。
固定管板式密封效果好，但通過計算需要3個膨脹節才能補償熱膨脹，而且膨脹節壁厚比設備簡體壁厚小很多，使得簡體削薄部分達不到強度要求，因此不能采用固定管板式結構。為了補償膨脹量還可以采用以下結構：浮頭式、U型管式以及填料函式，這3種結構都可使換熱管自由伸縮，無須補償殼程的膨脹。但由于浮頭式和U形管式結構的廢熱鍋爐高溫氣體進出需在同一端，在該工程中布置不允許，因而未采用。
該廢熱鍋爐采用浮頭與填料函聯合使用的結構。此結構能減少外管系傳來的力和力矩對填料函的影響，而且由于密封面尺寸（直徑移498mm）減少，密封壓力可以升至2.8MPa，從而滿足設備操作要求。
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2、廢熱鍋爐的結構特點
該廢熱鍋爐采用的結構是臥式列管式浮動管板型式。下面分別敘述各部分結構特點。
(1)進氣端（高溫端）采用60°錐度的錐形封頭，目的是使進氣氣流平滑，并能均勻地分布于各換熱管。封頭內襯150mm厚的隔熱層，隔熱層上再加上OCr25Ni20材質的保護板，以使耐火襯里免受氣流直接沖刷。封頭外加冷卻水夾套，防止殼體過熱損壞。
(2)高溫端管板襯150mm厚的隔熱層，外加OCr25Ni20材質的保護板。管板與管箱法蘭采用卵形空腔式密封焊結構，既保證高溫下的密封效果，又能拆卸管箱，便于檢修。管板與換熱管采用焊接和貼脹結合的連接方式，以保證高溫下連接與密封的可靠性。高溫端換熱管內壁襯有高鋁纖維，外包OCr25Ni20的保護楔管，以保護換熱管。
(3)殼程殼體上有6根上升管，6根下降管，1根排污管。下降管（即進水管）入口處，于鍋爐殼體內壁焊有導流板，以免冷卻水直接沖刷換熱管，并使進水分布均勻。
(4)低溫端管板采用浮動式，管板底部設有兩塊夾角30。的支撐塊。與該管板連接的是球形封頭，由于該封頭既要承受管程1.6MPa的高溫轉化氣，又要考慮可能承受殼程內水及水蒸氣造成的外壓，采用球形封頭可減薄壁厚。球形封頭端部連接內徑0492mm的出氣管。
(5)鍋爐出氣端為帶法蘭的橢圓封頭，封頭端部設置填料座，與球封上的出氣管一起形成填料函，用填料密封鍋爐內蒸汽。
(6)換熱管為移38mm×3mm的20G管，呈正三角形排列，管間距62mm。
(7)鍋爐由鞍座支承，高溫端為帶長圓地腳螺栓孔的鞍座，低溫端為滾動支座支承，以利鍋爐充分膨脹。
3、該鍋爐設計中遇到的幾個問題
3.1 轉化氣進口端的膨脹如何協調
從轉化爐出來的溫度高達863℃的轉化氣直接進入廢鍋。為了承受高溫和避免氣流沖刷，鍋爐進口管箱采取了保護措施，但也帶來了一個問題：純鋁鋁酸鈣混凝土土的耐火層、OCr25Ni20的保護板以及16Mng的管箱殼體，由于材質不同，有不同的膨脹系數和膨脹量，若它們之間的膨脹協調考慮不當，在開車升溫后就可能造成襯里被壓潰、保護襯板鼓包等后果，失去保護能力，從而危及管板及鍋爐殼體，使其過熱而損壞，因此必須盡量消除膨脹差。在保護襯板的錐形部分加一波形膨脹節，受熱后膨脹節壓縮變形，從而補償襯板的熱膨脹。在耐火襯里兩部分的分型面上有1～2mm的膨脹疑，施工時耐火襯里錨固釘上纏0.8mm厚的膠帶或刷0.8mm厚的瀝青。耐火襯里與鍋爐殼體間墊2～4mm的牛皮紙。這些措施使得膨脹量不同的幾種材質之間留下膨脹空間。
3.2管板計算
鍋爐管板高溫端為固定式結構，低溫端為浮動式結構，由于管板的K值大于1，己超出現行換熱器國家標準范圍，沒有相應計算方式，因此參考美國TEMA標準計算管板，浮頭端部分屬于TEMA中T型后端頭蓋型式。管板厚度計算按以下步騾進行。
(1)按彎曲強度計算管板厚度T
丁一管板的有效厚度；F-系數，對于有支承的管板（固定管板和浮動管板），在一側或兩側的元件與管板成為一整體時，F由RCB - 7.132中H曲線來確定，F=1.0;G-T型換熱器為壓力作用在管板上的直徑，G=1600mm;n-系數，對于換熱器三角形或轉角三角形排列。
(2)浮動管板同樣由彎曲強度公式計算。由于浮動管板沒有隔熱層，設計溫度比固定管板高，因此許用拉伸應力S低，計算厚度丁- 93.9mm。
根據管板計算厚度，考慮管板雙面腐蝕以及結構要求，確定管板名義厚度。
3.3 如何保證填料函的密封效果
出氣管與鍋爐封頭上的填料座（凸緣）一道形成雙填料函結構(見圖3)，第一段填料密封鍋爐殼程2.5MPa的水蒸氣，第二段填料密封管程1.6MPa的轉化氣。受熱后出氣管將在填料函內滑動，這要求出氣管外圓面必須與填料腔內圓面平行和同軸。平行的要求是為了兩密封面相對滑動時不會被卡住，同軸的要求是為了密封腔中的填料在圓周方向受力均勻，便于壓緊填料保證密封。
由于鍋爐是臥置的，浮動管板和管束會在重力作用下塌落，重量通過出氣管作用在填料上，不易保證密封，因此必須把浮動管板支撐起來。在浮動管板底部呈30°夾角安裝兩塊支撐塊，支撐塊既起到支撐浮動管板和管束的作用，又能使浮動管板在支撐塊上滑動。設置了支撐塊，浮動管板和管束就不會塌落，就可以通過加工浮動管板和出氣管外圓以及填料腔的內圓來滿足平行度和同軸度的要求。
通過以下加工程序來達到浮動管板和出氣管外圓以及填料腔的內圓的平行度和同軸度要求：①浮動管板和內封頭組焊后加工浮動管板和出氣管外圓，保證兩圓的軸線同軸度允差為0.5mm，強調組焊后加工是由于構件組焊后往往會變形，達不到同軸度要求。②凸緣（填料座）、外封頭及出氣管進行預組裝，用填料（或用與填料尺寸相同的環）來決定凸緣位置，以保證凸緣與填料接觸的內圓與出氣管外圓兩軸線的同軸度在允差范圍內。通過這兩個步驟，能滿足填料密封與膨脹滑動的要求。
填料函中的兩段填料所承受的溫度和壓力是不一樣的。第一段填料密封2.5MPa，228℃的飽和水蒸汽，第二段填料密封1.6MPa，463℃的轉化氣。經過計算，結合使用經驗，第一段填料用4圈12mm×12mm碳素纖維編織填料，第二段填料用3圈12mm×12mm碳素纖維編織填料，該種填料高溫性能好，燒蝕小。
4 結語
利用上述方法設計的這臺廢熱鍋爐于1995年投入運行，至今運行情況良好，說明鍋爐結構合理，選材恰當，密封有效，達到了預期目的。
