1 引言废热锅炉系指那些利用工业过程中的余热以产生蒸气的锅炉，其主要设备包括锅炉本体和气包，辅助设备有给水预热器、过热器等。

在过去，工业过程中的很多余热都未加以利用即行浪费掉了。

随着工业的发展和能源供求的紧缺，工程技术人员对这些过去废弃不用的能源加以重视，利用它进行供热、供电和动力的辅助能源以提高能源的总利用效率，降低燃料消耗指标，降低电耗以获取经济效益。

在我国除了20世纪70年代引进的以及自己设计的30万吨/年合成氨厂有高压动力废热锅炉外，其余10t/a、5000t/a以及5万吨/年等中、小型合成氨厂一般在煤造气、或天然气的蒸气转化段设置有废热锅炉，而且这类锅炉产生的一般是中、低压蒸气，并且多用作原料蒸气，因此这些老厂虽然或多或少的节约了产生原料蒸气所需的热量和燃料，但对于合成氨厂耗能巨大的压缩机并没有减少外供电力消耗，所以这类工厂电耗标准仍然较高，以致产品成本昂贵。

有的中型合成氨厂在氨合成塔设计中安装了前置式废热锅炉，所谓前置式废热锅炉就是把触媒筐反应后的热气体在热交换器冷却之前通过废热锅炉以利用余热产生中压蒸汽。

该锅炉的压力为2.5MPa，以后准备发展到4MPa，由热量衡算及试生产结果，产气量为0.8吨蒸汽/吨氨，按此计算，产氨1万吨/年的合成氨厂每年可以回收8000吨蒸汽，能节约1000吨原煤。

在废热锅炉中进行的是热量的传递过程，因此废热锅炉的基本结构也是在一个具有一定换热表面的化热设备。

但由于化工生产中，各种工艺条件合要求差别较大，因此化工用废热锅炉结构类型也是多种多样的。

按照炉管是水平还是垂直放置，废热锅炉可以分为卧室和立式两大类；按照锅炉操作压力的大小，废热锅炉可以分为低压、中压和高压三大类；按照炉管的结构形式不同，废热锅炉可以分为：列管式、U形管式、此道管式、螺旋盘管以及双套管式等；按照其生产工艺和使用场合的不同废热锅炉可以分为：重油气化废热锅炉、合成氨前置式、中置式或后置式废热锅炉等。

不同形式的废热锅炉具有不同的生产能力和经济性，我国目前大多采用的是保守的设计方法，其经济性比较差，需要研究人员和设计人员进行更深层次的发掘其潜力。

现有合成氨厂的废热回收仍未达到最大值，如果把蒸气平衡。

热平衡设计的最佳，并适当的提高蒸气参数以提高蒸气循环的热功效率，则大型合成氨厂的动力和电力可能全部自给，甚至有余。

2 废热锅炉选型及结构设计2.1废热锅炉的选型在石油、化工、冶金及其他工业部门中，废热锅炉已被广泛应用。

废热锅炉必须满足工艺生产的需求；能够最大限度的回收热能；产生蒸气的压力和质量满足使用对象的要求；对废热锅炉系统则要求操作稳定、调节方便、结构简单、材料易得、造价便宜、加工制造容易、安装检修方便、使用寿命长、运转安全可靠等。

本设计的工作条件：合成气入口温度300℃，出口温度190℃，工作压力30.4MPa，流量151000Nm3/h，水入口温度70℃，蒸汽压力1MPa。

由温度可知，本装置为低温工艺气，对装置金属材料的热膨胀量小，材料耐热性能要求也不是很高，可选用管壳式换热器、U形管式换热器；由压力可知，工艺气侧压力较高，水气侧压力不高，可使工艺气流经管内，水流经管外；由流量和流速，工艺气流量不大而且流速不高可选用烟道式，U形管式和插入式。

综上所述，本设计选卧式U形管式废热锅炉。

2.2 废热锅炉结构设计U形管式结构特点是受热后管子可以自由伸长，因为U形管两端都固定在管板上，与壳体无固定连接，当管子与壳体之间存在温差时，管子可以在壳体内自由伸缩。

U形管式结构比较简单，管束可以抽出清洗，但管内的清洗比较困难。

对于高温工艺气流经管内的U型管废热锅炉，由于进口端和出口端的温差较大，如果把换热管的两端固定在一个管板上，将会造成管板本身温差较大，热应力也较大。

因此需要采取一定的措施来减小热应力。

本设计采用把进口端和出口端引出管板，分别做成进、出口联箱形式。

卧式U形管式废热锅炉的管子系水平放置，水循环不好，水管式易出故障，因此不宜采用水管式废热锅炉，而采用高压工艺气体流经管内的气管式废热锅炉。

主要零部件的结构设计：（1）管板：管板采用标准椭圆封头。

（2）管板与管子的连接：采用焊接。

（3）管板封头与壳体的连接：采用法兰连接。

（4）高温管箱及接管的热防护结构：由于本设备的温度不是很高，无需做热防护。

（5）高温高压法兰连接、密封与结构：在废热锅炉设计中，应尽量减小开口数量，必要的开口也应尽量减小开口尺寸，尽量采用结构简单，运行可靠的焊接连接。

（6）U形膨胀节：由于本设计为U形管式，其结构可以大大减小筒体与换热管之间的热应力，所以本设计中不用设计膨胀节。

3 废热锅炉热力计算3.1 设计条件合成气入口温度：300℃合成气出口温度：190℃合成气工作压力：30.4MPa 合成气流量：151000Nm3/h水入口温度：70℃蒸汽压力：1MPa管程设计压力：31.92 MPa 壳程设计压力：1.05 MPa表1 合成气组分组分H2N2NH3CH4A r% 43.8 16.5 14.0 19.0 6.73.2计算流程设计的具体流程参考文献[1] 中的计算步骤：3.2.1 热流量Q1MPa的蒸气温度为180℃工艺气的相对分子量：g/mol6.13067.04019.01614.017165.028438.02=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑i i M yM其中，iy—气体的体积分数；iM—单一组分的相对分子量。

合成气质量流量：kg/h 91678.622.4.613151000=⨯=合W由文献[2]附录查的所需参数如下表：表 2 合成气物性数据组分 H 2 N 2 NH 3 CH 4 A r 大气分压∕大气压 131.4 49.5 42 57 20.1 300℃∕kcal/公斤分子*℃ 7.035 7.30 11.45 12.4 5.02 190℃∕kcal/公斤分子*℃7.035 7.22 11.6 11.2 5.05 300℃∕KJ/kg*℃ 2.167 2.248 3.527 3.819 1.546 300℃∕KJ/kg*℃2.1672.2243.5733.451.555300℃和190℃下工艺气体的定压比热容：KkJ/kg 43.62067.0546.119.0819.314.0527.3165.048.22438.0167.2|C 3000p ⋅=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=KkJ/kg 576.2067.0555.119.045.314.0527.3165.024.22438.0167.2|C 1900p ⋅=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=()kW 7728kJ/h 27820788190567.2300643.26.91678==⨯+⨯⨯=Q3.2.2 冷却水流量由文献[3]附录，可查得水在70℃和180℃下的比热容以及水在沸腾温度下的汽化潜热为2019.3KJ/kg 。

每千克水沸腾吸收的热量：()kJ 7.62522.320197067.4418017.44q =+⨯+⨯=则冷却水流量：kg/h 110287.6252227820788W ===q Q 水 3.2.3 流体的定性温度用流体的算术平均温度来表示由于换热过程中壳程以水的沸腾过程为主，则水的定性温度180=m t ℃ 管程流体定性温度24521903002T 21m =+=+=T T ℃ 其中，T 1 — 热流体进口温度 ，℃； T 2 — 热流体出口温度 ，℃。

3.2.4 定性温度下的物性参数180℃水的物性参数查参考文献[3]附录可得： 粘度s Pa 1053.14⋅⨯=-μ 密度3m /kg 9.886=ρ 导热系数K W/m 674.0⋅=λ 定压比热容K kJ/kg 417.4⋅=p C245℃工艺气的物性参数由文献[2]附录可得：表 3 合成气临界参数组分H 2 N 2 NH 3 CH 4 A r c P ∕MPa 1.299 3.35 11.13 4.544 4.878 c T ∕K33.26 126.16 405.49 190.54 150.75 c ρ∕k g/m 3 31.6 313 235 162 533 c μ∕10-6Pa/s3.47 18 30.7 16.2 26.4 λ27℃∕10-2W/m ·K18.32.592.473,4211.77① 混合气体的临界粘度：sPa 10236.171040067.01619.01414.028165.02438.0404.26067.01616219.0247.3438.066011⋅⨯=⨯⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯⨯++⨯⨯++⨯⨯==--==∑∑ i ii ni iii m M y M y μμ其中，i y — 气体的体积分数；i M — 单一组分的相对分子量，mol /g ；i μ — 流体的粘度，Pa·s 。

假临界温度、压力：K45.13875.150067.054.19019.09.40514.016.126165.026.33438.01=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑=ni ci i T y T 假MPa87.387.4067.0544.419.013.1114.035.3165.0299.1438.01=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑=ni ci i P y P 假其中，i y — 气体的体积分数；ci T — 单一组分临界温度，K ；i c P — 单一组分临界压力，MPa 。

74.345.13815.273245=+==假T T Tr 85.787.34.30===假P P P r 查文献[4]图3-2可得：则实际混合气体粘度s Pa 105854.210236.175.156⋅⨯=⨯⨯=--μ ② 混合气体密度：33m /kg 98518134.86.13104.30=⨯⨯⨯==RT PM ρ其中，P — 工艺气压力，kPa ；M — 工艺气的相对分子量，mol /g ； T — 工艺气有效平均温度，K ； R — 气体常数。

③ 混合气体导热系数： 低气压下气体的导热系数m λ：KW/m 10756.61040067.028165.02438.04077.1067.02859.2165.023.18438.022313131313131131131300K ⋅⨯=⨯⨯++⨯+⨯⨯⨯++⨯⨯+⨯⨯==----∑∑ ni i ni ii My My λλ 其中，i y — 气体的体积分数；i M — 单一组分的相对分子量，mol /g ；i λ — 气体的导热系数，K m /W ⋅。

温度对混合气体导热系数的影响：nTTT T ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=1212λλ 可得K m /W 1793.010756.63005182768.1518⋅=⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=-Kλ压力对混合气体导热系数的影响： 查文献[2]附录1-7-9可得2.1=λλ实际则2152.01793.02.1=⨯=实际λK m /W ⋅ ④ 混合气体定压比热容：表 4 混合气体在245℃下的比热容组分 H 2 N 2 NH 3 CH 4 A r 大气分压∕大气压 131.4 49.5 42 57 20.1 245℃∕kcal/公斤分子*℃7.035 7.24 11.4 11.8 5.04 245℃∕k J/kg*℃2.1672.233.5113.6341.552KkJ/kg 605.2067.0552.119.0634.314.0511.3165.023.2438.0167.2|2450⋅=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=p C3.2.5 有效平均温差先按逆流计算3.4410120ln 10120ln2121,=-=∆∆∆-∆=∆t t t t t m ℃ 进行校核:170180190300R 1221=--=--=t t T T 48.070300701801112=--=--=t T t t P 其中，1T — 热流体进口温度，℃；2T — 热流体出口温度，℃； 1t — 冷流体进口温度，℃； 2t —冷流体出口温度，℃。