底吹電熱熔融還原爐余熱鍋爐設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郝玉剛，徐 偉

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 引言

底吹電熱熔融還原爐為中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司自主研發(fā)的有色冶金爐，該專利技術(shù)首次工業(yè)化在安陽(yáng)市岷山有色金屬有限責(zé)任公司應(yīng)用，于2011年11月順利投產(chǎn)，目前整體運(yùn)行良好。

為了冷卻底吹電熱熔融還原爐排出的高溫?zé)煔?，在其煙氣出口設(shè)置了余熱鍋爐，用于回收煙氣中的熱量，降低煙氣溫度。余熱鍋爐生產(chǎn)壓力為4.0MPa的飽和蒸汽，供生產(chǎn)、生活蒸汽用戶使用，也可驅(qū)動(dòng)飽和蒸汽汽輪機(jī)組發(fā)電，實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能減排。

底吹電熱熔融還原爐煙氣具有溫度高、微還原氣氛，煙塵粘結(jié)性強(qiáng)等特點(diǎn)，底吹電熱熔融還原爐余熱鍋爐作為一種新型的工業(yè)化設(shè)備，自投產(chǎn)以來(lái)整體運(yùn)行狀況良好，但也存在一些值得探討的問(wèn)題。本文根據(jù)安陽(yáng)岷山項(xiàng)目的運(yùn)行情況，對(duì)余熱鍋爐系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，對(duì)運(yùn)行中存在的主要問(wèn)題及解決方案進(jìn)行了分析和討論。

2 余熱鍋爐系統(tǒng)介紹

底吹電熱熔融還原爐余熱鍋爐布置在底吹電熱熔融還原爐后部，余熱鍋爐煙氣入口與底吹電熱熔融還原爐煙氣出口緊密相連，煙氣流通經(jīng)過(guò)余熱鍋爐內(nèi)部，可以有效降低底吹電熱熔融還原爐排出的高溫?zé)煔?，部分回收含金屬煙塵，為后部收塵創(chuàng)造條件。

余熱鍋爐的主要輔助設(shè)備包括電動(dòng)給水泵、電動(dòng)循環(huán)泵、除氧器、鍋筒、定期排污擴(kuò)容器、清灰裝置等。原水經(jīng)除鹽處理后，送至余熱鍋爐房?jī)?nèi)的除氧器，脫除水中的氧氣后貯存在除氧水箱。除氧水由給水泵送入余熱鍋爐鍋筒，在鍋筒中與爐水混合后通過(guò)下降管進(jìn)入熱水循環(huán)泵。經(jīng)熱水循環(huán)泵加壓后的循環(huán)水送到余熱鍋爐各受熱面，在受熱面中加熱后返回鍋筒。返回鍋筒的汽水混合物在鍋筒中進(jìn)行汽水分離，分離出來(lái)的水繼續(xù)循環(huán)，飽和蒸汽引出鍋筒，進(jìn)入廠區(qū)管網(wǎng)，供生產(chǎn)、生活蒸汽用戶使用，也可驅(qū)動(dòng)飽和蒸汽汽輪機(jī)組發(fā)電。

3 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 余熱鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

通常情況下，有色冶金爐余熱鍋爐的工作壓力是根據(jù)煙氣的露點(diǎn)溫度確定的，底吹電熱熔融還原爐煙氣露點(diǎn)溫度約150℃，但由于底吹熔煉爐余熱鍋爐煙氣露點(diǎn)溫度較高，考慮到蒸汽并網(wǎng)綜合利用，故將還原爐余熱鍋爐工作壓力提高至4.0MPa［1］。

設(shè)計(jì)工況下進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量約20400Nm3/h，煙氣溫度約1200℃，余熱鍋爐的主要參數(shù)如下:

表1 余熱鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

圖1 底吹電熱熔融還原爐余熱鍋爐結(jié)構(gòu)圖

3.2 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

底吹電熱熔融還原爐余熱鍋爐包括底吹爐余熱鍋爐由上升煙道、下降煙道、輻射冷卻室和對(duì)流區(qū)四部分組成，受熱面為膜式壁結(jié)構(gòu)。余熱鍋爐采用強(qiáng)制循環(huán)，露天布置。鍋爐受熱面和管束均為ф38×5的無(wú)縫鋼管。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

高溫?zé)煔鈴倪€原爐煙氣出口進(jìn)入余熱鍋爐，依次經(jīng)過(guò)上升煙道、下降煙道、輻射冷卻室和對(duì)流區(qū)，最終從余熱鍋爐出口煙道排出。煙氣中的部分煙塵在余熱鍋爐中沉降下來(lái)，上升煙道沉降灰塵落入底吹電熱熔融還原爐內(nèi)，下降煙道、輻射室、對(duì)流區(qū)沉降煙塵落入余熱鍋爐灰斗下部的埋刮板輸送機(jī)，通過(guò)埋刮板輸送機(jī)將煙塵輸送至爐外，返回到底吹熔煉爐［2］。

由于底吹電熱熔融還原爐煙氣中含有大量煙塵，余熱鍋爐采用了機(jī)械振打、彈簧振打、高能脈沖清灰三種清灰方式。在爐罩和上升煙道頂部布置了4個(gè)彈簧振打清灰點(diǎn)，在上升煙道、過(guò)渡段、下降煙道和輻射室布置了24個(gè)機(jī)械振打清灰點(diǎn)，在對(duì)流管束頂部布置了22個(gè)高能脈沖清灰點(diǎn)［3］。

考慮到底吹電熱熔融還原爐排出的高溫?zé)煔饩哂羞€原性，可能在余熱鍋爐內(nèi)部進(jìn)行二次燃燒或爆炸，因此在余熱鍋爐上升煙道頂部設(shè)置了防爆門(mén)。

4 余熱鍋爐運(yùn)行中存在的問(wèn)題分析及解決措施

4.1 超負(fù)荷運(yùn)行帶來(lái)的問(wèn)題及解決措施

底吹電熱熔融還原爐余熱鍋爐于2011年11月投產(chǎn)運(yùn)行。為了滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，底吹電熱熔融還原爐在運(yùn)行中逐步加大了投料量，并提高了后部高溫風(fēng)機(jī)的抽力，進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量大大增加，同時(shí)煙氣在余熱鍋爐內(nèi)二次燃燒釋放出大量反應(yīng)熱，使余熱鍋爐的產(chǎn)汽量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)值，達(dá)到20t/h左右。超負(fù)荷運(yùn)行造成如下一些問(wèn)題:

(1)余熱鍋爐受熱面運(yùn)行工況惡劣

由于余熱鍋爐內(nèi)部煙氣量增大、煙氣釋放熱量增加，余熱鍋爐吸收的熱量隨之增加，使得余熱鍋爐受熱面工況惡劣。

(2)余熱鍋爐出口煙溫過(guò)高

不同工況時(shí)余熱鍋爐入口、出口煙氣溫度見(jiàn)表2。

表2 不同工況下鍋爐煙氣溫度及蒸發(fā)量

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，加大后部高溫風(fēng)機(jī)抽力或投料量，余熱鍋爐入口煙氣溫度和出口煙氣溫度都相應(yīng)地提高了，出口溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，增加了余熱鍋爐后部表面冷卻器的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

(3)余熱鍋爐電動(dòng)給水泵能力顯得不足

余熱鍋爐的設(shè)計(jì)蒸發(fā)量為12t/h左右，設(shè)計(jì)時(shí)選用的鍋爐電動(dòng)給水泵流量Q=15t/h，揚(yáng)程H=550m。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，余熱鍋爐蒸發(fā)量達(dá)到20t/h左右，出現(xiàn)了給水泵能力不足、不能及時(shí)有效地給余熱鍋爐鍋筒補(bǔ)水的情況。

針對(duì)以上問(wèn)題，在運(yùn)行實(shí)踐和局部改造中采用了如下措施:

(1)改進(jìn)系統(tǒng)操作工藝，適當(dāng)控制底吹電熱熔融還原爐投料量

首先是改進(jìn)底吹電熱熔融還原爐工藝、減少余熱鍋爐尾部高溫風(fēng)機(jī)的抽力、控制底吹電熱熔融還原爐的投料量;其次是改進(jìn)余熱鍋爐的操作工藝，加強(qiáng)余熱鍋爐上升煙道、輻射室、對(duì)流管束等各個(gè)部位的清灰，減少余熱鍋爐模式壁上積灰，可以適當(dāng)降低余熱鍋爐的出口煙氣溫度［4］。

(2)更換電動(dòng)給水泵

將原有兩臺(tái)流量Q=15m3/h，揚(yáng)程H=550m電動(dòng)給水泵更換為兩臺(tái)流量Q=25m3/h，揚(yáng)程H=550m的電動(dòng)給水泵。

通過(guò)以上系統(tǒng)操作工藝的改進(jìn)、電動(dòng)給水泵的更換，使得整個(gè)流程能夠順利進(jìn)行，基本解決了超負(fù)荷運(yùn)行帶來(lái)的問(wèn)題。

4.2 余熱鍋爐煙道積灰問(wèn)題

余熱鍋爐積灰分為松散性積灰、粘附性積灰和粘結(jié)性積灰。松散性積灰一般認(rèn)為是由于分子引力和靜電引力的作用而形成;粘附性積灰主要是在煙塵中含有較多的低熔點(diǎn)金屬元素的情況下形成的;粘結(jié)性積灰的原因是煙塵顆粒呈熔融狀態(tài)或呈粘性狀態(tài)所引起的，也可能是活性固體顆粒與煙氣中某些成分起化學(xué)反應(yīng)，在積灰的沉積層上發(fā)生了二次物理化學(xué)過(guò)程而形成［5］。

余熱鍋爐煙道的結(jié)渣和積灰是余熱鍋爐普遍存在的問(wèn)題。安陽(yáng)岷山項(xiàng)目底吹電熱熔融還原爐余熱鍋爐運(yùn)行初期，余熱鍋爐爐罩亦發(fā)生過(guò)結(jié)渣和積灰問(wèn)題，主要積灰類型為粘結(jié)性積灰。對(duì)還原爐余熱鍋爐爐罩清除下來(lái)積灰顆?；?yàn)分析，主要成分見(jiàn)表3。

表3 爐罩不同位置結(jié)焦成分含量表

造成爐罩結(jié)渣和積灰的原因主要有三個(gè):一是余熱鍋爐爐罩設(shè)置了縮放口，由于煙氣通流截面的改變?cè)诳s放口部形成渦流，容易造成煙塵粘結(jié);二是底吹熔煉爐高鉛渣通過(guò)溜槽穿過(guò)底吹電熱熔融還原爐余熱鍋爐爐罩送入底吹電熱熔融還原爐，高溫爐渣會(huì)飛濺到還原爐余熱鍋爐爐罩上，造成爐罩結(jié)渣;三是入爐原料中鉛、鋅含量較高，高溫冶煉環(huán)境下容易形成低熔點(diǎn)共熔體，造成煙塵粘結(jié)。

針對(duì)以上原因，采取的相應(yīng)控制措施如下:

(1)余熱鍋爐爐罩增設(shè)多處檢修孔并加強(qiáng)振打

在余熱鍋爐爐罩上增設(shè)多處檢修孔，通過(guò)定時(shí)點(diǎn)檢，及時(shí)清除結(jié)焦，避免煙道堵塞，使煙氣流動(dòng)順暢，同時(shí)在余熱鍋爐爐罩上增加2處彈簧振打，并加大振打頻率和力度。

(2)控制底吹熔煉爐高鉛渣進(jìn)入底吹電熱熔融還原爐的狀況

底吹熔煉爐高鉛渣進(jìn)入底吹電熱熔融還原爐的溜槽入口位于余熱鍋爐爐罩開(kāi)口上，高鉛渣流速控制不好，會(huì)使高鉛渣濺落在膜式壁上，形成結(jié)焦:流速大時(shí)沖力較大，會(huì)局部濺落到溜槽對(duì)面的膜式壁上;流速小時(shí)沖力較小，會(huì)滴落到溜槽所在面的膜式壁上。

合理控制底吹爐高鉛渣流出的速度和進(jìn)入底吹電熱熔融還原爐的位置，可以有效減少底吹電熱熔融還原爐余熱鍋爐爐罩上的結(jié)焦。

(3)控制底吹電熱熔融還原爐爐溫及進(jìn)爐物料

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中為了追求好的渣含鉛指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益，曾將電熱熔融還原爐爐溫提高至1300℃以上，且投入了大量含鋅較高的雜料。實(shí)踐表明合理控制底吹電熱熔融還原爐爐溫和入爐物料的含鋅量，可以明顯改善底吹電熱熔融還原爐爐罩膜式壁上的煙塵粘結(jié)狀況。

4.3 余熱鍋爐上升煙道膨脹節(jié)處爆管

余熱鍋爐運(yùn)行約3個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)在余熱鍋爐上升煙道上部膨脹節(jié)處出現(xiàn)2處爆管，到爆管處查看，發(fā)現(xiàn)該處膨脹節(jié)出現(xiàn)漏洞破損，膜式壁爆管處管子出現(xiàn)沖刷痕跡。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，造成爆管的主要原因是膨脹節(jié)破損，大量冷風(fēng)的漏入，造成低溫腐蝕［6］。因此在冶煉系統(tǒng)檢修期間，徹底修繕余熱鍋爐上升煙道下部與上部之間的膨脹節(jié)，減少外部冷風(fēng)漏入余熱鍋爐上升煙道，從而避免鍋爐管再次出現(xiàn)爆管事故。

5 總結(jié)

安陽(yáng)市岷山有色金屬有限責(zé)任公司建設(shè)的為10萬(wàn)t/a鉛冶煉項(xiàng)目，底吹電熱熔融還原爐余熱鍋爐于2011年11月開(kāi)始投產(chǎn)使用，試生產(chǎn)期間投料量分別為正常設(shè)計(jì)值得80%、100%、120%，余熱鍋爐入口負(fù)壓分別為-5Pa、-25Pa、-50Pa，余熱鍋爐蒸發(fā)量在12t/h～20t/h之間，出口煙氣溫度在360～450℃之間;在試生產(chǎn)的過(guò)程中偶爾出現(xiàn)了積灰、鍋爐管爆管、給水泵能力不足、出口煙溫偏高等問(wèn)題，通過(guò)更換設(shè)備、改進(jìn)工藝，保證了整個(gè)余熱鍋爐系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，可以為其他項(xiàng)目還原爐余熱鍋爐的設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供借鑒。

［1］任世杰.余熱鍋爐露點(diǎn)腐蝕及防治［J］.石油化工腐蝕與防腐，2001(1):54.

［2］羅顯雨，何屏，成華.冶煉焙燒爐系統(tǒng)余熱鍋爐除灰技術(shù)改造［J］.動(dòng)力技術(shù)，2011(11).

［3］王新建，魏永杰，彭巖.水泥窯余熱鍋爐清灰方式選擇［J］.水泥工程，2010(5):65-67，(6):1136-1138.

［4］陳杰奎.鍋爐受熱面磨損原有與防治對(duì)策［J］.電力安全技術(shù)，2009(12):6-8.

［5］北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院.余熱鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行.冶金工業(yè)出版社，1982，17-22.

［6］李忠生，萬(wàn)學(xué)武，趙長(zhǎng)國(guó).銅冶煉廠余熱鍋爐的故障與改造.中國(guó)首屆熔池熔煉技術(shù)及裝備專題研討會(huì)，2010，164-167.