熱管余熱鍋爐使用實(shí)踐與改進(jìn)

劉 亮，汪 永

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪335424)

1 引言

江銅貴冶制酸二系列低溫余熱鍋爐屬于重力熱管鍋爐，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2007年投入運(yùn)行，以替代SO3冷卻器，既減少了設(shè)備電耗又回收了多余的熱量，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［1］。但是運(yùn)行至2009年，制酸二系列低溫鍋爐的換熱效率下降明顯，并頻繁出現(xiàn)漏水、漏氣、爆管等故障。本文對(duì)其缺陷進(jìn)行了分析，并在2012年對(duì)其進(jìn)行了改造，改造后，使用至今，該鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。

圖1 熱管鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 工藝簡(jiǎn)介

制酸二系列低溫余熱鍋爐位于第四熱交換器之后，取代原來(lái)的SO3冷卻器，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 制酸二系列低溫余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

3 存在問(wèn)題

低溫余熱鍋爐運(yùn)行過(guò)程中主要存在如下問(wèn)題:

(1)鍋爐換熱效率下降速度較快。在大致相同的工況情況下，比較2008年7月和2009年7月二系列低溫鍋爐進(jìn)出口煙氣溫度，鍋爐出口煙氣溫度明顯上升。如表2所示:

表2 制酸二系列低溫鍋爐換熱效率

(2)熱管爆管失效。余熱鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，在現(xiàn)場(chǎng)偶爾能聽到“嘭”的異常聲響，判斷為個(gè)別熱管因管內(nèi)壓力升高，熱管薄弱處承受不了壓力，產(chǎn)生了爆裂，導(dǎo)致熱管失效。

(3)熱管冷卻段與水套管的相貫線處，極易漏水，特別是系統(tǒng)開停車時(shí)，漏水更頻繁。

(4)鍋爐水管結(jié)垢堵塞。鍋爐汽包、下降管、水套管、排污管局部堵塞，換熱效果下降。

4 原因分析

4.1 換熱效率降低原因分析

造成熱管鍋爐換熱效率下降的原因主要有以下幾方面:

(1)熱管內(nèi)工質(zhì)與管殼材料在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不易凝結(jié)的氣體，導(dǎo)致熱管冷卻段尾部形成氣塞，影響熱管冷卻段的冷卻面積。使熱管內(nèi)溫度、壓力上升［2］。

(2)供水不足或者水側(cè)結(jié)垢，使熱管內(nèi)工質(zhì)與爐水換熱效果下降，導(dǎo)致鍋爐換熱效率下降［3］。

2009年12月系統(tǒng)年修，打開制酸二系列低溫鍋爐汽包、熱管水套、排污管等檢查，證實(shí)了鍋爐換熱效率下降的主要原因是熱管水側(cè)結(jié)垢。鍋爐給水中的部分雜質(zhì)，在汽包中沉降，進(jìn)入下降管、水套管、排污管并在管壁附著結(jié)垢，造成鍋爐水側(cè)供水不足。并且鍋爐汽包從右端進(jìn)水，間歇排污又位于左端，所以造成右側(cè)下降管結(jié)垢嚴(yán)重，左側(cè)下降管幾乎沒有結(jié)垢。

4.2 爆管原因分析

熱管最不耐壓的位置是封頭，熱管封頭通常采用不銹鋼管壓扁后點(diǎn)焊的方法密封。在密封過(guò)程中，容易使封頭封口位置的不銹鋼管局部變薄，同時(shí)擠壓會(huì)使封頭材質(zhì)產(chǎn)生損傷，使熱管可承受的壓力范圍縮小。

因不凝性氣體在熱管尾端的聚集，使熱管冷卻段面積減少，同時(shí)因熱管冷卻段水側(cè)結(jié)垢，導(dǎo)致熱管傳熱效率降低，管內(nèi)溫度升高，壓力隨之上升，當(dāng)超過(guò)到熱管封頭的極限壓力時(shí)，就發(fā)生爆管［4］。

4.3 漏水原因分析

熱管冷卻段與水套管兩端焊接在一起，但熱管內(nèi)介質(zhì)和水套內(nèi)介質(zhì)的工作壓力和溫度是根據(jù)鍋爐工況波動(dòng)的，熱管冷卻段和水套的膨脹量也是隨工況波動(dòng)的。貴冶采用閃速爐和轉(zhuǎn)爐的冶煉工藝，冶煉煙氣波動(dòng)較大，鍋爐熱負(fù)荷隨之波動(dòng)，尤其開停車時(shí)，熱管急劇膨脹或收縮，而水套管相對(duì)形變較小，應(yīng)力集中易導(dǎo)致熱管與水套管相貫線處開裂。如圖2所示。

圖2 熱管尾端封頭位置示意圖(改造前)

4.4 水側(cè)堵塞原因分析

低溫鍋爐使用的是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單脫鹽的軟水，雜質(zhì)含量較高，長(zhǎng)期運(yùn)行積垢、容易造成鍋爐汽包、下降管、水套管、集箱、排污管堵死。另外集箱排污管設(shè)置不太合理，存在排污死角［5-6］。

5 改進(jìn)措施

2009年系統(tǒng)年修，疏通、清理制酸二系列低溫鍋爐的下降管，并且加藥劑煮爐。鍋爐恢復(fù)運(yùn)行后，其換熱效率得到了較大提高。如表3所示:

表3 2010年7月制酸二系列低溫鍋爐換熱效率參數(shù)

針對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)的幾個(gè)問(wèn)題，在后期的改造中采用以下了幾點(diǎn)改進(jìn)方案:

(1)改變鍋爐汽包進(jìn)水管位置。由汽包一端封頭進(jìn)水，另外一端間歇排污，改為汽包側(cè)面中部進(jìn)水，兩端間隙排污?？s短汽包給水管與間歇排污管之間的距離，有利于排出鍋爐給水中的雜質(zhì)，防止雜質(zhì)沉積結(jié)垢。如圖3所示。

圖3 鍋爐汽包給水管和間歇排污管位置

(2)鍋爐上升管和下降管的管徑增大。將其管徑適當(dāng)放大15%，增加鍋爐水循環(huán)速率，增加水套管補(bǔ)水量，確保水套及換熱管始終滿水，避免熱管干燒。另外提高鍋爐給水水質(zhì)，采用純水，大幅度降低雜質(zhì)含量，有利于鍋爐長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)改變鍋爐聯(lián)箱排污管位置?，F(xiàn)在鍋爐聯(lián)箱排污管與鍋爐下降管在同側(cè)，排污時(shí)只能將下降管和距離下降管較近的幾排熱管水套管內(nèi)的雜質(zhì)排出，而距離較遠(yuǎn)的水套管內(nèi)的雜質(zhì)不易排出，存在排污死角，時(shí)間長(zhǎng)了，雜質(zhì)容易沉積結(jié)垢，熱管換熱阻力增加，影響換熱效率。可以將熱管水套一側(cè)進(jìn)水，另外一側(cè)排污。這樣排污時(shí)，可以通過(guò)水的沖擊，將水套管內(nèi)積累的污垢排出，不存在排污死角。如圖4所示。

圖4 熱管水套排污管改動(dòng)示意圖

(4)鍋爐進(jìn)氣方式變更。原來(lái)設(shè)計(jì)中，煙氣從鍋爐蒸發(fā)器頂部進(jìn)，底部出。鍋爐頂部的蒸發(fā)器接觸的煙氣溫度高，蒸發(fā)量大;同時(shí)因頂部蒸發(fā)器與汽包之間的落差較其他蒸發(fā)器低，蒸發(fā)器下降管與上升管之間的壓差相對(duì)較小，水循環(huán)速率相對(duì)較低，水套管容易因不滿水出現(xiàn)熱管干燒現(xiàn)象。

出現(xiàn)熱管干燒現(xiàn)象一方面導(dǎo)致熱管冷卻段腐蝕加劇，水垢積累加速，另一方面導(dǎo)致熱管管內(nèi)壓力上升，不凝性氣體產(chǎn)生速率增加，管內(nèi)壓力逐步增加，爆管的幾率增加。

本次改造中，將鍋爐煙氣從蒸發(fā)器底部進(jìn)，從頂部出。最底部的蒸發(fā)器接觸的煙氣溫度高，但因該蒸發(fā)器與汽包之間的位差最大，水循環(huán)速率最大，避免了水套管不滿水導(dǎo)致熱管干燒現(xiàn)象。

(5)以前熱管尾端封頭是露出熱管水套管外，如果將封頭設(shè)置在熱管水套管內(nèi)，因?yàn)樗坠軆?nèi)存在壓力，可以減小封頭內(nèi)外壓力差，減少爆管情況的發(fā)生;同時(shí)因熱管封頭一段與水套不在焊接，可以自由伸縮，解決了工況波動(dòng)導(dǎo)致水套管應(yīng)力拉裂的問(wèn)題。如圖5所示。

圖5 熱管尾端封頭位置示意圖(改造后)

6 結(jié)論

熱管管內(nèi)積聚不凝性氣體，會(huì)使熱管尾端溫度降低;水套管內(nèi)結(jié)垢，會(huì)使熱管尾端溫度上升。改進(jìn)熱管鍋爐設(shè)計(jì)，如汽包進(jìn)水位置設(shè)在汽包中部，而從兩端間隙排污;加大下降管和上升管的管徑;改變聯(lián)箱排污管位置，消除排污死角等，都能使鍋爐的水循環(huán)得到優(yōu)化。使用純水能極大改善鍋爐給水水質(zhì)，有利于鍋爐長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。2012年，制酸二系列低溫鍋爐更換時(shí)，采用了上述改進(jìn)措施，至今，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。但是受限于水套管式熱管鍋爐設(shè)計(jì)限制，熱管的使用壽命雖然得到提高，但是因管內(nèi)不凝性氣體的不斷累積，換熱效率持續(xù)下降，最終只能更換。

［1］曹霞.熱管鍋爐在煙氣制酸裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.硫酸工業(yè)，2006(6):46-49.

［2］魏海彬，周志宏.熱管余熱鍋爐效率下降分析及處理［J］.銅業(yè)工程，2012(5):15-17.

［3］莊駿，張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000:132.

［4］郎逵，喬中復(fù)，等.熱管技術(shù)與應(yīng)用［M］.沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1984:138-139.

［5］黃國(guó)道，謝中建.熱管鍋爐在金隆銅業(yè)硫酸裝置的應(yīng)用實(shí)踐［J］.硫酸工業(yè)，2010(3):40-43.

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