余熱鍋爐絕熱爐膛爐頂改造設(shè)計

羅艷

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

余熱鍋爐絕熱爐膛爐頂改造設(shè)計

羅艷

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

某陽極精煉余熱鍋爐在運(yùn)行一段時間后,鍋爐絕熱爐膛爐頂損毀,分析原因后對爐頂進(jìn)行改造設(shè)計,由原來的楔形磚砌筑拱頂結(jié)構(gòu)形式改為整體澆筑式,運(yùn)行約1年之后停爐檢查,爐頂未發(fā)現(xiàn)開裂、掉落現(xiàn)象,側(cè)墻耐火磚也沒出現(xiàn)坍塌,改造效果良好。

余熱鍋爐；絕熱爐膛；爐頂；拱頂磚；整體澆筑式爐頂

某冶煉廠的陽極精煉爐余熱鍋爐運(yùn)行半年左右,絕熱爐膛爐頂出現(xiàn)掉磚現(xiàn)象,8～9個月后,與其關(guān)聯(lián)的側(cè)墻也出現(xiàn)了局部坍塌。鍋爐不得不停爐進(jìn)行檢查,分析尋找事故原因,并進(jìn)行改造設(shè)計。

1 改造前爐頂設(shè)計形式

在銅冶煉工藝中,陽極精煉爐、轉(zhuǎn)爐產(chǎn)出的粗銅經(jīng)包子吊車送往陽極爐,經(jīng)過氧化、倒渣、還原、澆鑄、保溫的冶煉周期后,澆鑄成陽極板。還原期內(nèi)用的燃料為天然氣或重油,此時陽極爐內(nèi)的煙氣溫度高達(dá)1 500℃,煙氣余熱有很高的利用價值。工程上通常采用余熱鍋爐回收煙氣余熱,產(chǎn)出蒸汽,用于生產(chǎn)需要,達(dá)到節(jié)能減排的目的。

陽極爐余熱鍋爐入口煙氣溫度約1 000℃,在陽極爐的還原期，煙氣中含有2%～5%的未燃盡的CO和CH4,需在進(jìn)入鍋爐輻射冷卻室前完全燃盡。因此，在鍋爐前部設(shè)置燃盡室,即絕熱爐膛,由第一爐膛和第二爐膛組成,中間為隔墻,上部為爐頂,周圍為側(cè)墻,均由耐火磚砌筑。爐頂設(shè)計采用拱頂楔形磚砌筑,由于爐膛跨度較大,在第一爐膛設(shè)計兩個拱,第二爐膛設(shè)計一個拱,頂部用保溫材料密封,具體設(shè)計形式詳見圖1。

圖1 改造前的絕熱爐膛爐頂

砌筑拱頂?shù)男ㄐ未u為MGe8C鎂鉻磚,是由鉻鐵礦和鎂砂燒制而成,主要組成是氧化鉻和氧化鎂。這種鎂鉻磚熱穩(wěn)定性好,耐火度在1 500℃以上,耐溫度急變和抗堿性爐渣的性能都較好,用于砌筑煉鋼平爐、煉鋼電爐、有色金屬冶煉爐、水泥回轉(zhuǎn)窯等的襯里,材質(zhì)特性能滿足陽極爐余熱鍋爐爐頂耐火材料要求[1]。

2 爐頂損毀原因分析

陽極精煉爐余熱鍋爐運(yùn)行半年左右,絕熱爐膛爐頂出現(xiàn)掉磚現(xiàn)象,隨后與其關(guān)聯(lián)的側(cè)墻也出現(xiàn)了局部坍塌。坍塌現(xiàn)象見圖2。

圖2 絕熱爐膛爐頂損毀情況

爐頂損毀原因分析可以從以下幾點(diǎn)著手。

2.1 拱頂磚受力分析

耐火材料的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)包括耐壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度等,常用的主要是抗壓和抗折強(qiáng)度[2]。根據(jù)拱頂結(jié)構(gòu)及磚的形狀分析,在鍋爐運(yùn)行時拱頂磚的受力為磚自身的重力G、左邊磚的擠壓力F1和右邊磚的擠壓力F2,左右磚之間擠壓力豎直向上的分力和中間磚自身的重力達(dá)到一個平衡狀態(tài)。水平方向的推力則傳遞到左右磚塊,最終這個力通過拱頂磚之間的傳遞到拱腳磚上,受力情況見圖3。

圖3 拱頂受力情況

從圖1中可以看出絕熱爐膛拱頂采用的是中心角為60°的弓形拱。60°拱比較平坦,拱腳處上推力較小,但是側(cè)推力較大。因此,通常在拱腳磚外側(cè)位置設(shè)計加強(qiáng)圈梁,通過加強(qiáng)圈梁承受拱腳磚的側(cè)推力,使整個拱頂達(dá)到一個力學(xué)平衡狀態(tài)。

2.2 爐頂完整性分析

楔形磚砌筑拱頂結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵就是要保證爐頂?shù)耐暾?從而保證其安全性。保證每塊磚的完整,才能保證爐頂?shù)陌踩?。因為在鍋爐運(yùn)行時,任一塊磚由于受力過大擠碎,或受力過小掉落,都會導(dǎo)致爐頂局部損毀。所以,原設(shè)計采用這一結(jié)構(gòu)形式就存在這個問題。

2.3 膨脹縫設(shè)置分析

楔形磚在爐內(nèi)高溫時出現(xiàn)熱膨脹,因此需留設(shè)膨脹縫以吸收熱膨脹。拱頂一般在兩端留出直通的膨脹縫,除考慮拱頂?shù)目v向伸長外,還要考慮兩端爐墻向上的膨脹;拱頂?shù)拈L度＞5 m時,除在兩端留設(shè)膨脹縫外,還需根據(jù)長度分段,在拱頂?shù)闹胁苛粼O(shè)若干膨脹縫[2]。根據(jù)絕熱爐膛爐頂?shù)舸u的時間分析,施工時可能未按要求留設(shè)膨脹縫。楔形磚在受熱膨脹后相互擠壓,膨脹力落在拱頂兩側(cè)的拱腳磚和異形磚上。若膨脹縫過小,最終導(dǎo)致絕熱爐膛側(cè)墻耐火磚受力過大而倒塌;若膨脹縫過大,將導(dǎo)致拱頂某塊楔形磚掉落以致拱頂坍塌。因此,耐火磚廠家應(yīng)根據(jù)材質(zhì)特性準(zhǔn)確計算楔形磚在陽極爐煙氣溫度下的膨脹量，以確定膨脹縫的大小。然而,楔形磚在不同的溫度梯度下的受熱膨脹量不一樣,導(dǎo)致計算精度不理想,而且膨脹縫施工精度要求較高,因此膨脹縫的大小很難控制。

2.4 余熱鍋爐特殊性分析

在絕熱爐膛第一爐膛和第二爐膛之間的拱腳磚處沒有設(shè)計加強(qiáng)圈梁,最初的考慮是前后兩塊拱腳磚之間的推力達(dá)到平衡。而在實(shí)際運(yùn)行中,鍋爐受工藝條件影響較大,即使在同一冶煉周期內(nèi),不同階段的煙氣量、煙氣溫度和煙氣成分不一樣,波動較大。而且第一爐膛的煙氣溫度高于第二爐膛的煙氣溫度,第一爐膛拱腳磚的熱應(yīng)力大于第二爐膛,前部對拱腳磚的推力大于后部,第一爐膛的拱腳磚向后移動導(dǎo)致爐頂損毀。

綜上得出,本次事故的主要原因是原設(shè)計沒有考慮加強(qiáng)圈梁的設(shè)計,拱腳磚受力過大,導(dǎo)致爐頂損毀;同時,爐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式、施工時膨脹縫的預(yù)留不當(dāng),以及余熱鍋爐煙氣的特殊性也加速了爐頂?shù)膿p毀和側(cè)墻的坍塌。

3 爐頂改造設(shè)計

在楔形磚砌筑拱頂不適用于該爐型的情況下,改造設(shè)計的時候選用了整體澆筑高強(qiáng)高鋁澆注料拱頂方案。第一爐膛和第二爐膛的爐頂由整體澆筑的拱頂構(gòu)成,拱的方向由原來的前后拱改為左右拱,每個拱頂采用整塊鋼板,在鋼板上焊爪丁,在爪丁上澆筑高強(qiáng)高鋁澆注料,具體結(jié)構(gòu)形式詳見圖4。

圖4 改造后的絕熱爐膛爐頂

這一結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)越性為：首先采用高強(qiáng)高鋁澆注料和耐火磚,其具有線膨脹系數(shù)小、對溫度急變抵抗性能好、荷重軟化溫度比同質(zhì)耐火磚高、重?zé)€收縮比耐火磚大、制作成本低、整體穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。其次,密封性好,只需在爐頂和爐墻搭接處設(shè)置膨脹縫,且膨脹縫大小容易控制。根據(jù)爐墻高度和使用溫度等情況,其膨脹縫在35～70 mm之間選定[2];在保證爐膛密封性的前提下,膨脹縫盡量留大一點(diǎn)。再次,整體爐頂是吊掛在鍋爐爐頂鋼梁上,和爐膛側(cè)墻密封,但是重力基本不壓在爐墻上,這樣也能保證側(cè)墻不會受力過重坍塌。最后,整體爐頂外部采用整塊鋼板,施工方便、快捷。

4 結(jié)束語

在陽極精煉工藝系統(tǒng)中,余熱鍋爐是一個關(guān)鍵設(shè)備,余熱鍋爐故障將導(dǎo)致工藝系統(tǒng)停產(chǎn),因此保證余熱鍋爐的安全性,使工藝生產(chǎn)線暢通對于一個企業(yè)來說事關(guān)重大。該爐膛、爐頂經(jīng)改造設(shè)計后,運(yùn)行了1年多時間,停爐檢修觀察時,發(fā)現(xiàn)整體澆筑式爐頂沒有出現(xiàn)開裂、掉落現(xiàn)象,側(cè)墻耐火磚也沒出現(xiàn)坍塌,改造效果良好。這次改造設(shè)計是成功的,在以后的同類設(shè)計中,特別是這種回收成分復(fù)雜、量和溫度波動較大的煙氣余熱的鍋爐,從安全的角度上考慮,鍋爐絕熱爐膛、爐頂設(shè)計采用整體澆注形式有一定的借鑒意義。

[1] 石強(qiáng),楊永豐,楊輝華.延長傾動爐爐壽命的研究[J].銅業(yè)工程, 2009(1）：34.

[2] 有色冶金爐設(shè)計手冊編委會.有色冶金爐設(shè)計手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2004.

Upgrade Design for Top Adiabatic Hearth of Waste Heat Boiler

LUO Yan

(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

The top of the adiabatic hearth of waste heat boiler of the anode furnace usually were damaged after running for a period of time.Based on analyzing the causes,upgrade the design of furnace top by adopting integral casting instead of using key bricks for the furnace top construction.The affection are found to be excellent after operating for a year,there is no any crack or shedding,or even any collapses of the side wall firebrick.

waste heat boiler;adiabatic hearth;furnace top;crown brick;integral casting type furnace top

TK229.92+9

B

1004-4345(2014)05-0025-03

2014-02-25

羅 艷(1981—),女,工程師,主要從事熱能與動力工程設(shè)計工作。