降低煙灰粘結(jié)提高余熱鍋爐換熱效率

王國(guó)珍

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424）

1 引言

地冶余熱鍋爐的主要作用是對(duì)閃速熔煉產(chǎn)生的高溫、高含塵煙氣進(jìn)行降溫和初步收塵，生產(chǎn)的蒸汽送動(dòng)力透平發(fā)電。由于閃速熔煉煙氣中含塵高達(dá)200mg/NM3，一部分煙塵在余熱鍋爐內(nèi)冷卻凝固沉降下來；另一部粘結(jié)在鍋爐受熱面上。若不及時(shí)清除掉，則會(huì)導(dǎo)致鍋爐換熱效率下降［1,2］。進(jìn)而降低蒸汽產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)引起鍋爐水冷壁受熱不均衡，造成鍋爐爆管。另一方面造成鍋爐出口煙氣溫度升高，不利于后續(xù)電收塵的運(yùn)行。故防止和降低鍋爐受熱面積灰，對(duì)余熱鍋爐的安全運(yùn)行及提高經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。

2 余熱鍋爐積灰分析

2.1 積灰分類

根據(jù)煙氣溫度的高低，余熱鍋爐積灰一般可分為高溫區(qū)積灰、低溫區(qū)積灰和過渡溫區(qū)積灰［3］。所謂過渡溫區(qū)積灰，就是高、低溫區(qū)之間的積灰。

根據(jù)積灰的特性，余熱鍋爐的積灰一般可分為粘結(jié)性積灰、混合性積灰、粘附性積灰。

（1）粘結(jié)性積灰，是指煙塵大部分呈熔融或半融熔狀態(tài)下形成的積灰。這種煙塵附著在鍋爐受熱面上，經(jīng)水冷壁管冷卻后變得松脆。若及時(shí)吹灰或者機(jī)械振打則可較好清除，但是如果清理不及時(shí)積灰超過一定厚度，其外表將結(jié)焦成一層硬殼。形成積灰的核心并使積灰迅速增長(zhǎng)，此時(shí)再想清除比較困難。

（2）混合性積灰，是指煙塵中大部分為固體顆粒，而尚有一部分呈熔融或半熔融狀態(tài)下所形成的積灰。其中大顆粒的煙塵外表面常常是一層薄的硬殼，而中間仍是半熔融狀態(tài)。這種積灰附著在鍋爐受熱面上，時(shí)間短可以利用機(jī)械方法清除，但積灰達(dá)到一定厚度，其外表面也會(huì)形成堅(jiān)硬焦殼，并越積越厚，當(dāng)然其形成速度較高溫區(qū)略慢。故必須在前期及時(shí)清理，否則形成煙塵大塊難于清除。

（3）粘附性積灰，是指煙塵在凝固點(diǎn)以下的積灰，也就是呈固體顆粒的積灰。這種積灰往往隨著固體顆粒的性質(zhì)及其成分的不同而有著很大的差異。在鍋爐對(duì)流區(qū)受熱面上積灰的表現(xiàn)也有所不同，一般可分為松散性的積灰和粘附性的積灰，這種積灰如果長(zhǎng)時(shí)間不能得到有效清除，則會(huì)造成對(duì)流管束肥大，嚴(yán)重時(shí)積灰會(huì)包裹整個(gè)管束，造成煙氣短路。

以上積灰的劃分是由煙塵的熔點(diǎn)、軟化點(diǎn)和凝固點(diǎn)決定的。進(jìn)入鍋爐的煙塵性質(zhì)不同積灰的情況也不一樣。

2.2 積灰成分

積灰成分與流經(jīng)煙氣的溫度有密切的關(guān)系。通常難熔元素及其化合物，如鐵、銅、硅、金、銀、鎳等，在高溫區(qū)即凝固并大量沉積下來，在低溫區(qū)則明顯減少。反之，易熔元素及其化合物，如鉛、鋅、錫、銻、砷、銦、鎘等，在高溫區(qū)主要呈揮發(fā)性氣體狀態(tài)難于捕集，到低溫區(qū)才逐步凝固下來。煙氣中各元素及其化合物的熔點(diǎn)和氣化點(diǎn)是決定其在某溫區(qū)沉積的重要因素。

2.3 積灰的分布

余熱鍋爐的積灰分布情況主要與進(jìn)入鍋爐的煙氣溫度及氣流分布有關(guān)［4-6］。

（1）高溫區(qū)，即煙氣擋板之前，特別是輻射區(qū)入口部和煙氣擋板容易粘結(jié)熔融狀煙塵，一旦形成煙塵大塊，質(zhì)地就比較堅(jiān)硬，清除比較困難，而且對(duì)下部水冷壁管造成威脅；

（2）過渡溫區(qū)，主要是煙氣擋板以后至對(duì)流部入口，該段煙塵顆粒相比高溫區(qū)較細(xì)，也具有一定的粘結(jié)性，主要聚集在輻射管屏和對(duì)流部入口拐角處；

（3）低溫區(qū)，主要是指對(duì)流部，該溫度區(qū)煙塵較細(xì)，呈粉末狀，粘附性較強(qiáng)，一般會(huì)積聚在對(duì)流區(qū)管屏管束和出口煙管的底部。

3 積灰的防止與處理

3.1 穩(wěn)定閃速爐爐況

余熱鍋爐的積灰與閃速爐爐況的好壞有密切關(guān)系，閃速爐爐況不穩(wěn)定，精礦反應(yīng)不完全，進(jìn)入煙氣的煙塵量就會(huì)大大增加［7］，而且不完全反應(yīng)的精礦粒子在閃速爐鍋爐內(nèi)出現(xiàn)二次反應(yīng)，造成鍋爐局部溫度偏高，熔融狀煙塵粘結(jié)在水冷壁管上很難清除，鍋爐入口的通煙截面積也會(huì)加速縮小，造成鍋爐內(nèi)煙氣偏流。故控制較好的閃速爐爐況，對(duì)防止鍋爐積灰至關(guān)重要。

（1）提高配料信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。加強(qiáng)與生產(chǎn)部、備料車間的聯(lián)絡(luò)溝通，及時(shí)掌握精礦成分信息，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)的控制；

（2）定期校驗(yàn)皮帶秤，確保配入的各種精礦比例準(zhǔn)確；

（3）穩(wěn)定干礦回旋篩的運(yùn)行，降低混合干礦內(nèi)大顆粒物料的比例；

（4）提高失重給料精度，降低加料螺旋給料波動(dòng)；

3.2 結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)

經(jīng)過多年的摸索與改進(jìn)，在積灰的防治方面余熱鍋爐已經(jīng)形成了基本固定的結(jié)構(gòu)型式：

（1）采取較大的輻射室空腔，使煙塵盡可能在輻射區(qū)冷卻沉降；

（2）在輻射區(qū)前部高溫區(qū)采用Ω 管水冷壁結(jié)構(gòu)，降低煙塵在壁管上的粘附性；

（3）在輻射部入口安裝鹽化風(fēng)噴嘴，通過鹽化風(fēng)使熔融狀粘結(jié)性煙塵生成非粘結(jié)性的硫酸鹽沉降下來；

（4）在輻射部安裝煙氣擋板，提高煙氣在輻射部的充滿度，同時(shí)改變煙氣路線，延長(zhǎng)煙氣在輻射區(qū)的停留時(shí)間；

（5）在輻射部尾部安裝輻射管屏，均勻進(jìn)入對(duì)流部的煙氣流及降低對(duì)流部煙氣溫度。

以上結(jié)構(gòu)型式在閃速爐余熱鍋爐輻射部應(yīng)用以來，其煙灰粘結(jié)現(xiàn)象得到了大幅改善，提高了輻射部的換熱效率，降低了進(jìn)入對(duì)流部的煙氣溫度和煙氣含塵濃度,從而避免了對(duì)流部煙灰堆積和燒結(jié)的問題。

3.3 除灰系統(tǒng)的改進(jìn)

閃速爐余熱鍋爐之前的除灰系統(tǒng)主要是由長(zhǎng)套管式吹灰器和彈簧錘振打組成，由于長(zhǎng)套管式吹灰器故障率較高，不利于鍋爐的安全運(yùn)行，且運(yùn)行時(shí)有煙氣外泄，對(duì)環(huán)境造成污染，故長(zhǎng)套管式吹灰器目前已經(jīng)全部取消，相應(yīng)位置由彈簧錘振打替代，同時(shí)做了相應(yīng)的改進(jìn)，并在對(duì)流部引進(jìn)了燃?xì)饷}沖除塵裝置，改善了鍋爐的除灰效果。

3.3.1 彈簧錘振打的改進(jìn)

彈簧錘振打主要由主機(jī)、彈性振打桿、振打梁組成。振打梁焊接在水冷壁管上，主機(jī)通過舉錘和落錘裝置帶動(dòng)振打錘反復(fù)擊打彈性振打桿形成振動(dòng)波，通過振打梁傳導(dǎo)至水冷壁上進(jìn)行除灰。但是由于彈簧錘振打的除灰半徑只有1.5m 左右，為了提高除灰面積，增加了彈簧錘數(shù)量和運(yùn)行頻率，這樣就造成了振打梁疲勞開裂，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)拉傷水冷壁管，導(dǎo)致鍋爐漏水。為了防止振打梁開裂，同時(shí)提高除灰效率，對(duì)彈簧錘振打進(jìn)行了改進(jìn)。

（1）根據(jù)積灰分布對(duì)彈簧錘振打進(jìn)行重新組對(duì)。通過修改PLC 控制程序，把運(yùn)行頻率相近的彈簧錘振打編制在一起，目前閃速爐余熱鍋爐的彈簧錘振打共劃分成兩部分，一部分是輻射區(qū)振打共有5 組，另一部分為對(duì)流區(qū)振打共有8 組，并可以根據(jù)鍋爐運(yùn)行工況在中央儀表室任意選擇一組或者幾組振打運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間及休止時(shí)間均可根據(jù)工況需要調(diào)整。

（2）通過在振打梁上安裝彈簧壓扣組件，防止振打梁開裂，同時(shí)提高振打的除灰面積。

彈簧壓扣組件是由壓板、固定螺栓、彈簧碟片組成，如圖1 所示。在振打梁上下兩側(cè)，并以彈簧錘振打點(diǎn)為中心，各安裝兩組彈簧壓扣組件，每組間隔1m，如圖2 所示。彈簧壓扣組件應(yīng)用后不但解決了振打梁開裂的問題，振打的除灰面積也擴(kuò)大了2 倍以上，相應(yīng)的降低彈簧錘振打的運(yùn)行頻率，減少了部分彈簧錘振打。

（3）定期檢查更換彈簧碟片。振打桿上的彈簧碟片是形成除灰振動(dòng)波的主要部件，如果疲勞失效，彈簧錘振打不但不能達(dá)到除灰效果，而且還會(huì)對(duì)鍋爐水冷壁造成損害。通過對(duì)彈簧碟片疲勞周期及實(shí)際使用情況的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)高頻率振打（輻射區(qū)）的碟片疲勞周期在6 個(gè)月左右，低頻率振打（對(duì)流區(qū)）的碟片疲勞周期在12 個(gè)月左右，故規(guī)定在疲勞周期內(nèi)彈簧錘振打的彈簧碟片必須進(jìn)行全部更換。

圖1 單個(gè)彈簧壓扣示意圖

圖2 單臺(tái)振打彈簧壓扣布置圖

3.3.2 燃?xì)饷}沖除塵裝置的應(yīng)用

彈簧錘振打?qū)λ浔诿娴某倚Ч^好，但是在對(duì)流管束上的除灰效果則明顯變差。由于對(duì)流管束較長(zhǎng)且排列密集，為了確保密封效果，外部又有固定密封板包裹振打桿，所以彈簧錘振打很難把管束上的積灰清除干凈，時(shí)間一長(zhǎng)造成管束積灰肥大，致使換熱效果下降。為此，2015 年引進(jìn)了燃?xì)饷}沖除塵裝置。

（1）燃?xì)饷}沖除塵技術(shù)的原理。燃?xì)饷}沖除灰技術(shù)是將乙炔和空氣以一定的比例在脈沖發(fā)生器內(nèi)混合，爆燃后生成一定強(qiáng)度的脈沖波，反復(fù)作用于積灰表面上，從而將積灰或灰垢擊落。脈沖發(fā)生器內(nèi)部設(shè)置了“阿基米德螺線”障礙物，可以最大限度地破壞火焰陣面，提高沖擊波出口速度（1600m/s 左右），除灰能力得以改善。

（2）燃?xì)饷}沖除塵裝置的改進(jìn)。燃?xì)饷}沖發(fā)生器安裝之前為直線排列，對(duì)管束四個(gè)角的積灰清除不徹底，后改為錯(cuò)位排列，使除灰不留死角，如圖3 所示。

圖3 脈沖發(fā)生器排列圖

（3）運(yùn)行模式的優(yōu)化。根據(jù)鍋爐系統(tǒng)工況，對(duì)燃?xì)饷}沖除塵的運(yùn)行程序進(jìn)行了優(yōu)化，以鍋爐出口溫度為基準(zhǔn)設(shè)置三種運(yùn)行模式：全部運(yùn)行、單數(shù)運(yùn)行、雙數(shù)運(yùn)行，運(yùn)行間隔時(shí)間及循環(huán)運(yùn)行時(shí)間可調(diào)，中央控制室可以根據(jù)鍋爐溫度的變化選擇任意一種運(yùn)行模式自動(dòng)投入運(yùn)行。

燃?xì)饷}沖除塵裝置應(yīng)用于鍋爐對(duì)流部以來，除塵效果改善，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，故障率幾乎為零，因此停運(yùn)管束部分彈簧錘振打，剩余振打的運(yùn)行頻率也縮短一半，這在很大程度上降低了彈簧錘振打?qū)﹀仩t密封板的損害，保證了鍋爐的密封效果。

4 效果分析

近幾年通過對(duì)余熱鍋爐系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，鍋爐在積灰的防止和處理方面有了很大的進(jìn)步，特別是2015 年后對(duì)除灰系統(tǒng)的升級(jí)改造，降低了鍋爐受熱面的煙灰粘結(jié)，提高了鍋爐的換熱效果，具體見表1 所示。

表1 近年鍋爐出口煙氣溫度及蒸汽量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著閃速爐入爐原料的復(fù)雜化，余熱鍋爐在積灰防止和處理方面應(yīng)不斷改進(jìn)，以適應(yīng)新形勢(shì)發(fā)展的需要，同時(shí)應(yīng)大膽嘗試，利用新技術(shù)、新裝備不斷完善余熱鍋爐除灰系統(tǒng)，提高鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。