轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐失效原因分析及對策

楊相喜

（攀鋼工程公司修建分公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

隨著冶煉技術(shù)快速發(fā)展，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼已成為國內(nèi)外主要的煉鋼方法，余熱鍋爐作為轉(zhuǎn)爐汽化冷卻關(guān)鍵設(shè)備，主要對煉鋼產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行冷卻、換熱、產(chǎn)生蒸汽，是轉(zhuǎn)爐余熱回收、節(jié)能減排的重要支撐[1]。攀鋼煉鋼廠有2 座提釩轉(zhuǎn)爐，余熱鍋爐長期處于高溫、高壓、多粉塵的環(huán)境中，高溫?zé)煔獾牧鲃雍蛡鳠崾謴?fù)雜，并伴有燃燒及傳質(zhì)過程。熱負(fù)荷隨冶煉周期頻繁而急劇變化，在壽命周期內(nèi)鍋爐管漏水的事故率高。活動煙罩上線2 年就發(fā)生漏水，固定煙道部分受阻力較大的三、四段煙道不到1 年就發(fā)生漏水。其他固定煙道平均壽命在3 年左右，經(jīng)常停爐檢修，不僅檢修工作量大、成本高，而且在安全運(yùn)行上存在隱患，對連續(xù)性生產(chǎn)造成很大影響。

1 失效原因分析

1.1 熱負(fù)荷過大

在投產(chǎn)初期，該余熱鍋爐運(yùn)行正常，能滿足生產(chǎn)所需，轉(zhuǎn)爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表1。近年來，通過加大管理力度、優(yōu)化生產(chǎn)組織，半鋼及釩渣產(chǎn)量都大幅度提高，其中半鋼年產(chǎn)量超112.5%、釩渣年產(chǎn)量超104.5%，熱負(fù)荷過大，鍋爐管內(nèi)的水汽化嚴(yán)重，冷卻不良，出現(xiàn)管子燒裂漏水現(xiàn)象，特別是在三段、四段煙道表現(xiàn)明顯，如圖1 所示。

表1 轉(zhuǎn)爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

1.2 循環(huán)冷卻水水質(zhì)控制不嚴(yán)

在日常管理中，水系統(tǒng)、煤氣回收等工藝輔助設(shè)備的管理相對寬松，未引起足夠重視，循環(huán)水水質(zhì)控制不嚴(yán)。由于汽包無加藥、取樣裝置，鍋爐冷卻水在循環(huán)過程中不斷蒸發(fā)、濃縮，pH 值動態(tài)變化，很難保證水堿度平衡。pH 值超標(biāo)會破壞鍋爐管金屬鈍化膜，加速氧對鍋爐管的電化學(xué)腐蝕，管壁變薄，嚴(yán)重時形成深坑和穿孔泄漏。如果鍋爐冷卻水水堿度過高，鍋爐管使用一段時間后就會出現(xiàn)結(jié)垢。通過對失效鍋爐管研究分析，水垢主要為碳酸鹽及磷酸鹽水垢，局部厚度約1 mm，嚴(yán)重影響汽化冷卻煙道的傳熱效果，在鍋爐管最薄弱處產(chǎn)生裂紋，發(fā)生漏水。

圖1 煙道鍋爐管漏水

1.3 煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

國內(nèi)外大部分鋼鐵企業(yè)為使轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐更加緊湊，設(shè)計(jì)安裝時立體空間3 個方向都有布置，煙道末端結(jié)構(gòu)常用圓弧式、多邊形式、直角式，有利于與凈化系統(tǒng)設(shè)備連接。公司提釩轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐采用直角式，三段、四段煙道上部轉(zhuǎn)角分別為90°，形成180°的轉(zhuǎn)角。煙氣在拐角處產(chǎn)生較強(qiáng)的漩渦、易結(jié)渣，溫度高、煙氣流速高的區(qū)域鍋爐管劣化趨勢明顯，產(chǎn)生裂紋或爆管漏水。通過應(yīng)用Fluent 軟件數(shù)值模擬不同結(jié)構(gòu)形式下煙道內(nèi)的煙氣流場、溫度場分布狀況，分析不同結(jié)構(gòu)形式煙道的使用壽命，制定優(yōu)化措施。

（1）物理模型。根據(jù)已知幾何尺寸，建立余熱鍋爐三維空間模型，模型空間區(qū)域?yàn)闊煔獾牧鲃訁^(qū)域，物理模型見圖2。

圖2 余熱鍋爐物理模型

（2）邊界條件。數(shù)值模擬時，網(wǎng)格劃分忽略膜式水冷壁對煙氣流動的影響，設(shè)入口煙氣流速為6.5 m/s、入口煙氣溫度1400 ℃、入爐爐氣量75 000 m3/h、煙道直徑2450 mm、中心線長度37 661 mm、自然循環(huán)壁面溫度140 ℃。

（3）速度場分析。高溫?zé)煔庠谟酂徨仩t內(nèi)的速度場分布如圖3 所示，活動煙罩處流速相對較低，在煙道末端流速逐漸增大。同等邊界條件下，直角式煙氣流速最大為31.6 m/s，圓弧式煙氣流速最大為35.2 m/s，多邊形式煙氣流速最大為33.3 m/s。

圖3 余熱鍋爐煙氣流速分布

煙氣速度矢量圖如圖4 所示，受轉(zhuǎn)角的作用，煙氣在煙道轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生較大離心力，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，而在內(nèi)側(cè)或拐角處出現(xiàn)回流，煙氣流速相對較低，出現(xiàn)較強(qiáng)的漩渦和低溫區(qū)，易結(jié)渣，煙氣離心力大的區(qū)域鍋爐管磨損最嚴(yán)重。

圖4 余熱鍋爐煙氣速度矢量圖

通過速度場分析可知，煙氣分布均勻性與煙道結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行中，余熱鍋爐三段、四段鍋爐管漏水頻率高，使用壽命最短。圓弧式煙道內(nèi)部沒有死角，煙氣流場分布均勻，對煙道磨損??；直角式煙道有2 個90°死角，流場分布很不均勻，煙道末端安裝基礎(chǔ)面兩側(cè)流速較高，沖刷最嚴(yán)重；多邊形式煙道彎管相比直角式彎管，結(jié)構(gòu)平緩，流場分布比較均勻。通過對比，圓弧式、多邊形式煙道彎管受煙氣磨損較小，更有利于提高使用壽命。

（4）溫度場分析。余熱鍋爐內(nèi)煙氣溫度分布如圖5 所示，隨煙道的延伸，煙氣溫度逐漸降低，到煙道末端出口溫度降至允許范圍。直角式煙道出口煙氣溫度為892 ℃，圓弧式煙道出口煙氣溫度為945 ℃，多邊形式煙道出口煙氣溫度為923 ℃。經(jīng)過對比可知，圓弧式煙道的溫度場分布最均勻，出口溫度相對較高，說明換熱能力最差；直角式煙道溫度分布不均勻，煙道內(nèi)壁面溫度高，出口煙氣溫度相對較低，換熱能力強(qiáng)；多邊形煙道結(jié)構(gòu)平緩，溫度分布較均勻，低溫區(qū)范圍要大一些，出口溫度相對較低，換熱能力較強(qiáng)。

2 改進(jìn)措施

2.1 優(yōu)化余熱鍋爐末端結(jié)構(gòu)形式

綜合分析煙氣在余熱鍋爐內(nèi)的速度場和溫度場分布，相比直角式和圓弧式彎管，多邊形煙道更有利于延長余熱鍋爐的使用壽命。綜合設(shè)備改造成本，將三段、四段煙道由直角式改造成多邊形式結(jié)構(gòu)，煙道轉(zhuǎn)角由原來90°變?yōu)檗D(zhuǎn)2 個45°，改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖5 余熱鍋爐煙氣溫度分布

圖6 余熱鍋爐改造前后結(jié)構(gòu)

2.2 循環(huán)冷卻水水質(zhì)控制

為達(dá)到在鍋爐軟水中投加磷酸鹽作為阻垢劑，需對轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐系統(tǒng)的汽包軟水加藥、取樣裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝施工。在鍋爐的補(bǔ)充軟水中增加加藥裝置，藥劑為磷酸鹽，加藥點(diǎn)為每個余熱鍋爐的汽包。

在加藥取樣系統(tǒng)投產(chǎn)初期，由于除垢劑作用，循環(huán)系統(tǒng)會出現(xiàn)水體渾濁、鐵離子濃度升高的現(xiàn)象，可以通過增加排污次數(shù)改善水質(zhì)，具體控制指標(biāo)見表2。

表2 鍋爐水水質(zhì)控制參數(shù)

3 結(jié)論

（1）對余熱鍋爐失效的原因分析，確定了煙道結(jié)構(gòu)不合理、熱負(fù)荷大、循環(huán)水水質(zhì)控制不嚴(yán)等問題是造成使用壽命短的制約因素。研究表明多邊形結(jié)構(gòu)更有利于提高使用壽命。

（2）汽包增設(shè)加藥、取樣裝置，有效解決了冷卻循環(huán)系統(tǒng)pH值和水堿度失衡的現(xiàn)狀，有效控制鍋爐冷水水質(zhì)，減輕鍋爐管酸性腐蝕和結(jié)垢。

（3）工程實(shí)踐證明，改進(jìn)后有效延長余熱鍋爐的使用壽命，大大降低了維護(hù)成本，為生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。