富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐的研究與開發

陳逢勝，王崗

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐的研究與開發

陳逢勝，王崗

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

針對富氧頂吹浸沒噴槍熔池熔煉技術首次應用于大規模鎳冶煉工業化生產，研發成功了世界上首臺富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐，該余熱鍋爐是目前世界上蒸發量最大的有色冶金爐余熱鍋爐。介紹了富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐的性能參數、結構特點、創新性、先進性、運行情況和運行效益，指出了其在余熱回收領域的重要意義和應用前景。

鎳熔煉;頂吹爐;余熱鍋爐;蒸發量;創新

1 前言

金川集團有限公司原采用鎳閃速爐熔煉技術為主進行鎳冶煉［1］。為了進一步擴大生產規模，增強對原料的適應能力，提升鎳冶煉的技術和裝備水平，金川集團有限公司決定采用由金川集團有限公司、澳大利亞澳斯麥特公司和中國恩菲工程技術有限公司聯合開發的JAE富氧頂吹浸沒噴槍熔池熔煉技術新建一套鎳冶煉系統，這是JAE富氧頂吹浸沒噴槍熔池熔煉技術首次應用于大規模鎳冶煉工業化生產。作為該項目中最為關鍵的設備之一，富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐系統由中國恩菲工程技術有限公司總承包。

隨著有色冶煉技術的發展，近幾年來采用頂吹爐作為熔煉爐和吹煉爐的應用越來越多。在冶金爐后設置余熱鍋爐，通過高溫煙氣與余熱鍋爐受熱面之間的熱交換使煙氣冷卻，同時利用煙氣冷卻過程中放出的熱量生產蒸汽，不僅可以有效地冷卻冶煉煙氣，減少污染，滿足后續煙氣除塵和制酸工藝的要求，確保冶煉工藝的安全生產，而且可以充分回收煙氣余熱，節約燃料，降低冶煉能耗，提高整個工藝過程的經濟性［2］。頂吹爐后面設置的頂吹爐余熱鍋爐則是頂吹冶煉過程中必須的一個關鍵設備，余熱鍋爐運行的穩定直接關系到整個冶煉工藝生產。

2 余熱鍋爐參數和結構

2.1 余熱鍋爐設計參數

金川富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐的設計是基于以下煙氣條件進行的:

余熱鍋爐入口煙氣量:117678Nm3/h(正常)，

130000 Nm3/h(最大);

余熱鍋爐入口煙氣溫度:1380±50℃;

余熱鍋爐入口煙氣成份(Vol.%):

CO217.87，SO30.13，SO215.81，H2O22.55，O23.37，N240.27;

余熱鍋爐入口煙氣含塵量:37.95g/Nm3;

余熱鍋爐工作壓力:4.6MPa;

余熱鍋爐工作溫度:260℃;

余熱鍋爐蒸發量:96t/h(正常)，105t/h(最大);

余熱鍋爐排煙溫度:341℃(正常)，348℃(最大)。

2.2 余熱鍋爐結構

本余熱鍋爐采用直通式強制循環鍋爐，由熔煉爐爐蓋、上升煙道、下降煙道和水平布置的對流區四部分組成。熔煉爐爐蓋、上升煙道、下降煙道和對流區外墻均由膜式水冷壁組成。余熱鍋爐結構示意圖如下:

圖1 余熱鍋爐結構示意圖

上升煙道尺寸為3020×5060mm，高約37m。上升煙道下部采用單獨受熱面稱水冷屏，水冷屏高度約為0.48m，水冷屏與上升煙道上部采用耐高溫柔性膨脹節連接。

下降煙道尺寸為4100×5060mm，高約40m。上升煙道和下降煙道之間為過渡區，過渡區頂部設置1個防爆門，防爆門外部設防護煙罩和煙道，煙道接至安全地點。下降煙道前墻與上升煙道后墻連接處采用傾斜結構，與水平面的傾角為65°，以減輕煙灰的粘結。

對流區寬為4480mm，直段高為7050mm，長度約40m。對流區內部布置1塊煙氣擋板和8組對流管束，并預留1組管束的位置。8組對流管束中有2組屏式結構的管束，6組為順列結構的管束。

熔煉爐和水冷屏之間設置煙氣閘板，煙氣閘板由鋼結構框架和耐火澆注料組成，上升煙道兩側設置導軌，煙氣閘板沿導軌滑動，正常運行時，煙氣閘板放在爐外。

在余熱鍋爐的下列部位設置柔性膨脹節，水冷屏與熔煉爐爐蓋接口、下降煙道與對流區接口、余熱鍋爐出口。膨脹節的作用是補償兩部分之間的不同方向的熱膨脹，防止外部空氣或內部煙氣的泄漏，避免鍋爐受熱面的腐蝕，改善操作環境。

余熱鍋爐垂直煙道采用懸吊結構，上升煙道和下降煙道作為一個整體懸吊于廠房鋼結構68.0m層橫梁上。對流區作為一個整體通過箱形梁支撐在對流區鋼結構柱側。下降煙道和對流區兩部分之間留有膨脹縫。

余熱鍋爐爐體采用熱膨脹導向裝置。清灰采用彈簧錘清灰裝置，共設置了123組彈簧錘。

余熱鍋爐灰斗下部設置刮板除灰機，刮板除灰機將鍋爐灰斗的煙灰運出爐外，通過灰管進入電收塵煙灰輸送系統。下降煙道下部設灰斗，灰斗上設置格柵，以免大塊積灰直接進入煙道卡死，大塊積灰由人工從灰斗人孔門清出。

3 余熱鍋爐的創新性、先進性

該余熱鍋爐是世界上首臺富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐，也是目前世界上蒸發量最大的有色冶金爐余熱鍋爐，具有入爐煙氣量大，煙氣溫度高，運行工況變化頻繁，熱負荷波動大等特點。

成功解決了余熱鍋爐大面積受熱面的熱膨脹及結構穩定性問題［3］，在煙氣量和爐膛負壓劇烈波動的工況下，余熱鍋爐爐體結構沒有明顯的振動或搖擺。

實現了余熱鍋爐關鍵受熱部件的結構創新。全新的膜式壁結構熔煉爐爐蓋成功解決了澆筑料易脫落問題，并保護了爐蓋管子不被磨損和侵蝕;水冷屏和進口密封裝置采用的獨特設計，實現了爐外清理水冷屏內部結焦，并能在澳斯麥特爐熱態下方便地提升水冷屏以插入煙氣閘板。改進了防爆門裝置，大大降低了防爆門上產生結焦的風險，提高了鍋爐運行的安全性。通過優化余熱鍋爐結構，同時采用先進可靠的清灰裝置，及時在線清理余熱鍋爐各受熱面的積灰和結焦，成功地解決了余熱鍋爐普遍存在的煙塵粘結和結渣問題［4-5］，提高了受熱面的換熱效率。余熱鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關聯的復雜控制對象［6］。針對富氧頂吹鎳熔煉爐快速投料和停料的特點，余熱鍋爐采用強制循環，在負荷劇烈波動的工況下余熱鍋爐仍具有良好的水循環特性，未發生水循環停滯、倒流等情況，從而使余熱鍋爐可以快速啟動，能適應負荷的波動，提高了余熱鍋爐的可靠性。

改進了供電電源的配置。根據現場的供電情況，采用3回路電源，確保了供電的可靠性。3回路電源的切換采用計算機自動控制，其轉換時間控制在30s以內。另外還設置了蒸汽驅動泵，既節約了能源，又起到了保安的作用。

改進了鍋爐參數檢測和控制系統。對給水泵進水總管、除氧器除鹽水水質電導率等多項參數實現了在線檢測，迅速及時地監測鍋爐的運行狀況;鍋爐控制除了與本身的檢測系統融合在一起，同時與冶煉的工藝控制系統進行連鎖，使兩個系統緊密地結合到一起，當冶煉工藝參數超過余熱鍋爐承受范圍時，連鎖裝置發生作用，切斷冶煉工藝的加料和供風，大大地提高了整個生產系統的控制水平。

4 余熱鍋爐運行情況

金川公司富氧頂吹鎳熔煉工程是目前全球最大的富氧頂吹鎳熔煉項目，項目投資22億元，設計年處理鎳精礦100萬t，每年新增鎳冶煉能力高鎳锍含鎳量6萬t。鎳熔煉爐內徑?5.0m，爐內高16.5m，是目前世界上直徑最大，爐膛高度最高的頂吹熔煉爐，它處理的鎳精礦氧化鎂含量較高，熔煉溫度要比銅精礦高150～200℃，這就使富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐具有入爐煙氣量大，煙氣溫度高的特點。該余熱鍋爐設計煙氣量為117678m3/h，最大煙氣量130000m3/h，入口煙氣溫度1380±50℃，設計蒸發量為93t/h，最大蒸發量105t/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度350±30℃。試生產階段發現實際進入余熱鍋爐的煙氣量遠遠大于設計時預測的入爐煙氣量，余熱鍋爐蒸發量經常超過設計最大蒸發量，因此對余熱鍋爐的水循環系統進行了適當調整，使余熱鍋爐的最大蒸發量達到160t/h。目前實際生產過程中，余熱鍋爐平均蒸發量約為126t/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度320～360℃。

該項目于2006年9月30日開工建設，于2008年10月20日正式投產運行，經過近一個月的投料試運行，生產能力等各項指標就基本達到并部分超過設計能力。富氧頂吹鎳熔煉余熱鍋爐經歷了大負荷、JAE爐系統反復調整的復雜工況的考驗，余熱鍋爐以其良好的工況適應性，各項技術指標均達到規定的性能指標，完全滿足富氧頂吹爐生產工藝要求。以余熱鍋爐實際運行數據為計算依據，余熱鍋爐平均蒸發量為126t/h，年產汽量:997920t，年回收余熱折合標準煤9.2萬t。為后續煙氣收塵和煙氣制酸創造了較好的條件，同時回收了大量的冶煉煙氣余熱，提高了整個冶煉工藝生產的經濟性。

5 結束語

富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐的研制成功，解決了同類型余熱鍋爐設計中所面臨的許多技術問題，進行了大量的技術創新，保證了整個項目的順利投產并達產，為業主創造了很好的經濟效益，為冶煉廠真正實現節能減排創造了條件，也為有色冶金行業余熱回收技術的發展做出了巨大貢獻，在業內產生了深遠的影響，具有重大的意義。

該項目的研究內容處于余熱回收技術發展的前沿，其成果達到國際先進水平，在我國有色冶煉余熱回收領域具有很好的市場前景和極大的推廣價值。

［1］王偉，李光.金川鎳閃速熔煉爐現狀及前景展望［J］.有色金屬(冶煉部分)，2003(1):2-5.

［2］阮建國，曾達云，宋冬根.大型銅冶煉廠煙氣余熱回收及熱電聯產［J］.有色冶金設計與研究，1994(4):27-34.

［3］陸樹友.金昌冶煉廠澳斯麥特爐余熱鍋爐的設計特點與運行效果［J］.中國有色冶金，2004(6):38-39.

［4］北京有色冶金設計院.余熱鍋爐設計與運行［M］.北京:冶金工業出版社，198246-52.

［5］楊毓和.控制艾薩爐余熱鍋爐結渣探討［J］.中國有色冶金，2007(5):19-22.

［6］余以慧.過程控制［M］.北京:清華大學出版社，1998:112-119.

Research and Development of Waste heat boiler for Oxygen-enriched Top-blast Nickel Smelting Furnace

CHEN Feng-sheng，WANG gang

(China ENFI Engineering Crop.，Beijing 100038，China)

When the oxygen-enriched top-blast submerged-lance melting-bath smelting technology first applying in the large -scale nickel refining commercial progress，the first waste heat boiler(WHB)for oxygen-enriched top-blast nickel smelting furnace is researched and developed in the world.The evaporating capacity of the WHB is the largest in WHBs for nonferrous metallurgy furnace in the world.The performance parameter，structure feature，innovation，advancement，operating status and operating efficiency are introduced in this article.Meanwhile，the significance and the applying prospect in the waste heat recovery are stated here.

nickel smelting;top-blast furnace;waste heat boiler;evaporating capacity;innovation

TK229.92+9

A

1009-3842(2011)06-0038-03

2011-09-26

陳逢勝(1976-)，男，湖南瀏陽人，工學碩士，工程師，主要從事余熱鍋爐的設計和研究工作。E-mail:chenfs@enfi.com.cn