高壓轉爐余熱鍋爐的設計優化及運行維護的分析探討

摘 要：轉爐余熱鍋爐作為回收能量和控制污染的主要設備，在實際工程中的應用是十分廣泛的，而轉爐余熱鍋爐在應用中存在使用壽命短、易損壞、檢修費用高等問題。文章結合余熱鍋爐實際應用中的情況，對余熱鍋爐的優化設計和運行維護提出理論依據，以實現延長使用壽命的目標。

關鍵詞：余熱鍋爐；設計優化；運行維護

1 轉爐余熱鍋爐的應用

在鋼鐵廠的煉鋼吹煉過程中，轉爐會產生大量的高溫煙氣，煙氣中不僅含有大量的熱量，還含有煙塵、飛灰、氮氧化物等污染成分，如果任其直接排放到大氣中，不但會造成空氣污染，影響環境質量，同時會造成煙氣中所含熱量的浪費。因此，轉爐余熱鍋爐就成為了鋼鐵廠回收能量和降低污染的重要設備。轉爐余熱鍋爐是煉鋼系統中的重要部分，其主要作用是利用轉爐吹煉產生高溫煙氣作為熱源生產蒸汽，不但有效利用了煙氣中的余熱，還能降低排煙溫度，為轉爐煙氣除塵創造條件。

2 轉爐余熱鍋爐的結構

作為煙氣余熱回收的主體設備，鋼鐵廠煉鋼轉爐的余熱鍋爐，一般采用汽化冷卻煙道結構的蒸汽回收系統，來有效利用煉鋼生產過程排出煙氣的高溫余熱。鍋爐的主要受熱面共分為四部分：（1）錐形活動煙罩：為鋼管組成的錐形結構，活動煙道水循環為低壓強制循環系統，不參與固定煙道的水循環。（2）固定煙道：為圓筒形膜式水冷壁結構，下部與給水環形集箱連接，上部與蒸汽匯集環形集箱連接，形成獨立的水循環回路。（3）主煙道：為圓筒形膜式水冷壁結構，下部與給水環形集箱連接，上部與蒸汽匯集環形集箱連接，形成獨立的水循環回路。（4）尾部煙道：下部與給水環形集箱連接，上部與蒸汽匯集環形集箱連接，形成獨立的水循環回路。煉鋼轉爐余熱鍋爐是由膜式水冷壁構成的一個鋼制汽化冷卻煙道。煙道的每一部分都有單獨的水循環系統，移動煙罩為低壓循環，其余煙道段水循環都屬于高壓循環。其汽水系統如圖1所示，低壓循環部分，循環水來自除氧水箱，經低壓循環泵將除氧水分別送至活動煙罩、氧槍口及下料口吸熱后，形成的汽水混合物回到除氧水箱。高壓循環部分，循環水起于汽包，經高壓循環泵分別送至各段煙道，吸熱后產生的汽水混合物回到汽包。

1-活動煙罩；2-固定段煙道；3-汽包；4-高壓循環泵；5-除氧器及除氧水箱；6-低壓循環泵；7-氧槍口；8-下料口

圖1 余熱鍋爐汽水系統圖

3 轉爐余熱鍋爐應用中的問題及優化設計

3.1 優化水循環工況

良好的水循環是余熱鍋爐安全運行的根本。由于煉鋼吹煉的周期性，煙道內熱負荷會急劇變化，造成水循環不安全。對此，可以采取加粗下降管和進出口聯箱管道，提高流動截面比，減小循環回路的阻力。

3.2 防止低周疲勞

在實際應用中我們發現，聯箱和管接頭的聯接處、水冷壁下部的管子彎頭處易產生裂紋，這些區域就是爆管事故高發區，而裂紋的產生正是由于低周疲勞。解決低周疲勞問題，可以從以下方面進行考慮。（1）首先要考慮材料問題。建議采用強度較高的材料，如選用15CrMo，15CrMo具有較強耐高溫能力，在熱負荷高的區域其安全性更好。（2）聯箱與管道的接口形式采用平座式聯接形式設計，可以增加聯箱與管接頭聯接處抵御低周疲勞的能力。

3.3 解決熱膨脹問題

煉鋼轉爐余熱鍋爐的熱膨脹對設備運行安全性有重要影響，在優化設計時，要考慮鍋爐本體高溫運行工況下的受熱膨脹，必須在鍋爐本體和鋼結構之間預留足夠的膨脹余量。對于活動煙罩和與其連接的上升管和下降管之間的柔性連接件，可以采用絞鏈型波紋補償器。這種波紋補償器可直接與管道進行焊接，無密封件，在運行中不會因密封件損壞而發生泄漏。

4 轉爐余熱鍋爐的運行管理及維護

4.1 確定合理的工藝系統

對于大型轉爐的活動罩裙，可以采用熱水密閉循環方式，由于熱水冷卻是單相介質冷卻，不會發生膜態沸騰，可有效提高罩裙壽命。對于中小型轉爐，則可以采用全汽化冷卻方式。

4.2 確定合適的系統運行壓力

提高運行壓力，有利于回收蒸汽，還能節省基建費用，但是壓力的提高，會造成自然循環更加困難，影響余熱鍋爐運行的安全性和使用壽命。因此需要選擇一個合適的運行壓力，兼顧效益和安全兩方面的平衡。根據我國目前設備制造和運行管理水平，余熱鍋爐的設計壓力一般定在2.5MPa左右較適宜。

4.3 加強水質管理和監督

轉爐余熱鍋爐的補給水系統中，軟化水一般都會存在不同程度的殘余硬度，隨著爐水不斷蒸發可能結垢，造成設備腐蝕。給水水質的好壞是影響轉爐煙道的使用壽命的一個重要因素。因此，給水水質的取樣、化驗的水平和監督力度，是保證余熱鍋爐長期安全運行的關鍵環節之一，必須給予足夠重視。

4.4 穩定運行壓力

余熱鍋爐的運行壓力波動，會造成水循環不穩定，也是影響余熱鍋爐運行安全的重要原因。針對這一問題，可以在汽包出口設置閥前壓力調節，保持汽包內壓力穩定。

4.5 加強操作管理水平

轉爐余熱鍋爐故障的發生是一個相對緩慢的過程，只要操作人員有高度的責任感和過硬的技術水平，在轉爐余熱鍋爐運行過程中注意監控，就可以做到及時發現故障征兆，采取合理措施，準確處理事故，消除安全隱患。

5 結束語

文章主要從設計和運行維護兩個方面出發，分別分析了其對轉爐余熱鍋爐使用壽命的影響，并提出相應的改進措施。由此可以看出，我們只要從設計、制造和生產管理各個方面給予足夠重視，轉爐余熱鍋爐的使用壽命是可以得到顯著提高的。

參考文獻

[1]張桂蘭.轉爐余熱鍋爐的應用[J].天津冶金，2007，4：66-68.

[2]趙文彬，姚易先.轉爐余熱鍋爐煙道故障及其防護[J].冶金動力，1999，1：1-4.

作者簡介：李亮（1986，1-），男，重慶市九龍坡區，現職稱：助理工程師，學歷：本科。