閃速爐余熱鍋爐存在的問題及優化措施

2018-03-22 10:32:52王國珍

銅業工程 2018年1期

王國珍

（江西銅業集團公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424）

1 引言

閃速爐余熱鍋爐處于閃速熔煉系統的中間環節，是廠控重要設備之一，它主要是利用高溫煙氣生產蒸汽，并對閃速熔煉產生的煙氣進行降溫和初步除塵，其運行狀況直接關系到整個工廠生產的安全順行，特別是在貴冶打造標桿工廠的過程中，其運行狀況尤為重要。但是隨著產能和環保要求的不斷提高，特別是近年來銅精礦品質復雜，雜質含量高，進入閃速爐余熱鍋爐的煙氣量及成分發生了很大的變化，對余熱鍋爐的安全運行造成了很大的威脅［1-2］。為了滿足生產和節能減排的要求，通過對余熱鍋爐存在的問題進行了梳理和分析，并對余熱鍋爐系統進行一系列的優化。

2 工藝簡介

閃速熔煉產生的高溫煙氣，經過余熱鍋爐冷卻和初步收塵后進入閃速爐電收塵進一步收塵，最后送入硫酸工序制酸［3］；其產生的蒸汽送往動力車間發電，發電后的尾汽干燥銅精礦。如圖1所示，余熱鍋爐處于整個生產的中間環節，起著承上啟下的作用，一旦鍋爐出現問題，閃速爐就要被迫停爐，其他相關工序和生產單位也要被迫停運，所以維護好鍋爐的穩定運行，關系到整個工廠的生產順行和產量任務的完成。

圖1 閃速熔煉流程圖

3 余熱鍋爐的運行現狀

貴溪冶煉廠一系統閃速爐余熱鍋爐是由日本川崎設計制造的BLW-77型強制循環余熱鍋爐，自1985年12月30日投入生產至今，期間雖然經過多次改造，但運行狀況整體良好。隨著產能規模的擴大和原料結構的改變，特別是近年來銅精礦品質復雜，雜質含量高，導致進入閃速爐余熱鍋爐的煙氣量及成分發生了很大的變化，這使得余熱鍋爐故障率也逐年升高，不利于工廠長周期生產穩定順行，故障統計如表1所示。

表1 閃速爐余熱鍋爐漏水事故統計

4 存在問題及原因分析

通過對閃速爐余熱鍋爐的運行狀況進行分析，總結出目前熔煉一系統閃速爐余熱鍋爐主要存在以下問題，針對這些問題進行了原因分析

4.1 漏水事故率逐年上升

從表1可以看出鍋爐的漏水事故率呈逐年上升趨勢，通過對近年來鍋爐的漏水事故進行了分析，總結如下。

4.1.1 高溫過熱

鍋爐前墻處于高溫區，實測煙氣溫度已經超過1400℃，每次年度大修都會對此處水冷壁進行檢修或更換，甚至堆焊合金層，以確保此位置鍋爐管的安全運行，但是效果并不理想，該區域的漏水事故率仍是最高的，為此截取漏水的鍋爐管進行物化分析，如圖2、3所示（圖2為正常爐管，圖3為事故爐管）。

圖2 1#管道外觀形貌

圖3 2#管道外觀形貌

（1）化學成分分析。分別對1#、2#試樣進行化學成分分析（表2）。

表2 1#、2#試樣化學成分分析對比

檢測結果：兩件試樣化學成分分析結果均符合GB 5310-2008中20G技術條件要求。

（2）物理性能測試。分別對3#、4#試樣進行力學性能測試（表3）。

表3 1#、2#試樣力學性能測試對比

檢測結果：兩件試樣力學性能分析結果均符合GB 5310-2008中20G技術條件要求。

（3）顯微組織分析。分別對1#、2#試樣進行顯微組織分析，1#試樣的顯微組織為較均勻的鐵素體+珠光體，見圖4所示，符合GB 5310-2008中對優質碳素結構鋼的顯微組織要求。2#試樣的顯微組織為魏氏組織+珠光體，見圖5所示，晶粒較1#試樣有明顯長大的現象。

圖4 1#試樣鐵素體+珠光體200×

圖5 2#試樣鐵素體+珠光體200×

（4）結果分析。1#、2#試樣的化學成分分析和力學性能測試結果，均滿足GB 5310-2008中20G技術條件要求。但2#試樣的顯微組織為魏氏組織+珠光體與1#試樣的鐵素體+珠光體存在明顯差異。且從圖4和圖5的對比中可以看出，2#試樣的魏氏組織和明顯長大的晶粒可以證明2#試樣存在過熱現象。故過熱的顯微組織降低了在酸性環境中抗腐蝕的能力，受煙氣中酸性物質的影響使鍋爐管首先在過熱區發生腐蝕而出現漏水事故。

4.1.2 漏風腐蝕

閃速熔煉系統為負壓控制，如果余熱鍋爐系統密封出現問題，漏入的冷空氣就會與內部的高溫含硫煙氣結合，在漏風點處形成稀酸腐蝕鍋爐管，如圖6所示。

圖6 受腐蝕爐管壁厚檢測

余熱鍋爐的漏風點主要集中在入口膨脹節、孔門和對流部。鍋爐的入口膨脹節連接著閃速爐上升煙道與余熱鍋爐，處于高溫區，在鍋爐負荷變化下有一定的伸縮量，主要問題是燒損和拉裂而漏風；鍋爐的孔門主要是為了檢查鍋爐內部情況，頻繁開閉的情況下就會破壞密封面而漏風；對流部主要是彈簧錘振打破壞密封板而漏風。

4.1.3 物理傷害

（1）機械振打對爐管的傷害。為了及時清除受熱面上的積灰，閃速爐余熱鍋爐設置了多臺彈簧錘振打。彈簧錘振打主要靠碟形彈簧片形成的振動波進行除灰，如果彈簧片失效振打就會對爐管產生損害。

（2）煙塵大塊墜落砸傷水冷壁。閃速熔煉煙氣中含有大量的熔融物和未反應的精礦粒子，熔融物在鍋爐入口處堆積形成煙塵大塊，未反應的精礦粒子在鍋爐輻射部繼續反應，反應物粘結在水冷壁上，如果不及時清除，就會形成煙塵大塊。

4.2 受熱面換熱效果降低

進入鍋爐的煙氣含塵量高達200 g/Nm3，大顆粒煙塵在輻射部沉降，較細的煙塵進入對流部容易粘結在對流管束上，如果不及時清除就會造成管束肥大，影響換熱效果［4-5］。貴冶閃速爐余熱鍋爐對流管束主要依靠頂部的彈簧錘振打進行除灰，由于管束較長而又密集，所以除灰效果很不理想，造成鍋爐對流部的換熱效果下降，致使鍋爐的出口煙氣溫度及含塵量超標，嚴重影響了后序電收塵及制酸工序的運行。

4.3 煙氣中氧氣濃度偏高，造成三氧化硫發生率居高不下

經研究三氧化硫轉化條件主要是煙氣中的含氧量、溫度及催化劑，催化劑在銅冶煉的煙氣中很難控制，轉化的溫度區間主要在400～600℃，即余熱鍋爐對流部。所以影響三氧化硫發生率偏高的主要因素為煙氣中的氧濃度及對流部的換熱效果。

5 優化措施

通過梳理和分析目前余熱鍋爐運行過程中出現的問題，做出了相應的優化及改造措施。

圖7 前墻水冷壁水循環回路優化

5.1 優化鍋爐的水力循環分布

（1）對鍋爐循環水分布進行了優化。在不改變原有循環管路的前提下，通過優化節流孔板尺寸，增加水循環回路，采用雙泵驅動等措施減少了系統水循環阻力，提高了鍋爐水循環流量（表4），改善了鍋爐傳熱效率。

表4 閃速爐余熱鍋爐水循環流量的優化前后對比

（2）輻射部前墻水冷壁的優化。針對鍋爐入口熱負荷偏高，對輻射部前墻水冷壁的水力循環進行了優化，把前墻水冷壁水循環回路由之前的18組更改為30組，縮短了水循環路線，提高了換熱效果，保護了前墻水冷壁管，如圖7所示。

5.2 鍋爐結構形式的優化

（1）優化管屏管束的布置。把對流管束由原來的8組改為7組，并拉大對流管間距，同時在輻射部尾部增加1組輻射管屏，降低了進入對流部的煙氣溫度，減少了對流管束的煙灰粘結，提升鍋爐的收塵效率，從而有效解決煙塵后移的問題，滿足了閃速爐電收塵入口煙氣溫度及含塵量的要求。

（2）優化輻射部頂棚水冷壁結構。之前為了防止煙灰粘結，把輻射部頂棚水冷壁管設計為Ω管形式，現在通過在頂棚設置彈簧錘振打，解決了煙灰粘結問題，所以把輻射部頂棚由Ω管改為膜式水冷壁，增加了輻射區的換熱面積，如圖8所示。

圖8 輻射部頂棚水冷壁結構型式的優化

（3）對流部增設燃氣脈沖除塵裝置。對流部尾部煙氣溫度相對較低，容易粘結煙灰造成管束肥大，影響換熱效果，所以利用2015年年修在第6、7組對流管束安裝燃氣脈沖除塵裝置，提高了除塵效率，改善了對流部換熱效果，降低了鍋爐出口煙氣溫度，為后序電收塵和硫酸工序創造了有利條件。

燃氣脈沖除塵裝置自從在鍋爐對流部應用以來，除塵效果較好，設備運行平穩，故障率幾乎為零，所以停運了第6、7組管束8臺彈簧錘振打，剩余8臺振打的運行頻率縮短一半，這在很大程度上降低了彈簧錘振打對鍋爐密封板的損害，保證了鍋爐的密封效果。

5.3 鍋爐密封的優化

（1）閃速爐鍋爐輻射部出入口伸縮節承擔著吸收鍋爐膨脹量和密封的作用［6-7］，特別是輻射部入口伸縮節，溫度較高、膨脹移動量大，此處極易被燒損、拉裂而漏風。2015年年修對此處伸縮節進行了改造，把原先分體式密封填料更改為整體式高溫填料；在煙氣側澆注剛玉莫來石耐火料，保護外部伸縮節；在伸縮節外側，把外護板延長并增加防拉脫倒鉤，壓扣改為腰子孔固定，這樣既保證了其伸縮量，又確保了密封效果，如圖9所示。

圖9 鍋爐出入口密封膨脹節改造

（2）鍋爐人孔及第一、二煙灰斗由于頻繁開啟，密封墊容易損壞，漏風腐蝕較為嚴重。為了解決這一密封問題，與某環保公司合作，共同研發出了一種金屬骨架與合成纖維相結合的人孔密封組件和灰斗密封罩，這種密封裝置能夠反復使用不變形，大大改善了此處密封效果，杜絕了人孔和灰斗處漏風腐蝕對鍋爐管的損害。

5.4 彈簧錘振打運行模式及安裝形式的優化

（1）根據煙灰粘結情況對余熱鍋爐的所有彈簧錘振打進行重新組對，實現了每臺、每組彈簧錘振打的運行時間和周期可以根據余熱鍋爐工況在中央任意調整；

（2）根據碟形彈簧片的疲勞周期，及時更換振打桿的碟形彈簧片；

（3）在振打梁與爐管之間安裝“管瓦”，防止振打梁脫焊時損傷鍋爐管。

5.5 鍋爐鹽化風的鼓入方式優化

最初鹽化風是從鍋爐入口引入的，鹽化風在鍋爐內與閃速爐高溫煙氣中的氧化物反應，生成硫酸鹽。其目的是防止煙塵在鍋爐受熱面及煙氣管道上形成粘結。但是實際生產過程中鹽化風與鍋爐內煙氣混合程度不佳，造成煙氣中氧濃度偏高。后經過多次試驗，把鹽化風鼓入點后移至閃速爐沉淀池頂部，其鼓入量根據每天鍋爐煙灰中硫酸鹽的含硫量進行調整，從而解決了鍋爐及開口部煙灰粘結問題，也降低了鍋爐內煙氣的含氧濃度。