銅側吹熔煉余熱利用裝備及工藝的適應性設計

魏烈旭

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

1 引言

銅側吹熔煉余熱鍋爐除了回收高溫煙氣的余熱之外，最重要的責任是熔煉工藝配套服務，如果側吹熔煉余熱鍋爐不能正常穩定地運行，嚴重的會造成整個熔煉工序停爐才能檢修，長時間停爐給生產企業帶來的損失將會是非常巨大的，每停一次爐產生的電費損失、重新開爐的燃料費用、作業率減少造成的經濟損失等。所以銅側吹熔煉余熱鍋爐結構設計方面一定要充分理解所用之處的工藝特點，如果只以產汽為目的而不考慮工藝的適應性就注定是失敗的。實踐表明，熔煉余熱鍋爐常因上升煙道及輻射室粘結嚴重、結大塊，對流區管束堵塞等問題，嚴重影響正常生產［1-3］，本文重點針對上述問題探討銅側吹熔煉余熱鍋爐的結構設計。

目前對銅冶煉廠熔煉爐煙氣余熱回收大都采用余熱鍋爐形式，產生的中壓飽和蒸汽采用背壓機組或者抽凝式機組蒸汽利用方式［4-7］，而熔煉余熱鍋爐產出的中壓飽和蒸汽經過熱后直接拖動的應用方式國內應用較少，本文針對25萬t陰極銅規模所配套的銅熔煉余熱鍋爐所產中壓飽和蒸汽采取過熱后直接拖動的利用方式進行比選分析。

2 熔煉爐煙氣特性及煙氣參數

側吹熔煉爐是連續作業，煙氣量幾乎無波動，煙氣溫度較高，含塵量大，二氧化硫含量高，煙塵的物理化學性質特別復雜，尤其是煙氣溫度高的區域更容易粘結、結塊和積灰，而余熱鍋爐尾部的管束易發生磨損，煙氣中二氧化硫含量高容易發生低溫腐蝕。側吹熔煉余熱鍋爐進口煙氣參數見表1所示。

表1 側吹熔煉余熱鍋爐進口煙氣參數

3 余熱鍋爐循環方式

由于銅熔煉爐的煙氣具有煙溫高、煙氣成分復雜、具有腐蝕性，且含有大量粘結性煙塵的特點，所以其余熱鍋爐一般均采用強制循環，且循環倍率比較高（20倍以上）［8］，本文銅側吹余熱鍋爐采用強制循環，利用循環水泵作為動力給循環水加壓，強迫鍋水循環流動。鍋爐水循環必須經過計算合理分配各個受熱面的流量，比如上升煙道煙溫總體很高需要較大的循環倍率保證充足的水量使其降溫，同時保護水冷壁管子提高余熱鍋爐的使用壽命，否則會導致余熱鍋爐內的水產生循環停滯、循環倒流、汽水分層或下降管帶汽等現象，嚴重時會產生管段過熱變形，甚至爆管，對熔煉爐的正常生產產生威脅。另外受熱面受熱強度的不同，在不同的溫度區間水循環回路也應合理分配和計算，高溫區水回路不宜過長，低溫區卻應適當增長，同時水循環倍率也可適當減小，從而減少泵的阻力，減少流量，降低投資和運行成本，在余熱鍋爐設計中每根受熱面管入口設置節流圈，保證每根管得到可靠的冷卻。本文余熱鍋爐上升及下降煙道較高，考慮煙道受熱管的熱負荷強度的不同分別設計成3段及2段且均為單獨水循環，高溫區單獨回路長度控制在25～55m（按溫度區間選取），整臺余熱鍋爐總循環回路為955個，循環流量為2000m3/h，循環倍率設計值為23倍。

4 側吹熔煉爐余熱鍋爐結構形式選擇

（1）立式結構形式。現在銅側吹熔煉爐余熱鍋爐大都采用上升煙道、下降煙道和水平煙道的結構形式，這種結構形式的煙氣順暢，可減少煙塵的粘接；上升煙道高，煙氣停留時間長，有利于煙塵的沉降，降低煙塵率；熔煉爐出口煙氣直接進入余熱鍋爐的上升煙道，上升煙道布置的水冷壁可有效吸收爐口輻射熱和高溫煙氣余熱，煙氣余熱回收熱效率高；上升煙道布置形式，會增加工藝廠房的高度，余熱鍋爐汽包平臺較高，不利于余熱鍋爐日常的點檢和維護；采用立式結構形式需要做好上升煙道漏水的應急措施，以免上升煙道漏水進入熔煉爐內造成安全事故。

（2）臥式結構形式。熔煉余熱鍋爐采用臥式結構形式，需要在熔煉爐出口和余熱鍋爐進口之間設置連接煙道，以閃速熔煉爐余熱鍋爐連接煙道的長期使用效果來看，連接煙道處經常粘結，不便清理，需要對物料成分進行有效控制，否則連接煙道處和余熱鍋爐輻射室入口處經常結大塊，需要人工清理，影響整個冶煉工藝的順暢運行；采用臥式結構形式，占地面積比立式形式的占地稍大，可能對整個廠區的布置產生影響。

本文熔煉余熱鍋爐采用立式結構形式，且在余熱鍋爐入口處增加電動插板，若上升煙道出現漏水狀況后，電動插板及時將余熱鍋爐入口閘死，以防漏水進入熔煉爐內造成安全事故。

5 側吹熔煉爐余熱鍋爐結構設計

5.1 上升煙道結構設計

上升煙道入口流速不易過大，流速過大射流現象加劇，容易產生偏流或射向頂棚，煙氣溫度就不會降低至設計值，較低的煙氣流速有助于大部分煙塵尚未和管壁接觸被分離沉降下來，即使有些松散的積灰附在管壁上，也容易用機械方法清除，本文設計上升煙道入口截面尺寸為4.056m×4.056m，保證煙氣標況流速在1.5m/s以下。上升煙道結構設計還需要重點考慮實際生產過程中入口處及入口以上7m范圍內的部位容易粘結熔融狀煙塵，易形成煙塵大塊，且質地比較堅硬，清除比較困難的問題，在上升煙道入口處須增設清理門，同時為了方便后續維修更換，此部位設計成單獨的水循環。上升煙道具體設計如下所示。

上升煙道設計成三段：第一段為過渡段煙道，高約6.75m，此部分位于高溫區域易粘接形成煙塵大塊及受高溫煙氣沖刷，且熱負荷大，故設計成單獨水循環，便于維修更換；第二段為上升煙道中部煙道，高約14.25m，單獨水循環；第三段為上升煙道上部煙道，高約11m，單獨水循環，上部煙道拐角處角度為65°，便于落灰，防止掛渣結大塊。上升煙道頂棚的沖刷方式考慮縱向沖刷，縱向沖刷積灰速度遠小于橫向沖刷，而且也減小磨損。本文上升煙道頂棚低于水平過渡煙道和下降煙道頂棚2000mm，拐角連接處采用大角度彎制而成，以便掛渣方便脫落，單獨水循環，方便維修更換。上升煙道均由膜式水冷壁組成，水冷壁由φ38×5的鍋爐無縫鋼管和5mm厚的扁鋼焊制而成，管子間距56mm，上升煙道總高約32m。

上升煙道與下降煙道部連接拐點處處于煙氣漩渦區域，此處易磨損且容易積灰，設計采用兩邊開斜坡的型式，既減短了斜坡的長度又能保證夾角的角度。對于磨損設計采用不銹鋼護板來保護受熱面管，此外在此區域開設清理門便于日常清灰。

5.2 下降煙道結構設計

下降煙道由膜式水冷壁組成，其兩側墻分別寬于上升煙道兩側墻672mm，以進一步降低煙氣流速，減少下降煙道掛渣，下降煙道總高約24m，設計成二段單獨水循環煙道。下降煙道尺寸為5.4m×5.4m,由Φ38×5的鍋爐鋼管和5mm厚的扁鋼焊制而成，管子間距56mm。下降煙道與上升煙道一起通過吊桿裝置懸吊于鋼架頂部大板梁上，整體向下熱膨脹位移。

側吹熔煉余熱鍋爐下降煙道正對下部設有單獨較大落灰斗，便于大塊灰渣清理，此外下降煙道底部下收口膜式水冷壁與落灰管連接時應設有耐高溫軟連接，使得落灰管和膜式水冷壁成為兩體結構，收口處膜式水冷壁內附8～12mm不銹鋼護板，以防高空落渣塊砸傷管壁。

5.3 水平煙道結構設計

水平煙道依次布置1塊輻射煙氣檔板、1組凝渣管屏、5組對流管束及2組預留對流管束，輻射煙氣擋板可使煙氣充分充滿輻射腔室從而提高換熱效率，另外起到擋塵的作用，使煙塵在輻射空腔內最大程度的沉降從而減輕對流部管束的積灰，一般致密而堅硬的積灰，都有玻璃狀物料和一些低熔點共熔物組成，它們的熔點一般在750℃左右，同時考慮到煙塵具有熱惰性，它的冷卻速度比煙氣緩慢，煙塵的溫度比煙氣溫度高100～250℃左右，考慮這些因素，輻射冷卻室出口煙氣溫度控制在650℃左右。

輻射室外壁由膜式水冷壁組成，由φ38×5鍋爐鋼管和厚度為5mm的扁鋼焊接而成，管子間距為80mm。對流區外壁也由膜式水冷壁組成，由φ38×5鍋爐鋼管和厚度為5mm的扁鋼焊接而成，管子間距為100mm。管束均由φ38×5的鍋爐鋼管繞制而成，管束設置有頂罩，頂罩密封板（與煙氣接觸）采用6mm的304不銹鋼板，頂罩設計為全密封焊接結構。

余熱鍋爐熱力計算匯總如表2所示。

表2 余熱鍋爐熱力計算匯總表

余熱鍋爐結構示意圖如圖1所示。

圖1 熔煉余熱鍋爐結構示意圖

6 蒸汽利用方式

經熱力計算，熔煉余熱鍋爐飽和蒸汽產量為67t/h，蒸汽壓力為5.0MPa，因硫酸轉化工序主轉化一段釋放大量的熱量，考慮將熔煉余熱鍋爐飽和蒸汽過熱，經計算，產出的過熱蒸汽參數為4.9MPa，425℃。根據全廠蒸汽平衡，本項目余熱鍋爐產出蒸汽大于全廠所需的蒸汽負荷，按照能源梯級利用原則，中壓蒸汽可考慮送余熱電站發電（背壓式）或汽力拖動（背壓式），汽力拖動產生的乏汽（蒸汽參數為0.8MPa、185℃）供至廠區生產工藝用汽，汽力拖動制氧站離心空壓機，兩種蒸汽利用方案技術經濟比較如表3所示。

表3 蒸汽利用方案技術經濟比較表

綜合考慮設備費用、能耗、運行費用等方面因素，本文采用中壓汽拖方案，經計算，汽拖最大可拖動7085kW，見表4所示, 而制氧站離心空壓機功率約為37500kW，即使全部中壓蒸汽送入汽拖也無法拖動離心機,因此制氧站離心空壓機采用汽拖+電驅相結合的的形式運行。

表4 汽力拖動最大拖動功率計算表

7 結論

（1）針對銅側吹熔煉爐煙氣溫度較高，含塵量大，二氧化硫含量高，煙塵的物理化學性質特別復雜的特點，設計與煙氣特點相適應的余熱鍋爐，銅側吹熔煉余熱鍋爐采取強制循環，立式形式，詳細分析了余熱鍋爐上升煙道、下降煙道和水平煙道的結構設計，最終上升煙道入口截面尺寸為4.056m×4.056m，設計為三段單獨水循環，便于維修更換；上升煙道拐角處角度為65°，便于落灰，防止掛渣結大塊；下降煙道截面尺寸為5.4m×5.4m，設計為二段單獨水循環。水平煙道依次布置1塊輻射煙氣檔板、1組凝渣管屏和5組對流管束，輻射煙氣擋板可使煙氣充分充滿輻射腔室提高換熱效率，另外起到擋塵的作用。

（2）熔煉余熱鍋爐飽和蒸汽產量為67t/h，且比較穩定，本文將飽和蒸汽經硫酸轉化工序主轉化一段過熱后進行汽力拖動，經熱電平衡分析，汽拖最大拖動功率為7085kW。