有色冶金爐余熱鍋爐的設(shè)計原則與實際應(yīng)用

曹華(江蘇東九重工股份有限公司，江蘇 鹽城 224056)

0 引言

目前，我國在冶煉有色金屬過程中采用的冶煉爐有很多種類型，例如煙化爐、反射爐、閃速爐等，對于冶煉爐來說，有色金屬冶煉時所消耗的熱量是非常大的，這也使大部分企業(yè)都會在冶煉爐中安裝一些設(shè)施來用于散熱，不過爐內(nèi)熱量仍舊無法完全散盡，這便會使爐中產(chǎn)生大量的余熱，由于冶煉有色金屬時所產(chǎn)生的大量高溫煙氣中含有非常多的含塵量，這便使得這些煙氣在被余熱鍋爐收納過程中，其爐壁會受到煙氣的腐蝕，而且爐內(nèi)殘渣還會影響到受熱面的熱量傳遞，甚至造成爐管堵塞。為了解決這些問題，就必須要確保在設(shè)計有色冶金爐余熱鍋爐過程中能夠按照相應(yīng)的設(shè)計原則來進行。

1 有色冶金爐余熱鍋爐的設(shè)計原則

在有色冶金爐余熱鍋爐設(shè)計過程中，還需遵循以下設(shè)計原則[1]：

(1)建立多通道的煙氣換熱空間，其主次通道分別為輻射中空位置與對流空間，垂直沖擊受熱位置便是煙氣的運作位置；

(2)結(jié)合煙氣溫度及其濃度變化情況，當煙氣出現(xiàn)較大改變時，則需對鍋筒容量進行適度加大，以確保水位波動得到有效緩解；

(3)在單汽包中聚合水汽，而汽包則安裝于爐膛上部；

(4)采取強制循環(huán)措施；

(5)對鍋爐的設(shè)計壓力進行合理設(shè)置；

(6)采取彈性振打或灌入壓縮空氣的方法來清理爐渣；

(7)采用懸掛方法來提高鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的彈性。

2 有色冶金爐余熱鍋爐設(shè)計

2.1 結(jié)合煙氣特點合理選擇余熱鍋爐

在對有色冶金爐余熱鍋爐的類型進行選擇時，需要結(jié)合相應(yīng)的規(guī)律來進行，只有這樣才能最大限度的降低高溫腐蝕性煙氣給爐體造成的不利影響。具體如下：首先，在對有色冶金爐余熱鍋爐的配置進行完善過程中，需要以不同條件的差異進行兩種類型的劃分，一種是采取水平式構(gòu)造來設(shè)計有色冶金爐余熱鍋爐，這種構(gòu)造的煙道是呈現(xiàn)出水平方向的，而煙氣在煙道中也是按照水平方向進行運動的[2]。另一種是采取多回程垂直沖擊式的構(gòu)造，這種煙道構(gòu)造相比于水平式構(gòu)造來說，煙氣是按照直線型的方式進行運動的，這樣有助于避免煙道死角及轉(zhuǎn)角積壓過多的煙氣灰塵，同時還能防止煙氣顆粒在運動過程中給煙道局部位置造成的不必要摩擦與損傷，通過采取自下而上的方式來運輸煙氣，還能使煙氣中的大顆?；覊m得到有效分散，進而降低煙氣濃度，更重要的是能夠減少占地面積。如果煙灰有著很高的濃度，則需優(yōu)先選擇第一種類型。

其次，對于余熱鍋爐來說，可以采取內(nèi)部中空的方式來進行設(shè)計，并且還要配備輻射室，以確保輻射受熱范圍得到同步加大，這樣便可使溫度降低到結(jié)渣溫度后能夠以熔融狀態(tài)呈現(xiàn)，從而使煙氣中的固態(tài)顆粒快速沉積，防止其受到對流影響而運動到受熱位置中造成結(jié)渣和堵集。再次，熱量不能直接傳遞至鍋筒，并且需要把鍋筒安裝到鍋爐的上部，以確保合理管控受熱面。最后，應(yīng)按照膜式構(gòu)造來對爐膛水冷壁內(nèi)部進行設(shè)計，原因在于管徑較寬且核心距離比較小，這可使輻射傳導(dǎo)效果變得更加明顯，而且有助于提高整體結(jié)構(gòu)封閉性，工人也能方便的清理爐內(nèi)殘渣。

2.2 以熱源特征為依據(jù)明確運作方法

對于余熱鍋爐內(nèi)的熱源負荷來說，由于其受到煙氣溫度與顆粒含量波動的影響，這也使其具備了一定的不定性特征，尤其是處于間隙運行狀態(tài)的鍋爐來說，比如煙花爐，其爐內(nèi)煙氣含量便是不斷改變的，即使是長期運行的鍋爐，也仍舊存在煙氣含量不斷改變的問題，當鍋爐進行清渣、投料等操作時，也同樣會引起煙氣含量及溫度的改變。并且，為了防止低溫狀態(tài)時，余熱鍋爐內(nèi)的水在循環(huán)過程中會受到阻礙，因此需要采取措施來確保鍋爐水的強制性循環(huán)，尤其是受熱不均的情況下，采取強制循環(huán)措施可以取得比較明顯的效果，而且還可確保鍋爐局部不會出現(xiàn)溫度過高的情況，更重要的是由于熱源負荷具備不定性，這勢必會引起蒸汽溫度變化。因此，應(yīng)通過并行運作的方式，利用多個余熱鍋爐，以此確保余熱源的運作周期得到均衡的分散[3]。

2.3 明確防高低溫腐蝕與除渣方法

為了減少鍋爐在運行過程中出現(xiàn)的問題，確保灰渣得到及時的清除，要采取以下幾種措施：

其一，需要通過膜式水冷壁結(jié)構(gòu)來控制對流受熱面積，如果煙氣在流動過程中的實際速度較小，便可大幅減緩磨損速度，并且結(jié)合清灰措施，還能取得更好的防磨損作用。當然，采取不設(shè)置對流受熱面措施時，同樣可以減少煙灰附著，從而使煙塵含量得到間接性的減少。

其二，為了防止產(chǎn)生高低溫腐蝕，也就是高溫積灰中的堿金屬含量較多時，會使其和飛灰內(nèi)的鋁鐵成分、氧化硫等產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成硫酸鹽復(fù)合物，而這種復(fù)合物則會和過熱器以及再熱器內(nèi)的合金鋼產(chǎn)生氧化反應(yīng)，進而造成壁厚變薄，并由此極易造成管道損壞而引發(fā)爆管問題[4]。所以，需要對受熱位置溫度進行適當?shù)陌芽?。對于煙塵溫度來說，應(yīng)盡可能的控制在700℃以下，否則會因煙氣中的高含量二氧化硫和廢水水蒸汽產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而形成硫酸，當受熱位置低于硫酸露點時，便會使硫酸凝固于爐體上，并由此給爐體造成低溫腐蝕。為了防止該問題產(chǎn)生，需確保受熱位置溫度能夠一直超過硫酸露點，而這便需要對爐體內(nèi)部壓強進行相應(yīng)的控制，以此防止低溫腐蝕問題的出現(xiàn)，并且也有助于減少高粘性爐渣的生成。

其三，除渣方法要科學(xué)，通常來說，為了對鍋爐內(nèi)的灰渣進行有效清除，需要采取彈性振動或灌入壓縮空氣來完成，不過灌入壓縮空氣的方法需要采用專業(yè)設(shè)備，在資金投入方面相對較大，并且不適用于微小類的鍋爐除渣。而彈性振動方法則不然，其通常在水冷壁上安裝，并由緩沖彈簧、振打桿、固定構(gòu)架以及振打設(shè)備所組成，這使其能夠適用于各種類型鍋爐的除渣處理要求，在此過程中只需對指定頻率的參數(shù)進行設(shè)置即可。在選擇除渣方法時，必須要結(jié)合實際情況，這是因為變頻功能雖然具有良好的適用性，不過其沖擊效果卻不明顯，并且只有很小的移動范圍，而這也造成彈性振動方法的除渣效果不穩(wěn)定，此時便要對振打頻率以及沖擊力進行合理的選擇。

3 有色冶金爐余熱鍋爐設(shè)計實例

3.1 某廠沸騰爐的余熱鍋爐設(shè)計實例

某廠中采用的沸騰爐在連續(xù)運行過程中產(chǎn)生的煙氣量比較穩(wěn)定，不過煙氣溫度卻出現(xiàn)較大波動，針對其煙氣特性，在設(shè)計余熱鍋爐時需按照以下方案來執(zhí)行：

首先，設(shè)置雙通道的煙氣冷卻室，這兩個通道分別是輻射大空腔與對流室，受熱面在受到煙氣沖刷時的方向為縱向，對流室及輻射室的受熱面類型均為鰭片管膜式。因沸騰層的煙氣溫度存在較大波動，并且剩余熱量過多，因此在設(shè)計受熱元件時，該元件需由煙氣冷卻室、汽化埋管以及沸騰層埋管所組成，通過沸騰層和受熱元件的結(jié)合，以此形成完整的余熱利用裝置，由此便可使余熱得到充分利用的同時，也能防止煙氣溫度出現(xiàn)較大波動而產(chǎn)生的熱負荷不均衡問題。省略過熱器、省煤器和下鍋筒的安裝，以確保在同一汽包中匯集汽水混合物，以此實現(xiàn)汽水分離，應(yīng)在余熱鍋爐的爐膛外部安裝汽包，并進行強制水循環(huán)處理。將鍋爐壓力設(shè)置為2.1MPa，由于煙氣內(nèi)的二氧化硫濃度達到11.85%，而硫酸含量則達到0.012%，水分含量達到8.15%，因此能夠得出216℃便是煙氣的露點溫度，此時需要確保水冷壁的壁溫要比煙氣露點溫度高10℃以上，所以水冷壁的壁溫需要始終保持在226℃以上。在清除殘渣時，需要結(jié)合彈性振打法和灌入壓縮空氣法，并將灌入壓縮空氣法作為主要清灰方法，通過長伸縮式的吹灰裝置來保證殘渣得到徹底清除。

最后，還要通過懸吊方式來對余熱鍋爐本體進行設(shè)計，這樣可提高爐體鋼結(jié)構(gòu)的柔性，經(jīng)連續(xù)三年的運行，爐體的蒸汽壓力和蒸發(fā)量全部滿足設(shè)計要求，并且始終保持著良好的清灰效果，受熱面也未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象[5]。

3.2 某廠鋅氧爐余熱鍋爐的設(shè)計實例

在某廠中采用的鋅氧爐屬于一種間斷式作業(yè)的鍋爐，鋅氧爐能夠直接生產(chǎn)氧化鋅粉，不過由于煙氣溫度以及煙氣量存在較大波動，因此需要按照以下設(shè)計原則來進行設(shè)計，該鋅氧爐的爐期約為2.5h左右，旺粉期可持續(xù)80min，此時煙氣量及煙氣溫度為最高。在設(shè)計過程中，煙氣冷卻室為水平方向的直通式結(jié)構(gòu)，其室內(nèi)空間相當于大空腔輻射室，并需對鋅氧爐聚塵室進行配置，以便于對聚塵室進行代替，在輻射室的頂棚以及墻面均配置有膜式水冷壁。在設(shè)計過程中，不需要設(shè)置對流受熱面，以降低煙塵在受熱面上的附著概率。在余熱鍋爐中，其頂棚和周圍均采用水冷壁直聯(lián)氣包結(jié)構(gòu)，并在墻角設(shè)置下降管，兩側(cè)聯(lián)箱則需將水冷壁從后墻中伸出，并沿著墻壁來對直聯(lián)汽包進行向上布置，以此節(jié)約鋼材，同時保持緊湊的結(jié)構(gòu)。最后，還要利用自然循環(huán)，并使用彈性振打機來進行除灰。經(jīng)連續(xù)兩年的運行，該余熱鍋爐無論是在蒸汽壓力，還是蒸發(fā)量上均滿足設(shè)計要求，而且生產(chǎn)的氧化鋅粉純度達到99.9%，其標準品級已達到二級。

4 結(jié)語

總之，在對有色冶金爐余熱鍋爐進行設(shè)計時，必須要解決當前所產(chǎn)生的固有問題，例如清理灰渣難度較大、過高的煙塵溫度等，而這便需要對其爐內(nèi)溫度以及腐蝕條件等進行充分考慮，并以此制定出具有針對性的設(shè)計措施，在本文中提出的設(shè)計原則都是經(jīng)過大量實踐的，因此在設(shè)計過程中需要嚴格遵循這些設(shè)計原則。