鋅冶煉沸騰焙燒余熱鍋爐改造實(shí)踐

胡茂峰

沸騰焙燒爐，又稱流化床焙燒爐，是用固體流態(tài)化技術(shù)焙燒硫化礦的裝置，焙燒過程有反應(yīng)熱放出，產(chǎn)生含有二氧化硫的氣體主要用來制造硫酸，礦渣則用作冶金原料。在鋅冶煉行業(yè)中，沸騰焙燒爐處理的是硫化鋅精礦，靠硫化鋅與氧氣的自熱反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)冶煉過程，產(chǎn)出多余的熱量需配套設(shè)置余熱鍋爐，將多余的熱量帶走，實(shí)現(xiàn)熱平衡，同時(shí)將高溫?zé)煔鉁囟冉档停⒊煔庵胁糠謮m，因此鋅冶煉沸騰焙燒余熱鍋爐既是熱工設(shè)備，也是冶煉系統(tǒng)的重用組成部分。在某廠，2010 年投產(chǎn)一套沸騰焙燒制酸系統(tǒng)，其中有一臺(tái)蒸發(fā)量 7.5t/h 的余熱鍋爐，根據(jù)生產(chǎn)工況的變化，對(duì)余熱鍋爐多次進(jìn)行了改造，特別是 2013 年后，焙燒爐開始處理硫化物濾餅，該物料是鋅氧壓浸工藝硫回收過程中的中間產(chǎn)物，含硫達(dá)到 58%，并且主要是單質(zhì)硫，焙燒爐開始處理硫化物濾餅后，爐況和煙氣狀況都發(fā)生了極大的變化，原有的余熱鍋爐無法適應(yīng)新的工況條件，不得不進(jìn)行改造。本文就對(duì)其改造的前因后果進(jìn)行一個(gè)總結(jié)分析。

1 余熱鍋爐基本情況

鋅冶煉余熱鍋爐因具有高溫高壓，安全要求極高，單臺(tái)運(yùn)行無備用旁通，不能立即停爐，煙氣中含塵量大，內(nèi)部管束易積灰，煙塵灰熔點(diǎn)低易形成粘結(jié)，開停爐時(shí)間長(zhǎng)等諸多特點(diǎn)，操作難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，并且易制約冶煉過程正常的生產(chǎn)，影響經(jīng)濟(jì)效益，由此，余熱鍋爐能否平穩(wěn)安全運(yùn)行，成為鋅冶煉企業(yè)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

本余熱鍋爐包括兩部分 ：余熱鍋爐本體一臺(tái)和焙燒爐蒸發(fā)管束 8 組，余熱鍋爐本體為全密封的膜式壁結(jié)構(gòu)，分輻射室和對(duì)流室，中間由水冷隔墻分開，焙燒爐的高溫?zé)煔饨?jīng)爐膛輻射室后流過對(duì)流管束至鍋爐出口，鍋爐同時(shí)起到部分除塵、降溫的作用 ；蒸發(fā)管束布置在焙燒爐爐膛周圍，用循環(huán)水管與余熱鍋爐本體組成一個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)，焙燒爐爐內(nèi)產(chǎn)生的多余熱量被蒸發(fā)管束中循環(huán)水帶走。

圖1 余熱鍋爐熱力系統(tǒng)圖

1.1 余熱鍋爐主要參數(shù)

1.2 主要部件

1.2.1 連接煙管

沸騰焙燒爐與鍋爐的接口采用了插入式加填料密封的連接方式，余熱鍋爐緊靠煙氣出口，減少連接煙道長(zhǎng)度，以免積灰，并開設(shè)人孔清灰。

1.2.2 輻射室

鍋爐輻射室采用膜式水冷壁，并配有外護(hù)板，爐膛輻射室容積較大，以降低煙塵流速，防止粘結(jié)。膜式壁由 φ38×5（材料為20/GB3087-2008）的爐管加扁鋼（δ5）焊接組成，膜式壁節(jié)距為80mm，采用全密封的結(jié)構(gòu)。輻射室進(jìn)口約 1000℃，出口煙氣溫度約 680℃。

1.2.3 對(duì)流室

對(duì)流爐室兩側(cè)墻由 φ38×5（材料為 20/GB3087-2008）的爐管加扁鋼（δ5）焊成的膜式壁組成，膜式壁節(jié)距為 80mm，采用全密封的結(jié)構(gòu)。對(duì)流室內(nèi)布置有對(duì)流管束受熱面部件。對(duì)流室底部安裝了埋刮板除灰裝置，將降至底部的灰輸送至爐外，出口煙氣溫度約 350℃。

1.2.4 對(duì)流管束

煙氣從輻射室出來以后進(jìn)入對(duì)流管束，對(duì)流管束由 φ38×5（材料為 20/GB3087-2008）的爐管與聯(lián)箱組成，其橫向節(jié)距為160mm，縱向節(jié)距為 125mm。對(duì)流管束設(shè)有 18 片管片，煙氣縱向沖刷管片。

1.2.5 鍋筒

鍋筒筒體直徑為 φ1400×16mm，筒身直段長(zhǎng) 5600mm。鍋筒正常水位位于鍋筒中心線，最高水位、最低水位在正常水位上、下各 150mm。鍋筒兩端為橢圓封頭，材料為 Q245R，兩只封頭上均裝有人孔裝置，以方便進(jìn)入鍋筒內(nèi)部檢修。

1.2.6 鍋爐鋼架、外護(hù)板、爐墻、灰斗

鍋爐鋼架共有 6 根柱子，整個(gè)鋼架系框架式結(jié)構(gòu)、鋼架柱、梁均采用 H 型鋼。鍋爐鋼架中心線寬度為 4000mm。鍋爐爐墻采用輕質(zhì)爐墻，即水冷壁外側(cè)及頂棚水冷壁，等距的焊上抓釘，覆蓋一層 2×75mm 厚的巖棉板，用鐵絲網(wǎng)扎緊，在外面覆蓋厚度為 0.8mm 的波形鋁板作外護(hù)板。爐頂上方的管子和集箱全部采用 100mm 厚的巖棉保溫。鍋爐頂部設(shè)有防雨棚?；叶酚?δ6mm的鋼板制成。

1.2.7 除灰裝置

由于焙燒爐的煙氣含塵量較大，達(dá)到 175g/Nm3，為防止受熱面在運(yùn)行中積灰過多而影響傳熱效果，鍋爐膜式壁采用膜片式聲波清灰裝置，對(duì)流管束采用彈簧錘振打裝置清灰，彈簧錘打裝置的電機(jī)功率為 0.37KW。彈簧錘打裝置的控制采用 PLC程序控制。鍋爐輻射室和對(duì)流區(qū)下部裝有埋刮板除灰機(jī)，余熱鍋爐中沉降下來的煙塵和清灰裝置振打下來的灰渣由除灰機(jī)排入收塵系統(tǒng)。

1.2.8 安全附件、電氣、儀表

余熱鍋爐汽包配備了 2 個(gè)安全閥、2 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)指示液位計(jì)、2個(gè)遠(yuǎn)程液位檢測(cè)裝置、2 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)壓力表、2 個(gè)遠(yuǎn)程壓力檢測(cè)裝置等安全附件 ；電氣配置包括振打裝置、所有電動(dòng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制箱、照明控制箱等 ；配備氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、現(xiàn)場(chǎng)壓力、溫度、液位指示儀表和遠(yuǎn)程指示信號(hào)變送器等。

圖2 鋅冶煉沸騰焙燒余熱鍋爐未改造前縱向斷面圖

1.3 特點(diǎn)

（1）余熱鍋爐根據(jù)焙燒爐的煙氣特性設(shè)置大空間爐膛，將

熔融煙塵溫度迅速降到凝固點(diǎn)以下，減少煙塵于鍋爐受熱面的粘結(jié)性。

（2）鍋爐出口與后部煙道直接焊接，可有效防止余熱鍋爐的漏風(fēng)，使余熱鍋爐有良好的密封性。

（3）余熱鍋爐的水循環(huán)系統(tǒng)采用自然循環(huán)，不設(shè)循環(huán)水泵，減少電力消耗。

（4）余熱鍋爐輻射室及對(duì)流段均采用膜式水冷壁，并配有外護(hù)板 ；沸騰焙燒爐煙氣出口與余熱鍋爐的接口采用了插入式加填料密封的連接方式，余熱鍋爐緊靠煙氣出口，減少連接煙道長(zhǎng)度。

（5）設(shè)置余熱鍋爐爐膛采用膜片式聲波清灰裝置和對(duì)流管束采用彈簧振打清灰裝置，可有效地清除受熱面上的積灰。

（6）合理布置循環(huán)管路，使余熱鍋爐水循環(huán)各換熱面溫度均勻，避免局部過熱或欠熱。

（7）充分考慮了由于焙燒過程中沸騰燃燒熱量外移進(jìn)入鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)的對(duì)策。

（8）將鍋爐汽包的運(yùn)行壓力設(shè)定為 1.25MPa，運(yùn)行管理方便，但爐水的飽和溫度為 194℃，爐水的飽和溫度在煙氣中的硫酸蒸汽露點(diǎn)溫度范圍內(nèi)，鍋爐換熱面上存在低溫腐蝕的可能，需采取必要的減少腐蝕的措施。

2 運(yùn)行及改造情況

2.1 振打裝置

余熱鍋爐作為一個(gè)煙氣通道，起到了收塵降溫作用，受熱面的積灰掛壁結(jié)塊一直是余熱鍋爐生產(chǎn)運(yùn)行中的難題，在該焙燒爐投產(chǎn)初期，處理的是鋅精礦，采用的膜片式聲波吹灰裝置，能有效將水冷壁上粘結(jié)物料振打下料，但瞬間吹灰會(huì)對(duì)煙氣流動(dòng)造成有較大的擾動(dòng)作用，同時(shí)增加了煙氣流量，易造成煙氣外溢，污染環(huán)境，為了有效解決這一問題，取消了聲波吹灰裝置，改為增加機(jī)械振打裝置，解決了煙氣溢散的問題，同時(shí)粘結(jié)掛壁情況也能有效控制。

但在焙燒爐開始處理硫化物濾餅后，煙塵在受熱面粘結(jié)積灰的情況發(fā)生變化，在鍋爐煙氣進(jìn)口就嚴(yán)重積灰，堵塞煙氣通道，影響風(fēng)煙系統(tǒng)，在各膜式水冷壁上，極易粘結(jié)成塊狀物料，特別是水冷隔墻，在輻射室的迎風(fēng)面，熔融煙塵粘結(jié)性強(qiáng)，而此處振打力最弱，在運(yùn)行中，整個(gè)受熱面易結(jié)成整塊結(jié)，掉落小塊一點(diǎn)的直接影響排灰系統(tǒng)的正常運(yùn)行，掉落的大塊一點(diǎn)的直接在灰斗中架橋，增加人工干預(yù)的工作量，影響煙塵的收集，若是積灰結(jié)塊不掉落，則影響換熱，煙氣在經(jīng)過余熱鍋爐后得不到有效的降溫，會(huì)造成后續(xù)煙塵處理設(shè)備超溫運(yùn)行的情況，同時(shí)掛壁物料是個(gè)巨大的安全隱患，存在隨時(shí)掉落的風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)瞬間切斷煙道，影響作業(yè)人員安全和生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

為了解決這一問題，其一是針對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)位，增設(shè)了燃?xì)庹翊蜓b置，具有定點(diǎn)振打，不影響煙氣流動(dòng)，幾乎不增加煙氣量的效果 ；其二是調(diào)整機(jī)械振打數(shù)量、點(diǎn)位、頻率，提高振打效果 ；其三針對(duì)水冷隔墻處增設(shè)振動(dòng)傳導(dǎo)連桿，提高此處的振打力 ；其四增設(shè)清理人孔，必要時(shí)采取人工干預(yù)。通過這些措施的實(shí)施，基本上解決了余熱過濾積灰結(jié)塊的問題，使用至今未再做改動(dòng)。

2.2 材質(zhì)

在焙燒爐處理硫化物濾餅后，由于該物料比較特殊，國(guó)內(nèi)外并未經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，完全靠自己摸索，在此過程中有頻繁的開停機(jī)，對(duì)余熱鍋爐水冷壁的腐蝕情況大幅度增加，并且運(yùn)行中相比處理鋅精礦煙溫較低，也對(duì)水冷壁的腐蝕加劇，運(yùn)行至2015 年后，余熱鍋爐水冷壁因腐蝕變薄，開始出現(xiàn)漏水情況，致使生產(chǎn)難以穩(wěn)定持續(xù)，為了解決這一問題，提高余熱鍋爐對(duì)新工況條件的適應(yīng)性，在大修時(shí)，將余熱鍋爐與煙氣接觸的水冷壁全部進(jìn)行了更換，并提升材質(zhì)抗腐蝕性能，由 20# 鍋爐鋼改為更耐腐蝕的 ND 鋼（09CrCuSb 合金管），該鋼材具有耐硫酸低溫露點(diǎn)腐蝕性能，自 2015 年投入使用后，至今都較好，未再出現(xiàn)腐蝕穿管情況，系統(tǒng)作業(yè)率明顯提升。

2.3 結(jié)構(gòu)

2.3.1 蒸發(fā)管束

在初始設(shè)計(jì)中，8 組蒸發(fā)管束延焙燒爐周邊布置，只留一個(gè)爐門，考慮到清理檢修不方便，從初始安裝時(shí)，就取消了 1 組蒸發(fā)管束，改設(shè)為爐門，清理檢修便利了，有限空間作業(yè)安全上也更加有保障。在焙燒爐投入使用一兩年后，蒸發(fā)管束出現(xiàn)爆管漏水的情況，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘察，主要是由于爐內(nèi)時(shí)刻處于沸騰狀態(tài)，熱態(tài)鋅焙砂持續(xù)對(duì)蒸發(fā)管束表面進(jìn)行沖刷，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，蒸發(fā)管束逐漸被磨損變薄，直至無法承壓爆管穿孔，蒸發(fā)管束磨損的表面主要在下表面，這是迎風(fēng)面，為了解決這一問題，采取了在所有蒸發(fā)管束迎風(fēng)面增加防磨翅片，在防止磨損的同時(shí)，也增加了管束換熱能力，投入使用后，再也未出現(xiàn)蒸發(fā)管束管道磨損爆管的情況。

在焙燒爐計(jì)劃處理硫化物濾餅前，考慮到焙燒爐處理鋅精礦和硫化物濾餅的差異，同等耗氧量時(shí)，處理硫化物濾餅的產(chǎn)熱量更大，為了確保爐內(nèi)熱平衡，便于控制爐溫，在大修期間，提前將蒸發(fā)管束進(jìn)行了改造，將單組 0.9m2換熱面加增加到單組1.4m2，換熱面積總體增加了 3.5m2。投入運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)處理硫化物濾餅時(shí)爐內(nèi)物料粘結(jié)性增強(qiáng)，蒸發(fā)管束表面極易會(huì)熔融物料包裹一層，影響換熱效果，破壞爐內(nèi)熱平衡，反過來影響了焙燒爐的處理量，處理量的不足會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)風(fēng)煙系統(tǒng)，進(jìn)入余熱鍋爐本體的煙氣溫度下降，蒸汽產(chǎn)量低，不足額定蒸發(fā)量的60%，同時(shí)，焙燒爐處理硫化物濾餅后，由于改物料不同于鋅精礦，也無其他廠家經(jīng)驗(yàn)借鑒，焙燒爐在處理時(shí)一時(shí)難以適應(yīng)，出現(xiàn)了頻繁的停爐清爐的情況，余熱鍋爐也隨之頻繁開停爐，這樣一來，雙重因素疊加，余熱鍋爐管壁腐蝕情況加劇，出現(xiàn)了管壁腐蝕穿孔的情況，使生產(chǎn)無法持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。后經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐摸索，攻克了焙燒爐處理硫化物濾餅的難題，頻繁開停機(jī)的情況得到解決，但煙氣溫度偏低的情況一直還存在。

為了提高后部煙氣溫度，同時(shí)提高處理量，又能控制爐溫不超標(biāo)，通過評(píng)估，則必須增加爐內(nèi)換熱面積。由于余熱鍋爐為自然循環(huán)鍋爐，在現(xiàn)有的蒸發(fā)管束的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加換熱面積非常困難，提升的幅度也非常小，難以解決困難 ；如果采用強(qiáng)制循環(huán)的話，增加能耗和運(yùn)行控制的難度。為了有效的能增加換熱面積，對(duì)蒸發(fā)管束進(jìn)行了創(chuàng)造性的改造，將原本延爐壁分布的彎管式蒸發(fā)管束（圖 3）取消對(duì)稱的兩組，改為貫穿爐膛的直管式（圖 4），調(diào)整進(jìn)出口高差，確保管內(nèi)水循環(huán)正常，單條直管就與一組蒸發(fā)管束換熱面積持平，直管數(shù)量非常容易調(diào)整，可以根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)整到合適的換熱面積。同時(shí)爐內(nèi)換熱面積大幅度增加后，蒸發(fā)量也會(huì)大幅度增加，外部循環(huán)水管的需求發(fā)生變化，為了避免水循環(huán)不暢，造成局部過熱過燒，對(duì)進(jìn)水和出汽管路進(jìn)行了改造，各增加了一條管，避免蒸發(fā)管束過熱爆管。第一次改造時(shí)，布置了 16 根貫穿管道，換熱面積增加了近 20m2。

圖3 彎管式蒸發(fā)管束示意圖

圖4 貫穿爐膛直管式蒸發(fā)管束示意圖

此改造完成投入使用后，焙燒爐的處理量大幅度的提升，鍋爐產(chǎn)汽量大幅度的增加，達(dá)到額定蒸發(fā)量，煙氣溫度恢復(fù)正常，余熱鍋爐本體和后續(xù)煙塵處理設(shè)施在運(yùn)行中腐蝕率顯著降低，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效的生產(chǎn)。

2.3.2 對(duì)流管束

在焙燒爐處理硫化物濾餅后，由于開停機(jī)的頻繁，煙氣帶熱量少，對(duì)流管束腐蝕嚴(yán)重，易出現(xiàn)腐蝕漏水的情況，并且此處粘結(jié)懸掛物料現(xiàn)象也比較突出，帶來了巨大的安全隱患，同時(shí)由于后部煙溫較低，對(duì)余熱鍋爐影響的同時(shí)，也造成了后續(xù)旋風(fēng)收塵、電收塵等設(shè)備設(shè)施的腐蝕，為此為了提高后續(xù)煙溫，避免余熱鍋爐頻繁的漏水的情況發(fā)生，綜合考慮，在 2015 年余熱鍋爐改造中，取消了對(duì)流管束。改造后，后部煙氣溫度提高，后續(xù)設(shè)備設(shè)施的故障率明顯降低，余熱鍋爐對(duì)流區(qū)的掛渣情況消除，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性提高。

圖5 改造前的對(duì)流管束側(cè)視圖

3 小結(jié)

通過對(duì)余熱鍋爐振打裝置、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，其適應(yīng)了新的工況條件，滿足了生產(chǎn)實(shí)際需要，但其改造過程極其艱難，付出的成本代價(jià)非常大，在做新余熱鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工況需要，選用耐腐蝕性強(qiáng)的材質(zhì)和適宜的爐型結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)振打，減緩腐蝕、規(guī)避積灰，減少日常運(yùn)行管理的工作量和降低設(shè)備故障率，不能只從余熱回收角度考慮設(shè)備的選型規(guī)格材質(zhì)，運(yùn)行穩(wěn)定性的提高和故障率的減少帶來的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更加顯著。另外，貫穿爐膛的直管式蒸發(fā)管束能大幅度增加焙燒爐爐內(nèi)換熱面積，值得有類似需求的企業(yè)學(xué)習(xí)借鑒。