金川鎳閃速爐余熱鍋爐擴能改造

王崗，李煒煒，封吉龍

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038;2.金川集團公司，甘肅金昌 737100)

金川鎳閃速爐余熱鍋爐擴能改造

王崗，李煒煒，封吉龍

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038;2.金川集團公司，甘肅金昌 737100)

金川集團有限公司鎳閃速爐余熱鍋爐運行18年后已不能適應冶金工藝的生產要求，需要進行徹底的技術改造。中國恩菲工程技術有限公司承擔了余熱鍋爐改造的設計工作。本文對原有余熱鍋爐運行中存在的問題進行了細致的分析，并詳細介紹了改造后余熱鍋爐的技術特點。

閃速爐;余熱鍋爐;設計

1 概述

金川集團有限公司是采、選、冶、化配套的大型有色冶金、化工聯合企業，鎳和鉑族金屬產量占中國的90%以上，是中國最大的鎳、鈷生產基地。1992年該公司建成亞洲第一座、世界第五座煉鎳閃速爐，使我國的鎳冶煉工藝達到了世界同行業先進水平。與鎳閃速爐配套的余熱鍋爐是閃速熔煉工藝中的關鍵設備，當時我國還不具備設計、制造這種余熱鍋爐的能力，金川集團有限公司和北京有色冶金設計研究總院經過深入細致的調研和考察，對日本川崎重工(Kawasaki)和芬蘭奧斯龍(Ahlstrom)公司的設計方案進行了全面的比較，最后從芬蘭奧斯龍公司全套引進了閃速爐余熱鍋爐及相關設備。該余熱鍋爐于1992年10月投入運行，是國內第一臺在輻射室中設置輻射管屏的余熱鍋爐，也是第一臺采用彈性振打清灰裝置的余熱鍋爐，代表了當時的世界先進水平。在投運后的十余年間該余熱鍋爐一直是國內運行狀況最好的閃速爐余熱鍋爐之一，能夠很好地滿足冶金工藝長周期穩定生產的要求。

隨著閃速爐的生產能力逐年提高，余熱鍋爐的煙氣條件發生了很大的變化，2004年以后該余熱鍋爐在運行過程中也逐漸暴露出一些問題，主要是對流區入口煙溫過高，對流區積灰嚴重。2009年一季度閃速爐余熱鍋爐對流區入口平均煙溫為920℃左右，最高達到947℃。由于進入對流區煙氣溫度較高，對流區管束的粘結十分嚴重，幾乎每天都要利用閃速爐點檢時間進行人工清灰，每周由于清灰影響閃速爐投料3～4h。另外該余熱鍋爐經過近18年的長期運行，也存在設備老化、設備故障率高等問題，因此金川集團有限公司準備利用2010年閃速爐冷修的機會對該余熱鍋爐進行徹底的改造使之能夠適應今后生產的要求。

根據金川集團有限公司的要求，福斯特惠勒能源公司(Foster Wheeler Energia Oy)、歐薩斯能源環境設備有限公司(Oschatz GmbH)和中國恩菲工程技術有限公司于2009年8月分別提交了各自的改造設計方案。經過深入細致的技術論證，金川集團有限公司最終決定采用中國恩菲工程技術有限公司的設計方案。

2 原有余熱鍋爐的結構特點

圖1為金川集團有限公司原有鎳閃速爐余熱鍋爐結構簡圖。

該余熱鍋爐由輻射室和對流區兩部分組成。輻射室總長16.62m，寬6.52m，高13.246m，輻射室后部設置了三組輻射管屏，由于設置了輻射管屏，使輻射室的長度大大縮短了，整個輻射室的結構非常緊湊。為了使輻射室的形狀更好地適應煙氣流動的特點，輻射室頂部的兩端均為45°斜角，在輻射室灰斗的中部設有水冷壁制作的隔墻。對流區頂棚比輻射室低4.12m，對流區總長15.89m，寬3.00m，高6.497m，對流區中設置6組管束。這是二十世紀八、九年代芬蘭奧斯龍公司閃速爐余熱鍋爐的典型配置［1］。

余熱鍋爐受熱面的清灰全部采用彈性振打清灰裝置。這種清灰裝置自二十世紀八十年代以后在各種有色冶金爐余熱鍋爐上大量使用，具有良好的清灰效果。

圖1 改造前閃速爐余熱鍋爐結構簡圖

3 改造前余熱鍋爐運行狀況分析

金川集團有限公司鎳閃速爐自1992年10月投產以來，經過一系列技術改造，鎳精礦處理能力由原設計的35萬t/年提高到近70萬t/年。隨著富氧濃度的提高和以煤代油技術的應用，進入余熱鍋爐的煙氣參數發生了很大的變化［2］。

表1為余熱鍋爐原設計參數與改造前運行參數的比較，可以看到煙氣中SO2的含量由12%增加到20%以上，而CO2的含量由11%降低到1.63%，H2O的含量由5%降低到2.7%。

表1 余熱鍋爐設計參數與運行參數的比較

余熱鍋爐輻射室截面積較大，煙氣流速很低，在輻射室中主要的傳熱方式是輻射傳熱，輻射傳熱量的大小與煙氣發射率有直接的關系，而煙氣發射率是由煙氣溫度、三原子氣體分壓和有效平均射線程長等條件決定的。在溫度、分壓和有效平均射線程長相同的情況下，不同煙氣組分的發射率是有很大差別的，一般情況下CO2和H2O的發射率較大，SO2的發射率較小，CO2與SO2的發射率之比可以達到300%［3］，因此在三原子氣體含量相近的情況下，SO2的含量越高，煙氣發射率越低。通過計算我們發現，由于煙氣成分的改變，使煙氣發射率降低了16%，這意味著在輻射室中的傳熱量大大降低了。另一方面由于SO2的比熱容較高，SO2的含量增加，又使單位煙氣帶入余熱鍋爐的熱量增加了，所以盡管進入余熱鍋爐的煙氣量遠遠小于設計煙氣量，但對流區入口的煙氣溫度卻提高了，事實上這種現象在貴溪冶煉廠也曾出現過［4］。要解決運行中余熱鍋爐對流區入口煙溫過高，對流區積灰嚴重的問題，關鍵是增加余熱鍋爐輻射室的傳熱量。

4 余熱鍋爐改造方案

考慮到生產發展的需要，金川集團有限公司要求閃速爐余熱鍋爐改造后應能滿足在最大煙氣量86600Nm3/h的工況下長期穩定運行的要求，同時應盡可能利用原有鋼結構，加上配置上的各種限制，給改造工作帶來很大難度。

由于原有余熱鍋爐結構非常緊湊，要在原有場地內完成改造工作是很困難的。經過認真的核算，結合現場實際情況，最終決定在余熱鍋爐尾部間隔3.5m新增2排鋼架，這樣可以使改造后的余熱鍋爐延長7m左右，原有鋼架予以保留，余熱鍋爐的改造設計就是在這樣的空間內完成的。改造后的余熱鍋爐結構見圖2。

圖2 改造后余熱鍋爐結構簡圖

為了增加余熱鍋爐輻射室的傳熱量，在輻射室的橫截面積不變的情況下，將輻射室的長度由原來的16.62m延長到22.80m，同時取消了輻射室后部的斜角，這樣使輻射室的空間得到更充分的利用，從而可以在輻射室布置更多的受熱面。

在增加輻射室受熱面積的同時，合理組織輻射室中的煙氣流動對于增加傳熱量也是非常重要的。原有的余熱鍋爐為了充分發揮輻射管屏的作用，在輻射室灰斗的中部設置了隔墻，有意識地組織煙氣沿輻射室上部流動。研究表明這樣的布置會在輻射室的下部形成很大的渦流區，渦流區的容積達到輻射室總容積的44%左右，渦流區中煙氣流動速度很慢，使輻射室下部受熱面的傳熱效率大為降低［5］。改造后取消了輻射室灰斗中部的隔墻，代之以由輻射室頂棚垂下來的1塊梳形煙氣擋板。梳形煙氣擋板可以允許一部分煙氣穿過煙氣擋板進入擋板后的輻射管屏，同時又強制一部分煙氣由擋板下的空間通過，使煙氣更好地充滿輻射室的空間，從而提高輻射受熱面的傳熱效果。除了煙氣擋板，在輻射室中還布置了4組輻射管屏，擋板前1組，擋板后3組。改造后可以將余熱鍋爐對流區入口的煙氣溫度降低到750℃以下。

改造后余熱鍋爐對流區的長度與改造前相當，也同樣布置了6組對流管束，管束的結構是重新設計的，前2組的橫向節距較以前增大了，同時管束的高度由原來的4.8m增加到了6.5m，這樣做的目的不僅是為了增加受熱面積，更主要的是為了增加煙氣的流通面積，這對降低煙道堵塞的危險是有好處的。原有余熱鍋爐對流區的煙氣流速達到6m/s以上，這樣的流速對于閃速爐余熱鍋爐而言顯得太高了。

由于閃速爐余熱鍋爐煙氣含塵量較高，可靠的清灰設施對于余熱鍋爐的正常運行是非常重要的。實踐證明彈性振打清灰裝置具有非常好的的清灰效果，因此本次改造設置了134臺彈性振打清灰裝置。沖擊波清灰是源于前蘇聯的清灰技術，其工作原理是利用可燃氣體(如乙炔)快速爆燃產生一定強度的壓力脈沖波，脈沖波反復作用于積灰表面上，從而將積灰或灰垢剝落。沖擊波清灰對于清除粒度很小的揮發性煙塵具有很好的效果，近年來在有色冶金爐余熱鍋爐上獲得越來越多的應用，因此本次改造除了彈性振打清灰裝置之外，還在6組對流管束上設置了12個點的沖擊波清灰裝置以確保能夠及時地清理受熱面的積灰。

改造后余熱鍋爐的設計參數見表2。

表2 改造后余熱鍋爐的設計參數

5 結語

金川集團有限公司于2010年5月25日開始原有余熱鍋爐的拆除工作，6月5日新的鎳閃速爐余熱鍋爐開始安裝。鎳閃速爐于2010年8月25日點火，同時余熱鍋爐也開始升溫投入運行，2010年9月22日鎳閃速爐開始投料試生產。在試生產期間鎳閃速爐進行了投料量70 t/h、80 t/h、85 t/h、100 t/h、120 t/h的試運行，在投料量120 t/h的工況下，余熱鍋爐蒸發量52 t/h，對流區入口煙溫為615℃左右。目前鎳閃速爐的投料量穩定在100 t/h左右，余熱鍋爐蒸發量為44～46 t/h，對流區入口煙溫為530～550℃。

圖3 安裝中的閃速爐余熱鍋爐

在各種不同投料量下得到的余熱運行參數表明余熱鍋爐輻射區換熱能力明顯增強，對流區入口煙氣溫度較改造前大幅度降低，相應地對流區煙塵粘結明顯減少，而且積灰疏松易于清理。改造后的余熱鍋爐能夠很好地適應鎳閃速爐在各種投料量下的生產工況，為鎳閃速爐的長周期穩定生產提供良好保障。

［1］Rauno Peippo，Hannu Holopainen，Jari Nokelainen，Copper smelter waster heat boiler technology for the next millennium，Proceedings of Copper 99 International Conference(C)，Vol.V－Smelting Operation and Advances，Edited by D.B.George，W.J.(Pete) Chen，P.J.MackeyandA.J.Weddick，theMinerals，Metals＆Materials Society，1999:71－82.

［2］張更生.金川鎳閃速爐以煤代油技術的開發應用［J］.有色金屬(冶煉部分)，2005，(1):22－26.

［3］劉林華，楊有才.SO2氣體的輻射特性［J］.熱能動力工程，1999，(4):293－295.

［4］王崗，勞學競，德強.貴溪冶煉廠閃速爐余熱鍋爐改造［J］.有色金屬(冶煉部分)，2005，(1):11－14.

［5］R.Fuentes，P.Ruz，H.Jara，L.Salinas，M.Rosales，M.Cruz，A.Moyano，N.Perez，F.rojas，Flow pattern in the waste heat boiler of Chuquicamata＇s flash furnace，COPPER 2003(C)，Volume IVPyrometallurgy of Copper，The Hermann Schwarze Symposium on Copper Pyrometallurgy，Santiago，Chile，Edited by C.Diaz，C.Landoit，T.Utigard，227－240.

Upgrading and Reconstruction of the Nickel Flash Furnace WHB in JNMC

WANG Gang，LI Wei－wei，FENG Ji－long

(1.China ENFI Engineering Crop.Beijing，China 100038; 2.Jinchuan Group LTD.Jinchang，Gansu，China 737100)

The waste heat boiler(WHB)of flash furnace in Jinchuan Nickel Material Company(JNMC)has been running nearly 18 years long，it is already not competent for the smelting production requirement.The reconstruction is demanded to be carried out imminently.ENFI takes the design task for the reconstruction of WHB.In this article，the problems which existed in the old WHB running process have been deeply analyzed，and technology characteristics after reconstructing are introduced in details.

flash furnace;Waste Heat Boiler;design

TF806

B

1009－3842(2011)01－0035－03

2010－12－21

王崗(1968－)，男，漢族，云南蒙自人，工學碩士，高級工程師，主要從事余熱鍋爐的設計和研究工作，E－mail:wangg@enfi.com.cn