熱管余熱鍋爐使用實踐與改進

劉 亮，汪 永

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪335424)

1 引言

江銅貴冶制酸二系列低溫余熱鍋爐屬于重力熱管鍋爐，其結構如圖1所示。2007年投入運行，以替代SO3冷卻器，既減少了設備電耗又回收了多余的熱量，取得了顯著的經濟效益［1］。但是運行至2009年，制酸二系列低溫鍋爐的換熱效率下降明顯，并頻繁出現漏水、漏氣、爆管等故障。本文對其缺陷進行了分析，并在2012年對其進行了改造，改造后，使用至今，該鍋爐運行穩定。

圖1 熱管鍋爐結構示意圖

2 工藝簡介

制酸二系列低溫余熱鍋爐位于第四熱交換器之后，取代原來的SO3冷卻器，設計參數如表1所示。

表1 制酸二系列低溫余熱鍋爐設計參數

3 存在問題

低溫余熱鍋爐運行過程中主要存在如下問題:

(1)鍋爐換熱效率下降速度較快。在大致相同的工況情況下，比較2008年7月和2009年7月二系列低溫鍋爐進出口煙氣溫度，鍋爐出口煙氣溫度明顯上升。如表2所示:

表2 制酸二系列低溫鍋爐換熱效率

(2)熱管爆管失效。余熱鍋爐運行過程中，在現場偶爾能聽到“嘭”的異常聲響，判斷為個別熱管因管內壓力升高，熱管薄弱處承受不了壓力，產生了爆裂，導致熱管失效。

(3)熱管冷卻段與水套管的相貫線處，極易漏水，特別是系統開停車時，漏水更頻繁。

(4)鍋爐水管結垢堵塞。鍋爐汽包、下降管、水套管、排污管局部堵塞，換熱效果下降。

4 原因分析

4.1 換熱效率降低原因分析

造成熱管鍋爐換熱效率下降的原因主要有以下幾方面:

(1)熱管內工質與管殼材料在高溫下發生化學反應或電化學反應，產生不易凝結的氣體，導致熱管冷卻段尾部形成氣塞，影響熱管冷卻段的冷卻面積。使熱管內溫度、壓力上升［2］。

(2)供水不足或者水側結垢，使熱管內工質與爐水換熱效果下降，導致鍋爐換熱效率下降［3］。

2009年12月系統年修，打開制酸二系列低溫鍋爐汽包、熱管水套、排污管等檢查，證實了鍋爐換熱效率下降的主要原因是熱管水側結垢。鍋爐給水中的部分雜質，在汽包中沉降，進入下降管、水套管、排污管并在管壁附著結垢，造成鍋爐水側供水不足。并且鍋爐汽包從右端進水，間歇排污又位于左端，所以造成右側下降管結垢嚴重，左側下降管幾乎沒有結垢。

4.2 爆管原因分析

熱管最不耐壓的位置是封頭，熱管封頭通常采用不銹鋼管壓扁后點焊的方法密封。在密封過程中，容易使封頭封口位置的不銹鋼管局部變薄，同時擠壓會使封頭材質產生損傷，使熱管可承受的壓力范圍縮小。

因不凝性氣體在熱管尾端的聚集，使熱管冷卻段面積減少，同時因熱管冷卻段水側結垢，導致熱管傳熱效率降低，管內溫度升高，壓力隨之上升，當超過到熱管封頭的極限壓力時，就發生爆管［4］。

4.3 漏水原因分析

熱管冷卻段與水套管兩端焊接在一起，但熱管內介質和水套內介質的工作壓力和溫度是根據鍋爐工況波動的，熱管冷卻段和水套的膨脹量也是隨工況波動的。貴冶采用閃速爐和轉爐的冶煉工藝，冶煉煙氣波動較大，鍋爐熱負荷隨之波動，尤其開停車時，熱管急劇膨脹或收縮，而水套管相對形變較小，應力集中易導致熱管與水套管相貫線處開裂。如圖2所示。

圖2 熱管尾端封頭位置示意圖(改造前)

4.4 水側堵塞原因分析

低溫鍋爐使用的是經過簡單脫鹽的軟水，雜質含量較高，長期運行積垢、容易造成鍋爐汽包、下降管、水套管、集箱、排污管堵死。另外集箱排污管設置不太合理，存在排污死角［5-6］。

5 改進措施

2009年系統年修，疏通、清理制酸二系列低溫鍋爐的下降管，并且加藥劑煮爐。鍋爐恢復運行后，其換熱效率得到了較大提高。如表3所示:

表3 2010年7月制酸二系列低溫鍋爐換熱效率參數

針對鍋爐結構的幾個問題，在后期的改造中采用以下了幾點改進方案:

(1)改變鍋爐汽包進水管位置。由汽包一端封頭進水，另外一端間歇排污，改為汽包側面中部進水，兩端間隙排污。縮短汽包給水管與間歇排污管之間的距離，有利于排出鍋爐給水中的雜質，防止雜質沉積結垢。如圖3所示。

圖3 鍋爐汽包給水管和間歇排污管位置

(2)鍋爐上升管和下降管的管徑增大。將其管徑適當放大15%，增加鍋爐水循環速率，增加水套管補水量，確保水套及換熱管始終滿水，避免熱管干燒。另外提高鍋爐給水水質，采用純水，大幅度降低雜質含量，有利于鍋爐長期穩定運行。

(3)改變鍋爐聯箱排污管位置。現在鍋爐聯箱排污管與鍋爐下降管在同側，排污時只能將下降管和距離下降管較近的幾排熱管水套管內的雜質排出，而距離較遠的水套管內的雜質不易排出，存在排污死角，時間長了，雜質容易沉積結垢，熱管換熱阻力增加，影響換熱效率。可以將熱管水套一側進水，另外一側排污。這樣排污時，可以通過水的沖擊，將水套管內積累的污垢排出，不存在排污死角。如圖4所示。

圖4 熱管水套排污管改動示意圖

(4)鍋爐進氣方式變更。原來設計中，煙氣從鍋爐蒸發器頂部進，底部出。鍋爐頂部的蒸發器接觸的煙氣溫度高，蒸發量大;同時因頂部蒸發器與汽包之間的落差較其他蒸發器低，蒸發器下降管與上升管之間的壓差相對較小，水循環速率相對較低，水套管容易因不滿水出現熱管干燒現象。

出現熱管干燒現象一方面導致熱管冷卻段腐蝕加劇，水垢積累加速，另一方面導致熱管管內壓力上升，不凝性氣體產生速率增加，管內壓力逐步增加，爆管的幾率增加。

本次改造中，將鍋爐煙氣從蒸發器底部進，從頂部出。最底部的蒸發器接觸的煙氣溫度高，但因該蒸發器與汽包之間的位差最大，水循環速率最大，避免了水套管不滿水導致熱管干燒現象。

(5)以前熱管尾端封頭是露出熱管水套管外，如果將封頭設置在熱管水套管內，因為水套管內存在壓力，可以減小封頭內外壓力差，減少爆管情況的發生;同時因熱管封頭一段與水套不在焊接，可以自由伸縮，解決了工況波動導致水套管應力拉裂的問題。如圖5所示。

圖5 熱管尾端封頭位置示意圖(改造后)

6 結論

熱管管內積聚不凝性氣體，會使熱管尾端溫度降低;水套管內結垢，會使熱管尾端溫度上升。改進熱管鍋爐設計，如汽包進水位置設在汽包中部，而從兩端間隙排污;加大下降管和上升管的管徑;改變聯箱排污管位置，消除排污死角等，都能使鍋爐的水循環得到優化。使用純水能極大改善鍋爐給水水質，有利于鍋爐長期穩定運行。2012年，制酸二系列低溫鍋爐更換時，采用了上述改進措施，至今，鍋爐運行穩定。但是受限于水套管式熱管鍋爐設計限制，熱管的使用壽命雖然得到提高，但是因管內不凝性氣體的不斷累積，換熱效率持續下降，最終只能更換。

［1］曹霞.熱管鍋爐在煙氣制酸裝置轉化系統中的應用［J］.硫酸工業，2006(6):46-49.

［2］魏海彬，周志宏.熱管余熱鍋爐效率下降分析及處理［J］.銅業工程，2012(5):15-17.

［3］莊駿，張紅.熱管技術及其工程應用［M］.北京:化學工業出版社，2000:132.

［4］郎逵，喬中復，等.熱管技術與應用［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，1984:138-139.

［5］黃國道，謝中建.熱管鍋爐在金隆銅業硫酸裝置的應用實踐［J］.硫酸工業，2010(3):40-43.

［6］張化剛，韓耀強，曹汝俊.熱管蒸汽發生器在大型硫酸裝置中的設計與運行［J］.硫酸工業，2011(1).