堿回收鍋爐結構特點及安全性控制

聶玉林應馨廣

（1.湖北省特種設備檢驗研究院 武漢 430060）

（2.武漢特種鍋爐成套設備有限公司 武漢 430060）

堿回收鍋爐結構特點及安全性控制

聶玉林1應馨廣2

（1.湖北省特種設備檢驗研究院 武漢 430060）

（2.武漢特種鍋爐成套設備有限公司 武漢 430060）

堿回收鍋爐是堿法和硫酸鹽法造紙工藝的關鍵設備，我國現階段堿回收爐均采用自然循環敷管爐墻全鋼架吊掛結構，爐膛采用鰭片水冷壁、全密封焊接而成。通過對堿回收鍋爐結構及運行特點進行分析，結合實際介紹了堿回收爐設計制造、安裝過程、監督檢驗過程提高安全性的一些強化措施，并指出了在安裝和檢驗過程應重點關注的一些問題。

堿回收鍋爐； 結構分析； 安全性控制

堿回收鍋爐是堿法和硫酸鹽法造紙工藝不可或缺的關鍵設備，它以制漿過程產生的廢液(俗稱黑液)為燃料，黑液固形物的熱值約為1.34×104kJ/kg～1.51×104kJ/kg。由于黑液中含有多種鈉鹽，直接排放會嚴重污染環境，堿回收鍋爐燃燒黑液一是能利用黑液的熱能供熱或發電。二是回收鍋爐黑液中的鈉鹽，減少制漿過程藥品的消耗。三是可有效解決環境污染問題。

黑液在爐內的燃燒過程有其獨特的方式和特點。爐前黑液含有大量水份。葦漿、草漿黑液由于含有硅膠，粘度大，影響黑液的濃縮，輸送和霧化，黑液濃度只能達到50%左右，但木漿黑液濃度可達到75%～80%。黑液經黑液噴咀霧化后送入爐中，一邊干燥，一邊釋放出揮發物，最后落到爐底墊層上完成燃燒和一系列還原環境下的化學反應。并使黑液固形物熔化，熔融物以液態排渣方式從熔物流槽排出，經溶解槽送往苛化工段。熔融物主要成份為Na2CO3Na2SO4和Na2S 。

1 我國堿回收鍋爐的發展狀況

我國第一臺噴射式堿回收爐于1964年研制成功，1966年在佳木斯造紙廠安裝投運，日處理固形物150 t/d，過熱蒸汽壓力3.82MPa過熱蒸汽溫度450℃。40多年來，通過引進、吸收、自主開發、我國堿回收鍋爐產品已經實現了系列化、多樣化，并向大型化、高參數、數控成套模式發展。武漢特種鍋爐成套設備有限責任公司是我國生產堿回收爐及配套設備歷史最悠久的專業公司，其產品可以燃燒木、竹、蘆葦、麥草、蔗渣、皂化液等各種漿種的廢液。日處理固形物從500t/d～2200t/d。

我國日處理固形物2200t/d的特大堿回收爐（木漿)，2008年在海南金光集團順利投產，額定蒸發量340t/h、額定蒸汽壓力8.4MPa、額定蒸汽溫度480℃、本體金屬耗量達6263t。

2 堿回收鍋爐基本結構

我國現代化堿回收鍋爐均采用自然循環敷管爐墻全鋼架吊掛結構。爐膛采用鰭片水冷壁、全密封焊接而成。爐底上方4m～5m區域、敷設鉻質涂料作成的爐襯。為減少過熱器結焦積灰和高溫腐蝕的危險，爐膛出口通常布置水冷屏或汽冷屏，煙氣流經水冷屏、過熱器、膜式蒸發管（或鍋爐管束)，膜式省煤器后，經電除塵裝置排出。

熱風溫度約為120℃～150℃，由于管式空氣預熱器積灰嚴重，影響堿回收爐的正常運行，除麥草漿采用板式空氣預熱器外，一般均在爐外采用蒸汽加熱。

3 堿回收鍋爐結構及運行特點

1）堿灰具有熔點低，易升華的特性。灰份中，NaOH的熔點約為370℃，Na2CO3熔點

為852℃，Na2S熔點雖然較高，但與Na2CO3、Na2SO4可以構成低熔點混合物，見表1。

表1 鈉鹽混合物熔點

岳陽造紙廠堿爐堿灰實側粘度t1為810℃，軟化點t2為830℃，熔點t3為850℃。在實際運行中，堿金屬在800～900℃溫度范圍就可出現升華現象，爐膛溫度越高，升華現象越嚴重。鈉鹽的蒸汽隨煙氣逸出爐膛，如果粘附在受熱管壁上尚有一定粘性，就能很快捕捉煙氣中的灰份，使積灰迅速發展。堿灰的這一特性對堿爐的結構設計和運行調節都有重大影響。堿爐墊層溫度一般控制在950℃～1050℃范圍，大型堿爐爐膛出口溫度一般控制在900℃～950℃，出于對升華、堵灰特性的考慮，堿回收爐大量布置過熱蒸汽吹灰裝置，蒸發管、省煤器均采用膜式結構，過熱器則采用密管排結構、順排、大間距布置。

2）堿爐體積大、受熱面積多，本體金屬耗量大。堿回收爐由于煙溫、煙速低，積灰嚴重，導致受熱面傳熱溫差小，傳熱系數低，與其他同參數鍋爐相比，受熱面積，爐體尺寸及本體金屬耗量等都要大得多。從表2可以看出，都是懸掛式結構，溫度壓力參數相同，序號1堿爐比序號3煤爐蒸發量還小20%左右，但其上鍋筒標高比煤爐高出18.4m，其本體金屬耗量為煤爐的3.56倍，因此堿爐與其他鍋爐相比，具有焊接接頭多，受熱面熱膨脹量大，在運轉吊裝過程，組裝件容易變形等特點。

表2 堿回收爐與燃煤鍋爐標高與本體金屬耗量

3）水——熔融物爆炸是爐底熔融物與低濃度黒液，或爐水、冷卻水接觸引起的。由于爐底存在一個深200mm～300mm的液池。池中熔融物積蓄大量熱能，如將稀黒液送入爐中，或遇水冷壁管爆管，冷卻水管泄漏等情況，使水和熔融物接觸，會在極短的瞬間急速蒸發，由于水變成蒸汽擴容1000多倍，會產生峰值壓力很大的（達幾兆帕）的沖擊波，從而發生爆炸，這種爆炸的威力比燃煤，燃油（氣）鍋爐發生的爐膛爆炸更劇烈，具有極大的破壞作用，因此在設計和運行中，必須采取可靠的安全措施加以應對。

4）高溫腐蝕問題：高溫腐蝕主要發生在爐底墊層附近的水冷壁及過熱器高溫區部位。高溫腐蝕主要是由于硫的氧化物及鈉鹽引起的。其主要化學可能包括：

過熱器高溫腐蝕的速度隨溫度上升而增大，當管壁溫度在650℃以上時，各種材質的腐蝕速度均劇烈增長，目前我國在額定蒸汽壓力≥4.1MPa堿回收爐設計時高溫過熱器底部承受高溫輻射的部分，采用美國耐高溫腐蝕不銹鋼材質TP347H。

5）爐底區域敷設鉻質涂料做成的爐襯。爐襯具有穩定黑液燃燒、保證熔物順利排放，避免熔融物對水冷壁管的腐蝕和磨損的作用。爐襯運行條件非常惡劣，必須具有很高的機械性能和化學穩定性。

6）爐墻密封性要求高：堿回收爐采用整體全焊接密封結構，以防止爐墻漏風或漏煙，造成受熱面腐蝕，保溫結構損壞和環境污染，受熱面全部安裝完畢后，爐體需作密封性試驗。

4 堿回收爐安全性的控制

只有充分了解堿回收爐結構特性和運行狀況，了解堿回收爐可能發生安全問題的性質、成因、部位，才能進行有效的預防和控制。下面介紹堿回收爐加強安全性的一些考慮和措施。

4.1 產品設計、制造環節加強安全性的措施

● 4.1.1 防爆

防爆的關鍵就是防漏（水)：1）爐膛內受熱面水冷壁、水冷屏，凝渣管均采用厚壁管φ60mm×5mm制作（不分介質壓力)，高參數堿回收爐爐底區域水冷壁還采用復合鋼管，以提高其抗腐蝕磨損的能力；2）爐底水冷壁上敷設爐襯。3）熔物流槽采用厚鋼板制作，以提高其耐沖刷，磨損的能力并規定其使用期限，要求定期更換。4）額定蒸汽壓力≥3.82MPa的堿回收爐，在集中下降管下部安裝電動事故放水閥，一旦發生水冷壁爆管，可迅速啟動電動閥緊急放水；5）爐膛內設計安全角。即將爐膛內一角的某個標高范圍的膜式水冷壁的連接設計得比較薄弱，一旦爐膛發生爆炸，爆炸氣體先從這里沖開一個缺口泄壓，以減輕其他部位的損壞。此外，在鍋爐其它合適的部位適當設置防爆門。

● 4.1.2 加強焊接質量的控制

對爐膛內受熱面（水冷壁、水冷屏及凝渣管）對接焊接，制造廠要求100%射線探傷（不分壓力)，射線探傷應符合GB3323“鋼熔化對接接頭照相和質量分級”的規定，焊接接頭質量不低于Ⅱ級為合格，焊接探傷比例大大高于“蒸汽鍋爐安全技術監察規程”要求。

● 4.1.3 防止高溫腐蝕

為了盡量減少過熱器的高溫腐蝕，通常采用以下應對措施：

1）限制過熱蒸汽溫度（≤480℃）；2）控制爐膛出口煙溫；3）避免過熱器超溫和超負荷運行；4）減少過熱器的熱力和水力不均勻性；5）過熱器下部熱負荷最高的部分采用耐腐蝕不銹鋼管；6）對于水冷壁出口蒸汽壓力＞4.1MPa時水冷壁下部采用復合鋼管。

● 4.1.4 提高堿回收爐給水水質標準

堿爐制造廠家出于下面的考慮，提高堿爐給水水質標準：1）堿回收爐為液態排渣，且存在水——熔融物爆炸危險。2）水冷壁和省煤器系統內水循環流速低，容易導致結垢和超溫。制造廠將堿回收爐給水水質標準按壓力等級高一級鍋爐的標準執行（見表3)，提高水質標準必然增加水處理投資和運行成本，特別是1.25MPa的無過熱器的鍋爐，按中壓電站鍋爐水質要求，水質的提升最多，在實際工作中，有些用戶從經濟性考慮，并不采納這一意見，檢驗部門應注意水質和運行情況的監督和檢查。

表3 給水水質標準

4.2 堿回收爐安裝施工中的安全性控制

1）把好入庫檢收關：嚴格做好入庫驗收工作，保證進入施工現場的設備和材料的型號、規格、數量、材質與設計相符，產品質量及質量證明文件應齊全完整并符合有關規定要求。嚴格按有關技術條件做好有關設備性能試驗和各種材料（管材、焊材、保溫材料、爐襯材料等）的材質復驗。對合金鋼管材及圓鋼應作光譜分析。

2）加強焊接與脹接質量控制：對焊接與脹接過程實施全過程的質量控制。司焊人員必須持有合格證件，各類焊接接頭的焊接應按規定進行焊接工藝評定，焊縫射線探傷比例可參照制造廠規定執行。脹接結構只在低參數堿爐上采用，脹管人員司脹前應進行培訓和試脹，脹管率（采用內徑控制法時）一般控制在1.0%～2.1%范圍。

3）注意膨脹問題的處理：堿爐高度尺寸大，受熱面與構架在運行中相對位移大，有些裝置一部分與受熱面相連，另一部分與構架系統固定，要檢查其關聯部位的膨脹問題處理是否適當，避免膨脹受阻，導致設備的破壞。

4）認真做好管子通球，吹管工作，保持管內清潔與暢通。必須消除鍋爐整體水壓試驗，爐墻密封試驗發現的泄漏。保證受壓部件系統的嚴密性和爐墻的密封性。

5）爐襯的施工與養護：爐襯的安全使用對堿爐的運行和安全都有重大影響。爐襯必須按制造廠提供的工藝文件進行選材、配比、施工和烘干養護。鉻鐵礦應選擇Cr2O3含量較高的礦石，Cr2O3含量低，煅燒收縮嚴重，機械強度和耐火性能顯著降低。破碎前最好進行洗礦，除去礦石中的泥沙。如采用水玻璃作粘結劑，其模數宜在2.4～3.0范圍，相對密度宜在1.45～1.53范圍。爐襯施工應使涂料填滿管子與銷釘之間的空隙，施工后可用鐵絲或焊條在涂料表面任意扎制氣孔，以利涂料中的水份排出。實驗表明，用水玻璃配量的涂料大部份水份將在20～100℃溫度范圍內脫除，在100℃溫度下，前6h的平均蒸發強度為后8h的平均蒸發強度的5倍，因此烘爐開始階段，要求升溫緩慢而且平穩，避免前期升溫太快，蒸發強度太大，在涂料內形成很大壓力，造成涂料裂紋和崩落。

4.3 堿回收爐在用檢驗應關注的幾個問題

堿回收爐在用檢驗應按“鍋爐定期檢驗規則”進行規定項目的檢驗，檢驗應結合鍋爐運行實際，認真了解其運行狀況，特別是一些不正常的工況，如堵灰、過熱器超溫、水質超標、爆管、泄漏等，認真了解事故及事故處理情況、設備維修 改造情況，以便適當增減或強化某些檢測項目和內容。筆者認為應對下列幾方面予以關注：

1）過熱器超溫及高溫腐蝕：過熱器管壁超溫會加速高溫腐蝕，在長期超溫和高溫腐蝕的作用下，會使材質劣化，管壁減薄，強度下降，導致爆管事故的發生。新疆博湖葦業公司Waz45/3.82型堿回收爐，2007年7月投運，由于超負荷運行，導致過熱器超溫和高溫腐蝕嚴重，僅運行了3個月即發生高過爆管，4個月后又多次發生爆管。在檢驗時要注意那些發生蠕脹及那些煙溫偏高、介質溫度也高的部位。用戶自己則可在每次停爐檢修中，選擇一些有代表性的部位，了解腐蝕情況和測厚，并詳細記錄，加強監督。

2）水冷壁損壞：實踐表明，水冷壁向火面，在有爐襯保護的部位，不會發生腐蝕。腐蝕有可能發生在風口部位，有些堿爐風口部位爐襯完全被高速氣流沖刷破壞，使水冷壁失去保護，導致水冷壁爆管，在低負荷工況下運行和水冷壁管內結垢，也是水冷壁爆管的誘發原因，在低負荷工況下一部份管子由于循環流速大小，使管壁金屬得不到足夠的冷卻，會造成水冷壁管超溫，甚至爆管。

在實際運行中，也發生由于一次風配風不均勻，造成爐底局部熔融物形成漩渦，破壞爐襯，進而造成水冷壁爆管的案例。上述部位均需認真檢查。

3）噴水減溫器檢查：噴水減溫器在運行過程會產生很大振動，并且由于減溫水與過熱蒸汽溫差很大，在沒有均勻混合前，與一些零部件接觸，會產生很大的急劇變動的溫差應力，這種運行工況可能造成文丘里管支座脫離，文丘里噴水管接管減溫器集箱損壞或裂紋，因此對堿回收爐進行全面檢查時，要注意這些部位的檢查。

5 結束語

堿回收爐是一種使用特殊燃料，具有特殊工藝流程和特殊結構的特種鍋爐，除了擁有一般鍋爐的共性問題，還可能存在一些特殊的安全問題，檢驗人員在實際檢驗中必須對具體堿爐具體分析，找出安全薄弱環節，避免安全問題的漏檢，提高在用檢驗的效率和可靠性。

1 聶玉林,堿回收爐的積灰及其對爐子設計的影響[J].湖北造紙,1987

2 聶玉林,堿回收爐耐高溫強堿腐蝕爐襯的研制與應用[J].湖北化工學院學報,1996,1

Structure Characteristics and Safety Control of Alkali Recovery Boiler

Nie Yulin1Ying XinGuang2
(1.Hubei special equipment inspection and Research Institute Wuhan 430060）
（2.Wuhan special boiler complete equipment Co., Ltd. Wuhan 430060)

Alkali recovery boiler is the key equipment for alkali and sulfate process paper making, which consist of steel hanging tube-lined boiler wall structure with natural circulation. The structure and operation characteristics of alkali recovery boiler are analyzed, and the suggestion to strengthen the safety of alkali recovery boiler in design, manufacturing, install, supervision and inspection process is given.

Alkali recovery boiler； Structure analysis； Safety control

X933.2

B

：1673－257X(2014)05－26－04

聶玉林（1938－)，男，高級工程師，從事鍋爐檢驗研究。

2013－12－16）