銅冶煉制酸中高溫熱管鍋爐可靠性探討和實踐

陸樹友，王 翔（銅陵有色金屬集團股份有限公司 金冠銅業分公司，安徽 銅陵 244100）

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銅冶煉制酸中高溫熱管鍋爐可靠性探討和實踐

陸樹友，王 翔
（銅陵有色金屬集團股份有限公司 金冠銅業分公司，安徽 銅陵 244100）

摘要：文中對銅冶煉制酸工藝系統中高溫熱管鍋爐工質和主要設計參數的選取進行了探討，綜合分析了目前中高溫熱管鍋爐運行中存在的主要問題，并結合運行實踐對鍋爐漏煙、漏水和內外同時爆管等難題提出了防范措施和解決方案，為工程實際提供參考。

關鍵詞：熱管鍋爐； 鍋爐型式； 設計參數； 可靠性； 鍋爐故障； 防范措施

1　引言

銅陵有色金冠銅業分公司（以下簡稱金冠銅業）是國內目前單套系統產能最大的“雙閃”冶煉技術工藝銅冶煉企業，配套年產1450kt/a非衡態高濃度轉化制酸工藝，如圖1所示，采用“4/2/5/3/1”煙氣換熱流程，分別在Ⅰ熱交和轉化器Ⅱ層之間設置1#中高溫熱管鍋爐產2.1MPa中壓蒸汽，在Ⅳ熱交和一吸塔之間設置2#低溫熱管鍋爐產0.6MPa低壓蒸汽。近年來，熱管余熱回收技術得以深入發展，并日趨成熟［1-2］，在轉化工序設置熱管鍋爐回收余熱的技術得到廣泛應用［3-4］，根據國內貴溪冶煉廠、祥光銅業、金隆銅業、富春江和鼎冶煉廠和金冠銅業熱管鍋爐的實際運行情況來看，冶煉制酸系統熱管鍋爐入口煙氣溫度低于450℃時，熱管鍋爐運行平穩，當溫度高于450℃，且采用熱管鍋爐時，經常發生箱體開裂、漏煙、冷端集箱漏水現象，嚴重時發生熱管元件爆管，冷端爐水進入煙氣側，造成長時間停產的重大事故，因此中高溫熱管鍋爐的優化設計選型對銅冶煉制酸工藝系統的高效穩定運行意義重大。

2　制酸余熱鍋爐型式的選擇

制酸工藝系統中的鍋爐可選擇類型主要包括水管鍋爐、火管鍋爐、熱管鍋爐和熱風循環式熱管鍋爐。水管鍋爐和火管鍋爐采用直接換熱形式，鍋爐結構緊湊、膨脹量小，造價低，但安全程度相對較差；熱風循環式熱管鍋爐利用熱風在高煙煙氣側吸收熱量，在熱管鍋爐側釋放熱量，安全程度相對較高，但由于熱風循環需風機驅動，不僅增加了初期投資，而且運行成本提高；熱管鍋爐利用熱管元件內部真空密閉的工作介質相變潛熱來傳遞熱量，傳熱效率相對較高，且煙氣與爐水有二道阻隔，安全程度也較好。因此，在冶煉制酸工藝系統中，在煙溫未超出熱管元件的耐溫范圍時，熱管鍋爐是較為經濟可靠的選擇。

圖2　熱管蒸汽發生器工作原理圖

3　熱管鍋爐工質的選擇

熱管元件工質有鈉加鉀、萘、聯苯、汞和純凈水等，作為有機物的萘、聯苯等工質因易結碳，使用壽命低；金屬汞耐高溫且換熱效果好，但因易揮發，制作熱管元件時易中毒［5］；鈉加鉀作為工質時，因元素特別活潑，極易發生化學反應，產生不凝性氣體和腐蝕性產物；純凈水加緩蝕劑作為工質，需要對熱管表面進行化學液鈍化處理，熱管元件中的水汽混合物隨溫度升高，內壓較大，性能受熱管元件的冷熱端比例、熱端翅片螺距等因素的影響較大。

在冶煉制酸工藝系統中，因煙氣溫度不高于600℃，含塵量低，且5～8年冷修一次，只要控制好熱管元件的設計參數，采用加緩蝕劑的純凈水作為工質是較經濟適用的。

4　中高溫熱管鍋爐主設計參數的選擇原則

在冶煉制酸工藝中，合理選擇熱管鍋爐的運行參數對于轉化和干吸的工藝參數控制和系統的安全穩定運行極其重要；熱管鍋爐產生的蒸汽能更好的平衡整個廠區的蒸汽供給，經濟效益顯著。

4.1熱管鍋爐運行壓力

熱管鍋爐運行壓力取決于煙氣露點溫度和熱管冷端爐水與熱管元件工質的溫差。煙氣露點溫度決定了鍋爐運行壓力的低限值，原則上熱管熱端管壁溫度應大于煙氣露點值20℃以上［6］；熱管冷端爐水與熱管元件工質的溫差決定了鍋爐運行壓力的高限值，原則上爐水溫度與熱管元件工質溫差控制在20～30℃之間，而熱管元件工質溫度受熱量攜帶極限的影響，工質溫度不宜超過250℃［7］，爐水工作溫度控制范圍為220～230℃，對應鍋爐運行壓力高限值為2.78MPa。實際工程應用中，考慮整體經濟性和安全度，熱管鍋爐運行設計壓力不宜超過2.3MPa。

4.2熱管鍋爐入口煙氣溫度

熱管鍋爐入口煙氣溫度取決于箱體材質的耐溫性能、熱管工質熱量攜帶極限值的控制和管系、箱體的膨脹自由度設計等。綜合以上要素和目前國內成熟的應用實例，在工藝不允許鍋爐內漏的情況下，熱管鍋爐入口煙氣溫度不宜超過450℃。

4.3熱管鍋爐煙氣壓力

煙氣側壓力取決于系統的阻力、箱體膨脹節的耐壓能力、箱體與煙管截面差值帶來的內壓升力對喇叭口連接焊縫強度的影響，只要能滿足系統工藝的需求，煙氣壓力不宜有過多富裕量，正常控制在35kPa以內。

5　中高溫熱管鍋爐常見故障與防范措施

中高溫熱管鍋爐常見故障是箱體漏煙、承壓件漏水和換熱熱管元件爆管［8-9］。以銅陵有色銅冶煉技術升級改造項目為例，兩套制酸系統各配置一臺中高溫熱管鍋爐，鍋爐設計參數如表1所示。2014 年5月大修至2015年10月大修，共漏水10次，Ⅰ系統6次，Ⅱ系統4次。

2015年10月大修至今共漏水3次，Ⅰ系統1次，Ⅱ系統2次。故障集中發生在低溫換熱管束的北側10次，Ⅰ系統高溫段A管束發生1次，Ⅱ系統高溫段B管束發生2次；所有焊縫泄漏處為換熱管元件穿水夾套第一道和第二道焊縫。

表1　2.5MPa高溫熱管鍋爐設計參數

5.1箱體和喇叭口焊縫開裂漏煙現象、原因簡析和防范措施

5.1.1漏煙現象

焊縫開裂漏煙位置集中在高溫煙氣入口喇叭口與上箱體連接的角焊縫，上下箱體連接處的東南角與西南角焊縫。

5.1.2原因簡析

入口喇叭口為304不銹鋼材質制作的圓變方管，上箱體為碳鋼加內側搗打料的矩形結構，兩者表面工況溫度和材質不同，膨脹量有明顯差別，且入口煙氣內壓達到30kPa，圓變方式喇叭口受到近31t的內力，導致角焊縫易開裂。

上下箱體連接處東南角與西南角焊縫開裂的原因是設計時箱體內換熱管束安裝空間考慮不足，加上制作和安裝誤差累積，導致角焊縫出現錯邊后焊縫強度降低所致。

5.1.3防范措施

入口喇叭口和上下箱體全部采用304不銹鋼材質，并在上下箱體之間增設中間膨脹節，上下箱體單獨支撐；圓變方入口喇叭口改為異徑管，內置氣流分布板，上箱體向內翻邊與異徑管大頭對接。這樣不僅可以減少上箱體的膨脹移動量，保障線性膨脹系數的一致性，還可減小圓變方入口喇叭口制作難度，提高安裝精度，保障焊接質量。

設計時應統籌考慮鍋爐部件安裝的先后順序和空間，同時將箱體之間的角焊縫對接改為對接焊縫，只需將管板折邊處理。因管束與換熱元件垂直的水平方向箱體承載力最小，最后的對接放在箱體承載力最小的面上進行，即使仍有一定的制作和安裝誤差，鍋爐箱體整體性能不會受大的影響。

5.2爆管內漏

5.2.1爆管現象

金冠銅業分公司盡管未發生過熱管元件爆管內漏現象，但其他使用單位確實發生了換熱元件的爆管事故，爐水進入煙氣側，造成巨大的直接和間接經濟損失。

5.2.2原因簡析

熱管元件爆管主要有三大原因，一是熱管元件的無縫鋼管質量和壁厚；二是熱管元件內置工質數量與特性、管封口的質量［5］；三是熱管元件實際運行工況冷熱端比例失衡。

5.2.3防范措施

嚴格控制熱管元件采購、理化分析、庫存管理和制作質量，適當提高熱管元件的壁厚；防范熱管鍋爐內部煙氣的短路和偏流，確保每根熱管元件冷熱端比例，控制單管功率低于熱量攜帶極限功率的55％。

5.3外部集箱焊縫泄漏

5.3.1漏水現象

外部集箱焊縫開裂主要集中在換熱管穿管板后與水套管之間的第一道和第二道角焊縫上，從俯視角度看，焊縫開裂位置集中在水平夾角零度。

5.3.2原因簡析

鍋爐冷側管束整體懸空、未固定；汽包對側的上升和下降管管路長，固定和導向支撐點設計不合理；熱管在水夾套末端沒有固定，相變換熱時，產生高頻微振，熱管換熱元件受內外震動的影響，長期運行時就會出現外部漏水現象。

下煙箱體底端固定，膨脹向上，而低溫換熱管束冷側集箱受熱膨脹向下，導致換熱管束冷側受雙向疊加的剪切力，在熱負荷波動和開停車時，產生振動性疲勞應力，在受剪切力最大和焊縫最薄弱處出現開裂漏水。

硫酸系統開停車時溫變速率過快，箱體為不銹鋼材質，膨脹系數大、傳熱快，且內部無任何保溫措施，冷熱之間易產生熱交變應力。

換熱管束冷側集箱穿水套管為角焊縫，制作時若不嚴格控制焊接質量，可能產生焊接缺陷，在外力的長期作用下，焊縫薄弱處就會出現開裂漏水現象。

6　防范措施

在保證煙氣溫度處于露點以上的情況下，注意風機入口導葉的調整，同時對鍋爐箱體內外都進行保溫，減緩煙溫變化速率［10］。

對熱管鍋爐管系、箱體和換熱管束的支撐、膨脹、受力狀況、柔性和水動力進行全面校核計算，改進箱體冷側的支撐方式，做到支撐與被支撐物膨脹一致，且采用內置定位環，保障單根熱管元件不產生內部頻繁的相變振動。同時改進上升管和下降管的固定點和柔性設計，尤其是要考慮鍋爐部件相對膨脹應力的校核和應對措施。可考慮將現有管束的對稱布置改為靠汽包側單側布置，并采用徑向熱管［11］。金冠銅業分公司銅冶煉技術升級改造項目中在高溫熱管鍋爐低溫區試用了一組徑向熱管，目前效果很好。

7　總結

中高溫熱管鍋爐現處于逐步成熟完善階段，除以上設計和制作中應重點關注外，對熱管鍋爐型式、煙氣流動方向、高溫段光管和帶翅片熱管的科學分配、集箱外漏的檢修空間、硫酸工藝優化鍋爐進出口煙氣條件、徑向熱管和軸向熱管各自適合的煙氣溫度范圍等還需進一步探討和實踐論證。

參考文獻

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Discussion and Practice on Reliability of High Temperature Heat Pipe Boiler in Copper Smelting Acid Production Plant

LU Shu-you，WANG Xiang
（Jinguan Copper Corporation of Tongling Nonferrous Metals Group Co.Ltd，Tongling，244100，Anhui，China）

Abstract:The selection of the boiler type and the operation parameters of the middle and high temperature heat pipe boiler are discussed in this paper.Some operation problems of the heat pipe boiler，such as the smoke leakage，water leakage，pipe explosion and so on，are carefully analyzed，also effective precautions and solutions are put forward to solve those problems.It is significant for safety design and operation of the heat pipe boiler in the copper smelting acid production plant.

Keywords：heat pipe boiler；boiler type；operation parameters；reliability；failure of boiler；precaution

中圖分類號：TQ111.16

文獻標識碼：B

文章編號：1009-3842（2016）02-0074-04

收稿日期：2016-03-08

作者簡介：陸樹友（1972-），男，安徽樅陽縣人，工程師，主要從事銅冶煉企業設備和生產技術管理工作。E-mail:lusy@jgty.net