某閃速熔煉余熱鍋爐爆管問題診斷及解決方案

楊 平

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

閃速熔煉爐是銅冶煉工藝熔煉工段冶金爐。 為了滿足工藝需要， 熔煉爐產出的高溫煙氣通過其上升煙道進入余熱鍋爐，回收高溫煙氣中的熱能。當煙溫降低到合適的溫度后，再引入后續收塵設備[1-2]。

某銅冶煉廠1 臺閃速熔煉余熱鍋爐，建于20 世紀80 年代，采用強制循環方式冷卻。 該鍋爐因擴產等原因歷經多次改造，但每次改造都是局部進行，未做整臺鍋爐系統校核計算（熱力計算和水動力計算）。該鍋爐在最近一次改造后，經常出現爆管現象，主要集中在輻射擋渣板之前的區域， 尤其是輻射側墻前部和輻射頂棚最為嚴重。

1 鍋爐概況

余熱鍋爐與閃速爐上升煙道出口相連， 采用耐高溫膨脹節密封。余熱鍋爐出口接入后部收塵設備。鍋爐由輻射部和對流部組成。輻射部由輻射前墻、左右側墻、 輻射頂棚和輻射后墻組成為1 個密閉的腔體，腔體內有1 片擋渣板和1 組輻射掛屏。對流部由膜式壁做成密閉煙道， 由前往后布置對流管束共7組。 輻射部腔體膜式壁進出水集箱為環形聯通式(不含擋渣板和管屏)， 其中輻射前墻2015 年進行過改造，由原設計的16 個回路改成了30 個回路，集箱和節流圈做了相應地改動。

強制循環泵3 臺，兩用一備。 循環泵參數為：流量630 t/h， 揚程58.5 mm。 2 臺泵運行時實際數據為：流量1 028 t/h，泵進出口壓力差0.5 MPa。

進入該鍋爐的煙氣量52 100 m3/h （標準狀態下，下同），煙溫1 350 ℃，爐口輻射熱7 749 MJ/h。煙氣成分：φ（SO2)42.09%，φ（CO2)2.37%，φ（H2O)3.91%，φ（O2)1.67%，φ（N2)49.96%；煙氣含塵量為168.6 g/m3。鍋爐設計壓力5.0 MPa，運行壓力4.8 MPa，蒸發量48 t/h，給水溫度120 ℃，鍋爐排煙溫度340 ℃。

2 問題診斷采用的關鍵技術

經過初步分析，排除了腐蝕和制造等原因。對于鍋爐爆管頻繁區域回路給水量是否合理， 需要重點核算，這意味需要對整臺鍋爐水動力計算；而水動力計算準確與否又與整臺鍋爐各回路吸熱量多少密切相關,即需要依據熱力計算結果。 上述兩個計算通過中國瑞林工程技術股份有限公司與浙江大學聯合開發的有色冶煉余熱鍋爐設計計算軟件[3]進行。在進行計算前，先利用煙氣仿真掌握爐膛內煙氣流場狀況。

2.1 煙氣仿真技術應用

余熱鍋爐輻射爐膛從1 350 ℃的入口煙溫到出口煙溫700 ℃以下，其溫度梯度非常大，因此熱量分配時需要充分考慮這個溫差帶來的影響。 設計人員利用煙氣仿真技術，對煙氣在爐內運行軌跡、運行速度和溫度梯度的狀況有了直觀的了解。 參考煙氣仿真結果，設計或校核鍋爐每個循環回路結構，能使得熱量分配更加精準。 圖1、圖2 分別為該鍋爐進口煙溫1 100 ℃時煙氣仿真的溫度云圖和速度云圖。

圖1 進口煙溫1 100 ℃時溫度云圖

圖2 進口煙溫1 100 ℃時速度云圖

圖1 顯示，高溫煙氣經閃速爐爐口出來，沖向擋渣板和其前部頂棚區域， 此處的煙溫應在800 ℃以上，比下部灰斗區域的溫度高出很多。 圖2 顯示，爐口至擋渣板上部，煙氣流速由近10 m/s 逐步減弱到5 m/s 左右，而整個輻射爐膛平均流速僅1.3 m/s 左右。

從圖1 和圖2 可以看出，輻射爐膛中部設置的擋渣板，既擋住了一部分煙塵，又參與組織形成合理的爐內煙氣流場，提高了換熱面利用率，擋渣板前部區域熱容量大大高于后部區域。 截取擋渣板前換熱面進行熱力計算，可得輻射熱負荷為108.3 MJ/(h·m2)，是整個爐膛平均輻射熱負荷[69.2 MJ/(h·m2)] 的1.57倍。所以在做熱量分配時，該區域單個回路吸熱量計算按前部輻射熱負荷計算。

在實際運行中， 爐口周邊和擋渣板前部頂棚也是爆管事故頻發區域。排除其它因素，考慮到這些區域熱負荷高，膜式壁單位面積吸熱量大，在對其進行水動力計算時，選擇合適的循環倍率十分關鍵。根據經驗，在進行單個回路吸熱量計算時，特別是爐口和擋渣板前頂棚這些區域， 須取用較高的輻射熱負荷（大約是該區域計算值的1.2 倍甚至更高）， 并取用相對較高的循環倍率和循環流速， 以加強這些回路的冷卻強度，確保鍋爐安全運行。

2.2 水動力計算結果

1 臺鍋爐的水循環系統由循環管、汽包、換熱面和循環泵等串聯組成。 鍋爐換熱面共有幾百個回路構成，每個回路入口均有相應規格的節流圈。根據每個回路的特征（包括回路管徑、長度、彎頭特性、吸熱量以及節流圈等）按標準進行水動力計算，最終計算出整臺鍋爐的總壓差和總流量，并根據總壓差、總流量選用相匹配的循環泵。每個回路會有對應的壓差、流量， 通過調整每個回路入口處的節流圈規格可獲得對應回路合適的工作點。

該鍋爐換熱面共由586 個回路組成， 輻射部和對流部各部件通過管道或并聯或串聯在整個循環系統中。 利用浙江大學鍋爐設計專用計算軟件水動力計算模塊， 根據循環管道和各組受熱面連接方式進行建模， 在模型中每個區段上分別填入相關信息和數據，經過幾萬次的擬合計算，最終找到這幾百個回路各自的工作點和總的工作點。 總的循環水量和阻力須與兩臺循環泵同時運行的工作點極其相近 （偏差＜5%）。 通過計算結果，可以查看每個回路各種參數，比如循環倍率、壓差和循環流速等，從而判斷回路水循環分配是否合理、安全、可靠。

由于銅冶煉爐特別是熔煉爐的煙氣具有煙溫高、煙氣成分復雜、具有腐蝕性，且含有大量粘結性的煙塵的特點， 所以其余熱鍋爐一般均采用強制循環，且循環倍率比較高（20 倍以上）。 該鍋爐平均循環倍率為20.3，循環總水流量1 008 t/h，與實際流量1 028 t/h 相差2%，計算合格。 輻射區和對流區吸熱量（熱力計算）和循環水量（水動力計算）以及各自的占比見表1。

表1 輻射區和對流區吸熱量和循環水量計算結果

合理的水量分配應該與吸熱量比例相匹配。 從安全性考慮，由于輻射區處于高溫區，因此需要稍高占比的循環水量。 然而，從表1 可以看出，輻射區給水量占比小于吸熱量占比， 這在總的循環倍率不高的情況下是比較麻煩的。如果是新設計的鍋爐，可以通過精細地設計回路，全面、系統地選用適當規格的節流圈，確保整臺鍋爐水循環系統安全、可靠。 然而目前這臺鍋爐節流圈和循環管道等均為已有，因此輻射區有些回路才會存在給水量不足而爆管的問題[4]。

輻射區包括頂棚和四周膜式壁，共有221 個回路，兩側墻各77 個，頂棚35 個，前墻由原設計的16個回路改造為30 個回路，后墻16 個。這些回路全部接入一組環形集箱。 節流圈孔徑均為7～7.5 mm，但輻射前墻改造后，節流圈孔徑由7 mm 擴大到8.0 mm。

利用軟件計算的結果截圖見圖3。

圖3 輻射區各回路循環倍率值

3 分析爆管原因

水動力計算結果顯示， 輻射前墻有些回路循環倍率過高（24.5～98.4），而左右側墻前部和頂棚的回路循環倍率多數在10 以下。擋渣板和輻射掛屏是后來擴產改造增加的， 在水動力計算中， 循環倍率在15～30 范圍內，還算比較合理。

由圖3 的數據可以得出以下結論：

1）這組受熱面221 個回路的循環倍率上下幅度太大， 說明所使用的節流圈規格與實際需要嚴重不匹配。

2）輻射前墻改造后，比原設計增加了14 個回路，且節流圈規格特意放大了1 mm。 這些回路的給水量因此大幅增加，循環倍率遠高出平均值。雖提高了輻射前墻的安全性， 但也直接導致與其連通的其它某些回路，因循環水量大大減少而增加爆管風險。

3）原鍋爐設計采用的節流圈規格7～7.5 mm，與爐膛內溫度梯度變化并不太匹配， 但由于原鍋爐內沒有設置擋渣板和掛屏，在低負荷運行時，鍋爐還是安全的。但在新增擋渣板后，爐內煙氣流場與原鍋爐完全不同（如前所述，擋渣板前輻射熱負荷是整個輻射爐膛的1.57 倍）， 鍋爐入口和輻射前部頂棚區域吸熱量遠大于后部， 但改造時原有回路的節流圈并沒有做相應設計， 致使擴產后這些回路循環倍率過低（有些只有7.3），存在嚴重的安全隱患。

4）循環管主管依然是原鍋爐規格，沒有因擴產做全面改造。輻射區給水和回水管道截面偏小，平均流速普遍偏高（某些管段平均流速超過9 m/s），也是造成輻射區供水量不足原因之一。

5）由于輻射區循環管和某些受熱面回路阻力過大，同樣會造成整個水循環系統總阻力過大，運行能耗偏高。

6）對流區水循環狀況：（1）對流區循環管水量占比偏高，循環管管徑相對偏大，管內流速偏低，總阻力偏小。 （2）管束4～6 循環倍率偏高（40 以上），節流圈規格不合理。

4 解決方案的提出與比較

4.1 解決方案的提出

針對以上存在的問題， 該鍋爐需要進行系統性的改造，具體方案有兩種。

1）方案一：維持現有循環泵和大部分循環管，有針對性地擴大需要提高安全性回路的節流圈規格。如有需要可以減小對流區管束4～6 個回路的節流圈規格， 具體規格利用浙大鍋爐設計專業計算軟件進行分步試算，再根據計算結果更換其節流圈。如果依然達不到希望的效果，可以更換流速過高、阻力過大的管道。

以上改造應盡可能維持或降低循環管總阻力；輻射部和對流區給水量比例盡量與吸熱量匹配。 如若偏差過大， 可以在對流區供水總管上設置合適的孔板，增加對流區的總阻力，達到減小對流區的供水量、增加輻射部供水量的目的。

2）方案二：(1)將2 臺循環泵換成1 臺，以便于管理， 降低運行成本。 重新設計相關循環管道和閥門等。 （2）適當加大輻射區給水管和引出管，特別是引出管。一方面可以減小管道上阻力損失，增加該區域的給水量； 另一方面最終可以降低整臺鍋爐水循環阻力，降低循環泵揚程，實現降低運行能耗，節約成本。（3）調整整臺鍋爐的節流圈規格，按需設置。如有需要，可重新設計回路，盡量做到每個回路循環倍率靠近平均值。

4.2 方案比較

方案一主要目的就是解決爆管問題， 改造成本相對較小。方案二在方案一的基礎上進行更多優化，改造更全面，可以使整臺鍋爐水量分配更合理，降低運行成本。 但投資遠大于方案一，且施工范圍大、周期也相對較長。 因此，筆者建議采用方案一。 但不管采用哪個方案， 均需要利用軟件按所述思路進行試算，取用合理的計算數據，最終確定具體改造設計內容。