轉爐余熱鍋爐失效原因分析及對策

楊相喜

（攀鋼工程公司修建分公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

隨著冶煉技術快速發展，氧氣頂吹轉爐煉鋼已成為國內外主要的煉鋼方法，余熱鍋爐作為轉爐汽化冷卻關鍵設備，主要對煉鋼產生的高溫煙氣進行冷卻、換熱、產生蒸汽，是轉爐余熱回收、節能減排的重要支撐[1]。攀鋼煉鋼廠有2 座提釩轉爐，余熱鍋爐長期處于高溫、高壓、多粉塵的環境中，高溫煙氣的流動和傳熱十分復雜，并伴有燃燒及傳質過程。熱負荷隨冶煉周期頻繁而急劇變化，在壽命周期內鍋爐管漏水的事故率高。活動煙罩上線2 年就發生漏水，固定煙道部分受阻力較大的三、四段煙道不到1 年就發生漏水。其他固定煙道平均壽命在3 年左右，經常停爐檢修，不僅檢修工作量大、成本高，而且在安全運行上存在隱患，對連續性生產造成很大影響。

1 失效原因分析

1.1 熱負荷過大

在投產初期，該余熱鍋爐運行正常，能滿足生產所需，轉爐主要技術經濟指標對比見表1。近年來，通過加大管理力度、優化生產組織，半鋼及釩渣產量都大幅度提高，其中半鋼年產量超112.5%、釩渣年產量超104.5%，熱負荷過大，鍋爐管內的水汽化嚴重，冷卻不良，出現管子燒裂漏水現象，特別是在三段、四段煙道表現明顯，如圖1 所示。

表1 轉爐主要技術經濟指標對比

1.2 循環冷卻水水質控制不嚴

在日常管理中，水系統、煤氣回收等工藝輔助設備的管理相對寬松，未引起足夠重視，循環水水質控制不嚴。由于汽包無加藥、取樣裝置，鍋爐冷卻水在循環過程中不斷蒸發、濃縮，pH 值動態變化，很難保證水堿度平衡。pH 值超標會破壞鍋爐管金屬鈍化膜，加速氧對鍋爐管的電化學腐蝕，管壁變薄，嚴重時形成深坑和穿孔泄漏。如果鍋爐冷卻水水堿度過高，鍋爐管使用一段時間后就會出現結垢。通過對失效鍋爐管研究分析，水垢主要為碳酸鹽及磷酸鹽水垢，局部厚度約1 mm，嚴重影響汽化冷卻煙道的傳熱效果，在鍋爐管最薄弱處產生裂紋，發生漏水。

圖1 煙道鍋爐管漏水

1.3 煙道結構設計不合理

國內外大部分鋼鐵企業為使轉爐余熱鍋爐更加緊湊，設計安裝時立體空間3 個方向都有布置，煙道末端結構常用圓弧式、多邊形式、直角式，有利于與凈化系統設備連接。公司提釩轉爐余熱鍋爐采用直角式，三段、四段煙道上部轉角分別為90°，形成180°的轉角。煙氣在拐角處產生較強的漩渦、易結渣，溫度高、煙氣流速高的區域鍋爐管劣化趨勢明顯，產生裂紋或爆管漏水。通過應用Fluent 軟件數值模擬不同結構形式下煙道內的煙氣流場、溫度場分布狀況，分析不同結構形式煙道的使用壽命，制定優化措施。

（1）物理模型。根據已知幾何尺寸，建立余熱鍋爐三維空間模型，模型空間區域為煙氣的流動區域，物理模型見圖2。

圖2 余熱鍋爐物理模型

（2）邊界條件。數值模擬時，網格劃分忽略膜式水冷壁對煙氣流動的影響，設入口煙氣流速為6.5 m/s、入口煙氣溫度1400 ℃、入爐爐氣量75 000 m3/h、煙道直徑2450 mm、中心線長度37 661 mm、自然循環壁面溫度140 ℃。

（3）速度場分析。高溫煙氣在余熱鍋爐內的速度場分布如圖3 所示，活動煙罩處流速相對較低，在煙道末端流速逐漸增大。同等邊界條件下，直角式煙氣流速最大為31.6 m/s，圓弧式煙氣流速最大為35.2 m/s，多邊形式煙氣流速最大為33.3 m/s。

圖3 余熱鍋爐煙氣流速分布

煙氣速度矢量圖如圖4 所示，受轉角的作用，煙氣在煙道轉角處產生較大離心力，出現分層現象，而在內側或拐角處出現回流，煙氣流速相對較低，出現較強的漩渦和低溫區，易結渣，煙氣離心力大的區域鍋爐管磨損最嚴重。

圖4 余熱鍋爐煙氣速度矢量圖

通過速度場分析可知，煙氣分布均勻性與煙道結構形式有關。在實際運行中，余熱鍋爐三段、四段鍋爐管漏水頻率高，使用壽命最短。圓弧式煙道內部沒有死角，煙氣流場分布均勻，對煙道磨損小；直角式煙道有2 個90°死角，流場分布很不均勻，煙道末端安裝基礎面兩側流速較高，沖刷最嚴重；多邊形式煙道彎管相比直角式彎管，結構平緩，流場分布比較均勻。通過對比，圓弧式、多邊形式煙道彎管受煙氣磨損較小，更有利于提高使用壽命。

（4）溫度場分析。余熱鍋爐內煙氣溫度分布如圖5 所示，隨煙道的延伸，煙氣溫度逐漸降低，到煙道末端出口溫度降至允許范圍。直角式煙道出口煙氣溫度為892 ℃，圓弧式煙道出口煙氣溫度為945 ℃，多邊形式煙道出口煙氣溫度為923 ℃。經過對比可知，圓弧式煙道的溫度場分布最均勻，出口溫度相對較高，說明換熱能力最差；直角式煙道溫度分布不均勻，煙道內壁面溫度高，出口煙氣溫度相對較低，換熱能力強；多邊形煙道結構平緩，溫度分布較均勻，低溫區范圍要大一些，出口溫度相對較低，換熱能力較強。

2 改進措施

2.1 優化余熱鍋爐末端結構形式

綜合分析煙氣在余熱鍋爐內的速度場和溫度場分布，相比直角式和圓弧式彎管，多邊形煙道更有利于延長余熱鍋爐的使用壽命。綜合設備改造成本，將三段、四段煙道由直角式改造成多邊形式結構，煙道轉角由原來90°變為轉2 個45°，改進前后結構如圖6 所示。

圖5 余熱鍋爐煙氣溫度分布

圖6 余熱鍋爐改造前后結構

2.2 循環冷卻水水質控制

為達到在鍋爐軟水中投加磷酸鹽作為阻垢劑，需對轉爐余熱鍋爐系統的汽包軟水加藥、取樣裝置進行設計和安裝施工。在鍋爐的補充軟水中增加加藥裝置，藥劑為磷酸鹽，加藥點為每個余熱鍋爐的汽包。

在加藥取樣系統投產初期，由于除垢劑作用，循環系統會出現水體渾濁、鐵離子濃度升高的現象，可以通過增加排污次數改善水質，具體控制指標見表2。

表2 鍋爐水水質控制參數

3 結論

（1）對余熱鍋爐失效的原因分析，確定了煙道結構不合理、熱負荷大、循環水水質控制不嚴等問題是造成使用壽命短的制約因素。研究表明多邊形結構更有利于提高使用壽命。

（2）汽包增設加藥、取樣裝置，有效解決了冷卻循環系統pH值和水堿度失衡的現狀，有效控制鍋爐冷水水質，減輕鍋爐管酸性腐蝕和結垢。

（3）工程實踐證明，改進后有效延長余熱鍋爐的使用壽命，大大降低了維護成本，為生產穩定運行奠定基礎，經濟效益顯著。