有色金屬冶煉余熱鍋爐爐型結構探討

鞠 霞

(中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌330038)

在銅冶煉過程中，冶金爐排出的煙氣含有大量可以利用的余熱。該余熱具有熱負荷不穩定，煙氣含塵量大、有腐蝕性，受安裝場所現有條件限制等特點。現有國內外工程中，大部分采用余熱鍋爐進行煙氣余熱回收。余熱鍋爐設計時主要考慮防止積灰、腐蝕、磨損等方面的問題[1]。然而隨著冶煉技術的發展、冶煉工藝的變化，人們對余熱鍋爐提出了更新更高的要求。筆者注意到如果余熱鍋爐的煙氣動力場組織不合理，可能會導致局部結渣嚴重，或者煙氣不能充分冷卻的狀況，從而產生偏流或短路，達不到預期的效果。因此，本文擬從煙氣動力場的組織上來探討余熱鍋爐爐型結構設計。

1 水平直通煙道式

水平直通煙道式余熱鍋爐，即同冶金爐的接口以水平形式接入余熱鍋爐。本文以閃速爐余熱鍋爐為例，介紹水平直通煙道式余熱鍋爐。

由于高溫煙氣的主流煙氣是往頂棚升浮的，這就使頂棚受熱強烈且容易產生積灰；如果灰斗密封不嚴，這種情況則更突出。因此，此類煙道形式的余熱鍋爐設計時，應控制好鍋爐進口煙氣流速，煙氣流速按3～8 m/s計；輻射室出口溫度一般控制在650℃左右。

水平直通煙道式結構，煙氣在鍋爐內不轉彎，成直流式流動。輻射室采用大空腔膜式壁，一般分為兩種常見爐型：1）輻射室與對流室頂部相平齊。該種爐型一般需要在輻射室設置擋板，對進入輻射室的煙氣分為通過擋板和繞過擋板兩路，從而加強了煙氣在輻射室爐膛的均布，有利于受熱面的充分利用。A項目閃速爐余熱鍋爐物理模型如圖1所示。該項目余熱鍋爐輻射室煙氣流場速度矢量圖見圖2。2）輻射室爐頂高于對流室爐頂。該種爐型一般煙氣入口與輻射室煙氣出口大致在同一高度上。如果不考慮灰斗漏風的影響，從輻射室結構上看，煙氣流動情況比較合理，可以考慮不設置擋板。但由于在實際工程中煙氣入口流速存在向上的分速度，同時考慮到灰斗漏風的情況，可以設置擋板，但建議擋板的長度不要過長，擋板底部標高要高于輻射室出口底部標高。B項目閃速爐余熱鍋爐物理模型如圖3所示，該項目余熱鍋爐輻射室煙氣流場速度矢量圖見圖4。

圖1 A項目閃速爐余熱鍋爐物理模型

圖2 A項目余熱鍋爐輻射室煙氣流場速度矢量圖

圖3 B項目閃速爐余熱鍋爐物理模型

圖4 B項目余熱鍋爐輻射室煙氣流場速度矢量圖

2 垂直煙道結構形式

垂直煙道結構形式分為兩種：1）冶金爐出口垂直向上，對接余熱鍋爐輻射室的為垂直向上、向下的煙道。這種結構形式的余熱鍋爐，其上升、下降處之間的拐點煙氣溫度一般控制在900℃左右。2）NRTS爐煙氣直接進入下降煙道，然后再進入水平煙道。

在垂直煙道余熱鍋爐中，煙氣從下降煙道進入水平輻射段，從流場分布角度看，由于下降段出口流速一般為3～6 m/s，流速有向下的分速度，所以在水平輻射段不需要設置擋板，并且下降煙道出口盡量設置倒角，以充分利用水平段上部受熱面，使煙氣更流暢地進入水平煙道。兩種結構形式的垂直煙道余熱鍋爐在工程中的應用分別見圖5、圖6。

圖5 余熱鍋爐輻射室煙氣流場速度矢量圖

圖6 NRTS余熱鍋爐輻射室煙氣流場速度矢量圖

3 演化的余熱鍋爐結構形式

隨著鍋爐技術的發展以及冶金爐出口標高的限制，余熱鍋爐演化發展出直通煙道與垂直煙道相結合的結構形式。冶金爐出口為水平出口，且出口標高較高，如果采用直通煙道式，會導致整臺鍋爐整體布置較高，鍋爐鋼架鋼材消耗量較大；如果采用傳統的下降煙道結構形式，則下降段的溫度較高，且會對下降煙道進行直接沖刷，不利于受熱面布置。據此，綜合各項因素演化出一種新的結構形式：1）加長下降煙道，減少對垂直煙道的沖擊；2）鍋爐水平段尾部降低，減少鋼材消耗。該種余熱鍋爐結構形式不需要設置擋板，在下降段到水平段連接處，宜設計成倒角的形式，有利于煙氣動力場的分布。該種爐型在設計中，需要注意考慮鍋爐前段與鍋爐后段不同步的熱膨脹。演化的余熱鍋爐結構物理模型及輻射室煙氣流場速度矢量圖分別見圖7、圖8。

圖7 演化的余熱鍋爐輻射室物理模型

圖8 演化的余熱鍋爐輻射室煙氣流場速度矢量圖

4 輻射冷卻室結構設計

輻射冷卻室結構設計的影響因素有很多，主要的因素有以下幾點：1）入口煙氣參數。入口煙氣的流量、流速及入口煙溫均會影響輻射室爐膛的斷面面積。流量越大，斷面面積越大；流速越大，斷面積越小。2）爐膛高寬比。輻射冷卻室斷面面積確定之后，就可進一步確定其高與寬的尺寸。對于煙氣從前面進入的水平冷卻室，高度和寬度之比一般取2。煙氣從鍋爐頂部進入的冷卻室，其寬度與深度之比一般無特殊要求，滿足受熱面面積即可。一般先確定受熱面積，再確定煙氣流通斷面，最后再確定冷卻室的大小。

4.1 受熱面積的確定

有色金屬冶煉余熱鍋爐受熱面積初步估算公式見式（1）。

式中：H為受熱面積，m2。V為鍋爐進口煙氣量（煙氣量為標準狀態下取值，下同），m3/h。I′為鍋爐進口煙氣焓，根據進口煙溫、成分、煙塵含量計算，kcal/m3。I"為鍋爐輻射冷卻室出口煙氣焓，根據進口煙溫、成分、煙塵含量計算，kcal/m3。K為煙氣對受熱面的傳熱系數，根據經驗或相似的鍋爐進行估算。當受熱面積灰5 mm厚時，一般K=25～50 kcal/（m2·h·℃）。tL′為鍋爐進口煙氣溫度，℃。tL"為鍋爐冷卻室出口煙溫，℃。根據重有色余熱鍋爐煙氣及煙塵的特性，tL"一般取650℃左右。tb為受熱面管壁溫度，可取相對應于鍋筒運行壓力下的飽和水的溫度，℃。

4.2 煙氣流通斷面面積的確定

煙氣流通斷面面積主要取決于煙氣的流速。對于煙氣從鍋爐前面進入的水平布置的冷卻室，煙氣流速一般取1～3 m/s。對于從鍋爐頂部進入冷卻室的煙氣流速一般取3～6 m/s。斷面面積按式（2）確定。

式中：F為煙氣流通橫斷面面積，m2；typ為冷卻室內煙氣的平均溫度，℃；Vy為冷卻室中流過的煙氣量，m3/h；W為冷卻室中煙氣流速，m/s。

4.3 輻射冷卻室長度方向的確定

輻射冷卻室長度方向的確定較為復雜，與受熱面面積的大小與受熱面結構特性有關。有色行業余熱鍋爐的輻射冷卻室多采用帶翅片管構成的整體形水冷壁，其角系數為1。對于從一側進煙的余熱鍋爐，冷灰斗的計算受熱面根據進煙口的位置來確定：當進煙口下部邊緣與冷灰斗上部水平面的距離小于1 m時，冷灰斗的計算受熱面取冷灰斗幾何面積的1/3；當進煙口下部邊緣距冷灰斗上部水平面大于1 m時，不計冷灰斗受熱面；對于煙氣從爐頂端進入冷卻室，而冷卻室中沒有煙道隔離墻，煙氣在冷卻室中作水平流動的鍋爐，不計冷灰斗受熱面。綜合考慮以上因素，即可初步確定冷卻室的長度，再通過精確的熱力計算來校核鍋爐各部分的結構特性參數，尤其是冷卻室煙氣出口溫度是否與原設定的數值相符合的程度。一般要保證誤差在±5%范圍內。

5 結論

有色金屬冶煉余熱鍋爐輻射冷卻室內的煙氣動力場組織非常重要。煙氣場組織主要考慮煙氣對受熱面的沖刷，以及如何使煙氣布滿整個冷卻室。本文總結了有色金屬冶煉余熱鍋爐爐型結構特點，從煙氣動力場組織的角度探討了水平直通煙道式余熱鍋爐、垂直煙道式余熱鍋爐及演化的余熱鍋爐的結構形式。水平直通煙道式一般需要在輻射室設置擋板；垂直煙道式在輻射室水平段不需要設置擋板，在下降段到水平段過渡處宜設置倒角，以利于煙氣場組織；演化的余熱鍋爐結構形式介于直通煙道式及垂直煙道式之間，不需要設置擋板，氣流組織較好。輻射冷卻室的結構設計受多種因素的影響，一般需先確定受熱面面積，再確定煙氣流通斷面面積，最后確定冷卻室的大小。